專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用固體高分子型燃料電池進行發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術：
燃料電池基本上由夾著具有離子傳導性的電解質的一對電極，即陽極和陰極，以及夾有它們的陽極側隔板和陰極側隔板構成。陽極側隔板具有向陽極供給燃料的流路，陰極側隔板具有向陰極供給氧化劑的流路。通過向陽極供給燃料，例如氫氣或乙醇等，向陰極供給氧化劑，例如氧氣或空氣，并通過在各電極上發(fā)生的氧化或還原反應，將這些反應物質所具有的化學能轉化為電能，并產(chǎn)生電流。
在這樣的燃料電池中，有一種使用具有氫離子傳導性的高分子膜作為電解質，使用氫氣或以氫氣為主要成分的混合氣體作為燃料，使用氧氣或空氣等氣體作為氧化劑的類型。在該燃料電池中，氫氣在陽極上通過式(1)的反應被氧化產(chǎn)生電子和氫離子。氫離子在固體電解質膜中移動而到達陰極側。另一方面，電子經(jīng)過外部電路到達陰極，在陰極的氧氣和電子以及氫離子通過式(2)的反應被還原生成水。
(1)(2)該燃料電池的電解質固體高分子膜只在濕潤狀態(tài)下才發(fā)揮離子導電性。因此，要維持高發(fā)電性能，只有由式(2)的反應生成的水分是不夠的，需要從外部補給水分。一般來說，向燃料電池供給運行所需的水分的方法采用，使用在燃料電池的本體內(nèi)部或外部設置的，用于加濕向燃料電池供給的氣體的裝置。
此外，該燃料電池的運行溫度由于受到電解質固體高分子膜的耐熱性能的制約，通常為90℃以下。但是，由于式(1)和(2)的反應在90℃以下的環(huán)境中難以發(fā)生，所以，前述的陽極和陰極需要具備具有活化這些反應的作用的催化劑。因此，在該燃料電池的陽極和陰極上使用催化性能高的鉑。
作為具備這種燃料電池的現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)的一例，有一種具有圖1中所示的構成的系統(tǒng)(例如，參照專利文獻1)。即，該系統(tǒng)包括燃料電池10，其通過使從氫氣供給裝置11供給的氫氣，和從空氣供給裝置12通過加濕器13被加濕并供給的空氣中的氧氣進行反應而發(fā)電。包括，為了回收電極反應的熱而使冷卻水在燃料電池10中循環(huán)的泵16，以及將由燃料電池10發(fā)電的直流電轉換為交流的逆變器25。經(jīng)過泵16循環(huán)的冷卻水將從燃料電池中得到的熱能在熱交換器19中釋放。另一方面，通過泵17循環(huán)的熱水儲槽18內(nèi)的水從熱交換器19吸收熱，以溫水被儲存在熱水儲槽18中。
在該現(xiàn)有的系統(tǒng)中，在燃料電池10的與燃料氣體入口14a連接的流路14和與空氣入口15a連接的流路15中，分別設置了三通閥21和22。其被構造成為，在燃料電池10停止運行時，通過惰性氣體氣瓶20將惰性氣體供給給燃料氣體流路和空氣流路中。14b為燃料氣體的出口，15b為空氣的出口。
以該例為代表的燃料電池系統(tǒng)，為了有效地使用燃料氣體的化學能，需要根據(jù)供給端的電力需要而改變運行輸出或反復進行啟動或停止操作。但是，在啟動和停止作為發(fā)電源的燃料電池時，由于存在以下的問題，所以需要將陽極或陰極的任何一極或兩極的氣體置換成惰性氣體，即需要進行惰性氣體清洗。
首先，作為啟動和停止時的問題點，可以舉出第一，從安全性的觀點出發(fā)，需要從停止時的燃料電池中除去氫氣。這是因為，由于隔開陽極和陰極的固體高分子膜透過氧氣和氫氣，在燃料電池長時間維持運行停止狀態(tài)時，氫氣和氧氣成為混合狀態(tài)。
第二，從發(fā)電效率的觀點出發(fā)，需要除去陰極中的氧氣。這是因為，在無負荷狀態(tài)下陰極中存在氧氣時，陰極變成相對于標準氫電極約1V的電位，該電位引起電極催化劑鉑的氧化反應和溶解反應，從而降低電極的催化能力。
第三，從啟動的穩(wěn)定性的觀點出發(fā)，需要除去陽極和陰極中的水蒸氣。由于向燃料電池供給的氣體已經(jīng)被加濕，而且加上由式(2)的反應的生成水，燃料電池內(nèi)部的氣體在運行時的溫度下處于相對濕度接近100％的狀態(tài)。雖然燃料電池的運行溫度通常為60℃～80℃，但在燃料電池停止時，在燃料電池內(nèi)部滯留的氣體被冷卻到室溫附近。因此，氣體中的水分凝集。燃料電池在啟動時，由于燃料電池處于溫度低的狀態(tài)，該凝集水以液體的狀態(tài)滯留在電池內(nèi)。該凝集的水分覆蓋鉑表面，或者堵塞多孔體氣體擴散層的孔，引起隔板的氣體流路的閉塞，因而阻礙氣體的擴散，啟動時發(fā)電不穩(wěn)定。
作為用于解決這些問題的清洗方法，最通常的方法是，如圖1所示，在系統(tǒng)中裝載氮氣等惰性氣體的氣瓶20，通過燃料電池10的燃料氣體入口14a側的流路14和空氣的入口15a側的流路15，以氣瓶的壓力為動力，在燃料電池停止時供給惰性氣體的方法。其它目前已被提出的方法有由冷卻水清洗的方法(例如，專利文獻2)；除去陰極排出氣體中的氧氣后，再向燃料電池供給的方法(例如，專利文獻3)；將燃料氫氣和空氣燃燒后，向燃料電池供給的方法(例如，專利文獻4)等。
專利文獻1日本特開平11-214025號公報專利文獻2日本特開平06-251788號公報專利文獻3日本特開平06-203865號公報專利文獻4日本特開2002-50372號公報發(fā)明內(nèi)容現(xiàn)有技術的清洗的目的在于，將停止時燃料電池中存在的氣體置換成惰性氣體。此外，如果考慮燃料電池的啟動和停止特性，希望清洗時間盡可能短。因此，作為滿足這些要求的清洗條件，希望提供一種清洗方法，其通過供給大流量的惰性氣體，在短時間內(nèi)置換燃料電池內(nèi)的氣體。
但是，當運行時供給的氣體量與清洗時供給的氣體量之間的差別大時，存在燃料電池內(nèi)陽極與陰極之間的壓差急劇變化的問題。
該類型的燃料電池通常使用幾十微米的厚度的固體高分子膜。該固體高分子膜除了要求具有電解質的功能之外，還要求具有隔離陽極的燃料氣體和陰極的氧化劑氣體的功能。固體高分子膜由于陽極與陰極間的壓差通常成為形變的狀態(tài)。該形變量的急劇的變化會使固體高分子膜的強度降低，因此，由于日常運行的反復啟動和停止引起的固體高分子膜達到破損所用的時間變短。特別地，如果運行時和清洗時的陽極和陰極的壓力損失的大小成逆轉關系，固體高分子膜會從陽極側向陰極側振動，因而會使固體高分子膜的強度顯著降低。即，根據(jù)現(xiàn)有技術的清洗方法反復地進行不控制壓差的清洗所存在的課題在于，降低燃料電池的長期可靠性。
本發(fā)明就是為了解決上述現(xiàn)有技術中的課題而完成的，其目的在于，測定陽極燃料氣體與陰極氧化劑氣體的壓力，根據(jù)該測定值控制陽極或者陰極的壓力，由此，提高反復進行啟動和停止的燃料電池的長期可靠性。
為了解決上述現(xiàn)有的課題，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具備燃料電池、向前述燃料電池的陽極供給燃料氣體的燃料氣體供給裝置、向前述燃料電池的陰極供給氧化劑氣體的氧化劑氣體供給裝置、向前述燃料電池的陽極和/或陰極供給惰性氣體的惰性氣體供給裝置、測定前述燃料電池的陽極的入口側流路的壓力Pa和陰極的入口側流路的壓力Pc的裝置。該燃料電池系統(tǒng)被構成為，在前述燃料電池啟動或停止時，通過前述惰性氣體供給裝置進行將前述燃料電池內(nèi)的燃料氣體和/或氧化劑氣體置換成惰性氣體的清洗操作。當將壓差定義為ΔP＝Pa-Pc時，運行狀態(tài)時的壓差ΔPo與清洗時的壓差ΔPp滿足0＜ΔPo×ΔPp的關系。
這里，優(yōu)選ΔPo與ΔPp為|ΔPp|≤|ΔPo|的關系。更優(yōu)選為ΔPo＝ΔPp的關系。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中包括，根據(jù)前述燃料電池的清洗時的Pa和Pc的值增加或減少向前述燃料電池供給的惰性氣體的供給量的控制裝置。根據(jù)該實施方式可以有效地控制ΔPo與ΔPp的關系，因此，可以防止甚至是暫時的ΔPo×ΔPp＜0的關系。
本發(fā)明的另一個優(yōu)選的實施方式中包括，改變從前述燃料電池排出氣體的出口側流路的內(nèi)徑的裝置，和根據(jù)前述燃料電池的清洗時的Pa和Pc的值改變前述內(nèi)徑的裝置。根據(jù)該實施方式，與上述同樣地，可以有效控制ΔPo與ΔPp的關系。
根據(jù)本發(fā)明可以將在燃料電池啟動或停止時進行的清洗時的壓差控制成希望的狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明，在運行中和清洗操作中，可以將電解質膜的陽極側或陰極側的壓力始終控制得總是比另一側的壓力大。因此，可以抑制在啟動或停止時的清洗情況下產(chǎn)生的固體高分子膜的振動引起的強度下降。從而可以提供在伴隨著啟動·停止的長期運行中具有高可靠性的燃料電池系統(tǒng)。


圖1是表示現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)的概略構成的圖。
圖2是表示本發(fā)明的實施方式1的燃料電池系統(tǒng)的構成的圖。
圖3是表示本發(fā)明的實施方式2的燃料電池系統(tǒng)的構成的圖。
圖4是表示本發(fā)明的實施方式3的燃料電池系統(tǒng)的構成的圖。
圖5是表示本發(fā)明的實施方式4的燃料電池系統(tǒng)的構成的圖。
圖6是表示本發(fā)明的實施方式5的燃料電池系統(tǒng)的構成的圖。
圖7是表示本發(fā)明的實施方式6的燃料電池系統(tǒng)的構成的圖。
圖8是表示本發(fā)明的實施例和比較例的燃料電池堆的循環(huán)試驗中的輸出電壓的變化圖。
具體實施例方式
以下，參照

本發(fā)明的實施方式。
實施方式1圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式1的燃料電池系統(tǒng)的構成圖。
實施方式1中的燃料電池系統(tǒng)包括，使用燃料氣體和氧化劑氣體進行發(fā)電的固體高分子型的燃料電池10，對天然氣等原料進行水蒸氣重整、向燃料電池10供給生成的富氫氣體的氫氣供給裝置11，吸入外部空氣作為氧化劑氣體的空氣供給裝置12，以及給吸入的空氣予以必要的濕度的加濕器13。還包括，為了回收燃料電池10發(fā)電時產(chǎn)生的熱而使冷卻水循環(huán)的泵16，用于回收·儲存由該冷卻水回收的熱能的熱交換器19，熱水儲槽18以及使熱水儲槽18內(nèi)的水通過熱交換器19循環(huán)的循環(huán)泵17，將由燃料電池10發(fā)電的直流電轉換為交流電的逆變器25。還包括，在運行停止時用于向燃料電池10供給惰性氣體的惰性氣體氣瓶20等。
雖然以上的構成要素與現(xiàn)有技術的系統(tǒng)相同，但是，在本實施方式進一步還包括，用于測定燃料氣體的入口14a側的流路14和空氣入口15a側的流路15的壓力的壓力計31和32，用于控制向各個入口供給的惰性氣體的流量的質量流量控制器33和34，用于存儲由壓力計31和32測定的壓力、并根據(jù)其值控制質量流量控制器33和34的控制器30。
這里的惰性氣體是指氦氣和氬氣等稀有氣體、氮氣、脫硫后的天然氣和水蒸氣等，不會引起在0℃～100℃的高濕氣氛下的鉑上成為單電極的氧化還原反應的氣體。
在實施方式1中，運行停止時的清洗步驟如下。
當外部電路的電力需求消失，對燃料電池系統(tǒng)發(fā)出停止信號時，首先，燃料電池系統(tǒng)的輸出降低到最小輸出。此時，質量流量控制器33和34的流量設定為可控制的最小流量值。為了使燃料電池內(nèi)的氣流穩(wěn)定，在最小輸出狀態(tài)下保持一定時間后，由控制器30記錄由壓力計31和32觀測的燃料氣體入口14a和空氣入口15a的壓力。
然后，打開通向逆變器25的電路后，停止氫氣供給裝置11和空氣供給裝置12。
然后，比較由控制器30記錄的壓力的大小，打開與壓力大的一方的入口(例如14a)連接的惰性氣體流路的閥門21，通過質量流量控制器33階段性地增加惰性氣體的流量，直至達到目標流量。
然后，打開與另一個入口(例如15a)連接的惰性氣體流路的閥門22，同樣階段性地增加惰性氣體的流量。然后，當清洗時的兩入口側流路的壓力差的絕對值|ΔPp|變得小于運行中的壓力差的絕對值|ΔPo|時，停止惰性氣體的流量的增加，保持此時的流量。
以該狀態(tài)向燃料電池內(nèi)供給惰性氣體規(guī)定時間后，與供給惰性氣體時相反，關閉與被記錄的壓力較小方的入口(例如15a)連接的惰性氣體流路的閥門22，然后，關閉與另一個入口(例如14a)連接的惰性氣體流路的閥門21。以上是燃料電池停止時的步驟。
再啟動時的清洗步驟如下所述。
當外部電路發(fā)生電力需要，對燃料電池系統(tǒng)發(fā)出啟動信號時，首先，將質量流量控制器33和34的流量設定為可控制的最小流量值。然后，由控制器30比較上次停止時記錄的壓力的大小，打開與壓力大的入口(例如14a)連接的惰性氣體流路的閥門21，通過質量流量控制器33階段性地增加惰性氣體的流量直至達到目標流量。然后，打開與另一個入口(例如15a)連接的惰性氣體流路的閥門22，同樣階段性地增大惰性氣體的流量。然后，當清洗時的壓差的絕對值|ΔPp|變得小于運行時的壓差的絕對值|ΔPo|時，停止惰性氣體的流量的增加，保持此時的流量。
以該狀態(tài)向燃料電池內(nèi)供給惰性氣體規(guī)定時間后，與供給惰性氣體時相反，關閉與被記錄的壓力較小方的入口(例如15a)連接的惰性氣體流路的閥門22，然后，關閉與另一個入口(例如14a)連接的惰性氣體流路的閥門21。
然后，啟動氫氣供給裝置11和空氣供給裝置12，在這些燃料氣體和空氣充分進入到燃料電池10內(nèi)的時間內(nèi)，保持該狀態(tài)，然后，關閉通向逆變器25的電路，開始發(fā)電。以上是燃料電池啟動的步驟。
上述啟動和停止的步驟中，更優(yōu)選后供給惰性氣體的入口(例如15a)的壓力上升至與先供給惰性氣體的入口(例如14a)的壓力相同的壓力。
如果采用實施方式1的燃料電池系統(tǒng)的構成和清洗方法，在運行時和清洗時，燃料電池10中的固體電解質膜總是受到來自同一方向的由壓差引起的力，因而不會促進由振動引起的強度的惡化。因此，可以提供在伴隨著啟動和停止的長期運行中可靠性高的燃料電池系統(tǒng)。
實施方式2圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式2的燃料電池系統(tǒng)的構成圖。
在實施方式2中，燃料電池系統(tǒng)在實施方式1說明的現(xiàn)有技術的系統(tǒng)中，作為惰性氣體氣瓶20的替代，將通過鼓風機41和42從系統(tǒng)外部導入的空氣，通過燃燒機43和44消耗空氣中的氧氣，以此來制成惰性氣體氮氣，并將其作為清洗氣體向燃料電池供給。進一步，還包括用于測定燃料氣體的入口14a側的流路14和空氣入口15a側的流路15的壓力的壓力計31和32，用于存儲壓力計31和32測定的壓力并根據(jù)其值控制鼓風機41和42的輸出的控制器30。
在實施方式2中，停止時的清洗步驟如下。
當外部電路的電力需求消失，對燃料電池系統(tǒng)發(fā)出停止信號時，首先，燃料電池系統(tǒng)的輸出降低到最小輸出。接著，為了使燃料電池內(nèi)的氣流穩(wěn)定，在最小輸出狀態(tài)下保持一定時間后，由控制器30記錄壓力計31和32觀測的燃料氣體入口14a側的流路14和空氣入口15a側的流路15的壓力。
然后，打開通向逆變器25的電路后，停止氫氣供給裝置11和空氣供給裝置12，點火燃燒機43和44。
然后，比較控制器30記錄的壓力的大小，啟動與壓力大的入口(例如14a)連接的鼓風機41，同時，打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門21。然后，增大鼓風機41的輸出，并階段性地增大惰性氣體的流量直至達到目標流量。
然后，啟動與另一個入口(例如15a)連接的鼓風機42，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門22，同樣階段性地增加惰性氣體的流量。然后，當清洗時的壓差的絕對值|ΔPp|變得小于運行時的壓差的絕對值|ΔPo|時，停止惰性氣體流量的增加，保持對應此時的鼓風機的輸出。
以該狀態(tài)運行鼓風機規(guī)定時間后，與鼓風機啟動時相反，關閉與被記錄的壓力較小的入口(例如15a)連接的鼓風機側的閥門22，然后關閉與另一個入口(例如14a)連接的鼓風機側的惰性氣體流路的閥門21。以上是燃料電池停止時的步驟。
再啟動時的清洗的步驟如下。
當外部電路發(fā)生電力需要，對燃料電池系統(tǒng)發(fā)出啟動信號時，首先點火燃燒機43和44，接著由控制器30比較上次停止時記錄的壓力的大小，啟動與壓力大的入口(例如14a)連接的鼓風機41，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門21。然后，增大鼓風機41的輸出，并階段性地增大惰性氣體的流量直至達到目標流量。啟動與另一個入口(例如15a)連接的鼓風機42，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門22，同樣階段性地增大惰性氣體的流量。然后，當清洗時的壓差的絕對值|ΔPp|變得小于運行時的壓差的絕對值|ΔPo|時，停止惰性氣體流量的增大，保持此時的流量。
以該狀態(tài)運行鼓風機規(guī)定時間后，與運行鼓風機時相反，關閉與被記錄的壓力較小的入口(例如15a)連接的閥門22，然后關閉另一個閥門21。
然后，啟動氫氣供給裝置11和空氣供給裝置12，在這些燃料氣體和空氣充分進入到燃料電池10內(nèi)的時間內(nèi)，保持該狀態(tài)，然后，關閉通向逆變器25的電路，開始發(fā)電。以上是燃料電池啟動的步驟。
上述啟動和停止的步驟中，更優(yōu)選后供給惰性氣體的入口的壓力上升至與先供給惰性氣體的入口的壓力相同的壓力。
如果采用實施方式2的燃料電池系統(tǒng)的構成和清洗方法，則與實施方式1同樣地，可以提供在伴隨著啟動和停止的長期運行中可靠性高的燃料電池系統(tǒng)。
實施方式3圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式3的燃料電池系統(tǒng)的構成圖。
在實施方式3中，燃料電池系統(tǒng)在實施方式1說明的現(xiàn)有技術的系統(tǒng)中，作為惰性氣體氣瓶20的替代，將通過升壓泵51和52從系統(tǒng)外部導入的城市煤氣作為惰性氣體向燃料電池供給。進一步，還包括用于測定燃料氣體的入口14a側的流路14和空氣入口15a側的流路15的壓力的壓力計31和32，用于存儲這些壓力計測定的壓力并根據(jù)其值控制升壓泵51和52的輸出的控制器30。
在實施方式3中，停止時的清洗步驟如下。
當外部電路的電力需求消失，對燃料電池系統(tǒng)發(fā)出停止信號時，首先，燃料電池系統(tǒng)的輸出降低到最小輸出。接著，為了使燃料電池內(nèi)的氣流穩(wěn)定，在最小輸出狀態(tài)下保持一定時間后，由控制器30記錄壓力計31和32觀測的燃料氣體入口14a側的流路14和空氣入口15a側的流路15的壓力。
然后，打開通向逆變器25的電路后，停止氫氣供給裝置11和空氣供給裝置12。
然后，比較控制器30記錄的壓力的大小，啟動與壓力大的入口(例如14a)連接的升壓泵51，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門21。然后，增大升壓泵51的輸出，并階段性地增大城市煤氣的流量直至達到目標流量。
然后，啟動與另一個入口(例如15a)連接的升壓泵52，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門22，同樣階段性地增大城市煤氣的流量。然后，當清洗時的壓差的絕對值|ΔPp|變得小于運行時的壓差的絕對值|ΔPo|時，停止增大城市煤氣的流量，保持對此時的升壓泵51和52的輸出。
以該狀態(tài)運行升壓泵51和52規(guī)定時間后，與這些升壓泵的啟動時相反，關閉與被記錄的壓力較小的入口(例如15a)連接的升壓泵52側的閥門22，然后關閉與另一個入口(例如14a)連接的升壓泵51側的惰性氣體流路的閥門21。以上是燃料電池停止時的步驟。
再啟動時的清洗的步驟如下。
當外部電路發(fā)生電力需要，對燃料電池系統(tǒng)發(fā)出啟動信號時，首先，由控制器30比較上次停止時記錄的壓力的大小，啟動與壓力大的入口(例如14a)連接的升壓泵51，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門21。然后，增大升壓泵51的輸出而階段性地增大城市煤氣的流量直至達到目標流量。啟動與另一個入口(例如15a)連接的升壓泵52，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門22，同樣階段性地增大城市煤氣的流量。
然后，當清洗時的壓差的絕對值|ΔPp|變得小于運行時的壓差的絕對值|ΔPo|時，停止城市煤氣流量的增大，保持此時的流量。
以該狀態(tài)運行升壓泵51和52規(guī)定時間后，與這些升壓泵運行時相反，關閉與被記錄的壓力較小的入口(例如15a)連接的閥門22，然后關閉另一個閥門21。
然后，啟動氫氣供給裝置11和空氣供給裝置12，在這些燃料氣體和空氣充分進入到燃料電池10內(nèi)的時間內(nèi)，保持該狀態(tài)，然后，關閉通向逆變器25的電路，開始發(fā)電。以上是燃料電池啟動的步驟。
上述啟動和停止的步驟中，更優(yōu)選后供給城市煤氣的入口的壓力上升至與先供給城市煤氣的入口的壓力相同的壓力。
如果采用實施方式3的燃料電池系統(tǒng)的構成和清洗方法，則與實施方式1同樣地，可以提供在伴隨著啟動和停止的長期運行中可靠性高的燃料電池系統(tǒng)。
實施方式4圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式4的燃料電池系統(tǒng)的構成圖。
在實施方式4中，燃料電池系統(tǒng)在實施方式1說明的現(xiàn)有技術的系統(tǒng)中，作為惰性氣體氣瓶20的替代，通過升壓泵52將從系統(tǒng)外部導入的城市煤氣作為惰性氣體向空氣流路供給。進一步，還包括用于測定燃料氣體的入口14a側的流路14和空氣入口15a側的流路15的壓力的壓力計31和32，用于存儲這些壓力計測定的壓力并根據(jù)其值控制升壓泵52的輸出的控制器30。此外，在燃料氣體的入口14a側的流路14中設置有電磁閥61，在燃料氣體的出口14b側的流路中設置有電磁閥62。關于運行中的燃料氣體的流路和空氣的流路的壓力，燃料電池10通常被設計成，空氣的入口15a側的流路的壓力較大。
在實施方式4中，停止時的清洗步驟如下。
當外部電路的電力需求消失，對燃料電池系統(tǒng)發(fā)出停止信號時，首先，燃料電池系統(tǒng)的輸出降低到最小輸出。接著，為了使燃料電池內(nèi)的氣流穩(wěn)定，在最小輸出狀態(tài)下保持一定時間后，由控制器30記錄壓力計31和32觀測的燃料氣體入口14a側的流路14和空氣入口15a側的流路15的壓力。
然后，打開通向逆變器25的電路后，停止氫氣供給裝置11和空氣供給裝置12。
然后，關閉設置在燃料氣體入口14a側的流路和出口14b側的流路中的電磁閥61和62，封住燃料電池10的陽極側。
然后，啟動與空氣的入口15a側的流路連接的升壓泵52，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門22。然后，階段性地增大升壓泵52的輸出，直至達到空氣流路中的空氣能夠被城市煤氣充分置換的，設定的目標流量。然后，以該狀態(tài)運行升壓泵52一定的規(guī)定時間后，停止升壓泵52，關閉與空氣的入口15a側的流路連接的閥門22。以上是燃料電池停止時的步驟。
再啟動時的清洗的步驟如下。
當外部電路發(fā)生電力需要，對燃料電池系統(tǒng)發(fā)出啟動信號時，首先啟動升壓泵52，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門22。然后，增大升壓泵52的輸出從而階段性地增大城市煤氣的流量，直至達到在停止時進入空氣流路中的空氣能夠被城市煤氣充分置換的，設定的目標流量。以該狀態(tài)運行升壓泵52一定的規(guī)定時間后，停止升壓泵52，關閉與空氣的入口15a側的流路連接的的閥門22。
然后，打開閥門61和62，啟動氫氣供給裝置11和空氣供給裝置12，在這些燃料氣體和空氣充分進入到燃料電池10內(nèi)的時間內(nèi)，保持該狀態(tài)，然后，關閉通向逆變器25的電路，開始發(fā)電。以上是燃料電池啟動的步驟。
如果采用實施方式4的燃料電池系統(tǒng)的構成和清洗方法，則與實施方式1同樣地，可以提供在伴隨著啟動和停止的長期運行中可靠性高的燃料電池系統(tǒng)。
實施方式5圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式5的燃料電池系統(tǒng)的構成圖。
在實施方式5中，燃料電池系統(tǒng)在實施方式1說明的現(xiàn)有技術的系統(tǒng)中，作為惰性氣體氣瓶20的替代，通過升壓泵51將從系統(tǒng)外部導入的城市煤氣作為惰性氣體向燃料氣體流路供給。進一步，還包括用于測定燃料氣體的入口14a側的流路14和空氣入口15a側的流路15的壓力的壓力計31和32，用于存儲這些壓力計測定的壓力并根據(jù)其值控制升壓泵51的輸出的控制器30。此外，在空氣的入口15a側的流路15中設置有電磁閥63，在空氣的出口15b側的流路中設置有電磁閥64。關于運行中的燃料氣體的流路和空氣的流路的壓力，燃料電池10通常被設計成，空氣的入口15a側的流路的壓力較大。
在實施方式5中，停止時的清洗步驟如下。
當外部電路的電力需求消失，對燃料電池系統(tǒng)發(fā)出停止信號時，首先，燃料電池系統(tǒng)的輸出降低到最小輸出。接著，為了使燃料電池內(nèi)的氣流穩(wěn)定，在最小輸出狀態(tài)下保持一定時間后，由控制器30記錄壓力計31和32觀測的燃料氣體入口14a側的流路和空氣入口15a側的流路的壓力。
然后，打開通向逆變器25的電路后，停止氫氣供給裝置11和空氣供給裝置12。
然后，關閉設置在空氣入口15a側的流路和出口15b側的流路中的電磁閥63和64，封住燃料電池10的陰極側。
然后，啟動在燃料氣體的入口14a側的流路連接的升壓泵51，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門21。然后，階段性地增大升壓泵51的輸出，直至達到燃料氣體流路中的氫氣能夠被城市煤氣充分置換的，設定的目標流量。然后，以該狀態(tài)運行升壓泵51一定的規(guī)定時間后，停止升壓泵51，關閉與燃料氣體的入口14a側的流路連接的閥門21。以上是停止燃料電池的步驟。
再啟動時的清洗的步驟如下。
當外部電路發(fā)生電力需要，對燃料電池系統(tǒng)發(fā)出啟動信號時，首先，啟動升壓泵51，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門21。然后，增大升壓泵51的輸出，階段性地增大城市煤氣的流量，直至達到燃料氣體流路中的氫氣能夠被城市煤氣充分置換的，設定的目標流量。以該狀態(tài)運行升壓泵51一定的規(guī)定時間后，停止升壓泵51，關閉與燃料氣體的入口14a側的流路連接的閥門21。
然后，打開閥門63和64，啟動氫氣供給裝置11和空氣供給裝置12，在這些燃料氣體和空氣充分進入到燃料電池10內(nèi)的時間內(nèi)，保持該狀態(tài)，然后，關閉通向逆變器25的電路，開始發(fā)電。以上是燃料電池啟動的步驟。
如果采用實施方式5的燃料電池系統(tǒng)的構成和清洗方法，則與實施方式1同樣地，可以提供在伴隨著啟動和停止的長期運行中可靠性高的燃料電池系統(tǒng)。
實施方式6圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式6的燃料電池系統(tǒng)的構成圖。
在實施方式6中，燃料電池系統(tǒng)在實施方式1說明的現(xiàn)有技術的系統(tǒng)中，作為惰性氣體氣瓶20的替代，通過升壓泵51和52將從系統(tǒng)外部導入的城市煤氣作為惰性氣體供給給燃料電池。進一步，還包括用于測定燃料氣體的入口14a側的流路14和空氣入口15a側的流路15的壓力的壓力計31和32，以及，在燃料氣體的出口14b側的流路和空氣的出口15b側的流路中的，可以改變氣體流路的內(nèi)徑的壓力調節(jié)閥71和72。并且，還包括存儲這些壓力計31和32測定的壓力并根據(jù)其值控制壓力調節(jié)閥71和72的輸出的控制器70。
雖然在實施方式6中采用的壓力調節(jié)閥71和72是改變氣體流路的內(nèi)徑的方式，但其它還有加長流路的長度，以及通過彎曲改變流路的阻力的方式等等，不受限于實施方式6采用的的方式。
在實施方式6中，停止時的清洗步驟如下。
當外部電路的電力需求消失，對燃料電池系統(tǒng)發(fā)出停止信號時，首先，燃料電池系統(tǒng)的輸出降低到最小輸出。接著，為了使燃料電池內(nèi)的氣流穩(wěn)定，在最小輸出狀態(tài)下保持一定時間后，由控制器70記錄壓力計31和32觀測的燃料氣體入口14a側的流路和空氣入口15a側的流路的壓力。
然后，打開通向逆變器25的電路后，停止氫氣供給裝置11和空氣供給裝置12。
然后，如下控制連接于出口側流路的壓力調節(jié)閥71和72。即，比較控制器70記錄的入口側流路的壓力的大小，使壓力較大的一方(例如燃料氣體流路側的壓力調節(jié)閥71)成為10％開口率，另一方完全打開。然后，與前述相同，啟動與燃料氣體的流路連接的升壓泵51，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門21。
然后，啟動連接于另一方的入口的升壓泵52，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門22，階段性地擰壓力調節(jié)閥72，使入口側流路的壓力損失上升。然后，當清洗時的壓差的絕對值|ΔPp|變得小于運行時的壓差的絕對值|ΔPo|時，停止增大城市煤氣的流量，保持此時的流量。
以該狀態(tài)向燃料電池內(nèi)供給城市煤氣以規(guī)定時間之后，與供給城市煤氣時相反，關閉連接于被記錄的壓力較小的入口(例如15a)側的流路的城市煤氣流路的閥門22，然后關閉連接于另一方的入口(例如14a)側的流路的城市煤氣流路的閥門21。以上是停止燃料電池的步驟。
再啟動時的清洗的步驟如下。
當外部電路發(fā)生電力需要，對燃料電池系統(tǒng)發(fā)出啟動信號時，首先，以如下方式控制連接于出口側流路的壓力調節(jié)閥71和72。即，比較控制器70記錄的入口側流路的壓力的大小，使壓力較大的一方(例如燃料氣體流路側的壓力調節(jié)閥71)成為10％開口率，另一方完全打開。然后，與前述相同，啟動連接于壓力較大的一方的流路側的升壓泵51，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門21。
然后，啟動連接于另一方的入口側流路的升壓泵52，同時打開通向燃料電池10的氣體流路的閥門22，階段性地擰壓力調節(jié)閥72，使空氣的入口流路的壓力損失上升。然后，當清洗時的壓差的絕對值|ΔPp|變得小于運行時的壓差的絕對值|ΔPo|時，停止城市煤氣流量的增大，保持此時的流量。
以該狀態(tài)向燃料電池內(nèi)供給城市煤氣規(guī)定時間后，與供給城市煤氣時相反，關閉連接于被記錄的壓力較小的一方的入口(例如15a)的城市煤氣流路的閥門22，然后關閉連接于另一方的入口(例如14a)的城市煤氣流路的閥門21。
然后，啟動氫氣供給裝置11和空氣供給裝置12，在這些燃料氣體和空氣充分進入到燃料電池10內(nèi)的時間內(nèi)，保持該狀態(tài)，然后，關閉通向逆變器25的電路，開始發(fā)電。以上是燃料電池啟動的步驟。
上述啟動和停止的步驟中，更優(yōu)選后供給城市煤氣的入口的壓力上升至與先供給城市煤氣的入口的壓力相同的壓力。
如果采用實施方式6的燃料電池系統(tǒng)的構成和清洗方法，則在運行時和清洗時，燃料電池10中的固體電解質膜總是受到來自同一方向的由壓差引起的力，因而不會促進由振動引起的強度的惡化。因此，可以提供在伴隨著啟動和停止的長期運行中可靠性高的燃料電池系統(tǒng)。
雖然在上述的各實施方式中使用的是具有氫氣供給裝置11的系統(tǒng)，但也可以從系統(tǒng)外直接供給氫氣，與空氣同樣地由加濕器加濕后向燃料電池中供給。
實施例根據(jù)圖2～圖7所示的本發(fā)明的實施方式1～6，作為實施例1～6實際制作了燃料電池系統(tǒng)，并確認了發(fā)明的效果。此外，作為比較例，制作了具有圖1所示構成的燃料電池系統(tǒng)。
在實施例和比較例中，作為氫氣供給裝置11使用了氫氣氣瓶。此外，作為空氣供給裝置12、清洗空氣用鼓風機和升壓泵51和52，使用了鼓風機((株)日立制造所制造VB-004-DN)。
關于燃料電池堆，電極面積為8cm×10cm，隔板的外形尺寸為10cm×20cm，在隔板上設置的氣體流路是空氣流路的流路阻力較小的設計。將層疊100個這樣的單電池的物體作為燃料電池堆使用。
在實施例1和2中，作為惰性氣體使用氮氣；在實施例4～6中，作為惰性氣體使用城市煤氣。為了確認實施例的效果，在實施例和比較例中使用的燃料電池堆按照以下的步驟進行了啟動和停止的循環(huán)實驗。在該步驟中，發(fā)電時以0.5A/cm2的電流密度發(fā)電，使用外部負荷實施控制。此外，在該步驟中，為了考慮溫度變化對于燃料電池堆的耐久性的影響，測定了運行停止后燃料電池堆的溫度降低至室溫附近所需要的時間，其結果為3.2±0.4小時。于是，將停止時間設為4.0小時。
步驟發(fā)電(2.0小時)→停止清洗(1.0小時)→再啟動清洗(1.0小時)→停止(4.0小時)→發(fā)電(2.0小時)→…(重復)。
用前述步驟重復運行實施實施例1～6和比較例，研究了運行時電壓平均值的變化。圖8中表示其結果。在圖8中，比較例的電壓在經(jīng)過1800個循環(huán)以后急劇下降，而與此相對，在實施例1～6中即使經(jīng)過3000個循環(huán)也沒有發(fā)現(xiàn)電壓有大的變化。試驗之后，將燃料電池堆中的電池電壓降低的單電池拆開，并對此進行了研究，其結果發(fā)現(xiàn)電解質膜的與隔板上設置的氣體流路相接觸的邊緣部分發(fā)生了破裂。由此確認了本發(fā)明的效果。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)可用于家庭用熱電聯(lián)合系統(tǒng)(cogeneration system)。此外，也可以用作汽車、公共汽車、小型摩托等車輛用發(fā)動機的能源。
權利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，具備燃料電池；向所述燃料電池的陽極供給燃料氣體的燃料氣體供給裝置；向所述燃料電池的陰極供給氧化劑氣體的氧化劑氣體供給裝置；向所述燃料電池的陽極和/或陰極供給惰性氣體的惰性氣體供給裝置；測定所述燃料電池的陽極的入口側流路的壓力Pa和陰極的入口側流路的壓力Pc的裝置，并且被構成為，在所述燃料電池啟動或停止時，通過所述惰性氣體供給裝置進行將所述燃料電池內(nèi)的燃料氣體和/或氧化劑氣體置換成惰性氣體的清洗操作，其特征在于，當將壓差定義為ΔP＝Pa-Pc時，在運行狀態(tài)時的壓差ΔPo與清洗時的壓差ΔPp滿足0＜ΔPo×ΔPp的關系。
2.如權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，ΔPo與ΔPp為|ΔPp|≤|ΔPo|的關系。
3.如權利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備根據(jù)所述燃料電池的清洗時的Pa和Pc的值增加或減少向所述燃料電池供給的惰性氣體的供給量的控制裝置。
4.如權利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備改變從所述燃料電池排出氣體的出口側流路的內(nèi)徑的裝置，和根據(jù)所述燃料電池的清洗時的Pa和Pc的值改變所述內(nèi)徑的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，其在燃料電池的運行停止時進行向陽極和/或陰極供給惰性氣體的清洗操作，當將陽極的入口側流路的壓力Pa與陰極的入口側流路的壓力Pc的壓差定義為ΔP＝Pa－Pc時，控制清洗時的壓差，以使運行狀態(tài)時的壓差ΔPo與清洗時的壓差ΔPp滿足0＜ΔPo×ΔPp的關系。由此，可以減小對固體電解質膜的壓力，提高燃料電池的長期可靠性。
文檔編號H01M8/10GK1839506SQ20058000076
公開日2006年9月27日 申請日期2005年1月19日 優(yōu)先權日2004年1月21日
發(fā)明者柴田礎一, 浦田隆行, 菅原靖, 梅田孝裕, 森田純司, 羽藤一仁, 北野幸信 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社