固体高分子型燃料电池系统及其运行方法技术方案

本发明专利技术的固体高分子型燃料电池系统具备：得到燃料气体和氧化剂气体的供应，在规定的发电部位以规定的温度工作、发电的燃料电池、以及对上述供应的燃料气体和氧化剂气体进行加湿的加湿手段，所述燃料气体和氧化剂气体通过所述加湿手段加湿，以使其具有高于所述规定温度的露点，然后被提供给所述燃料电池。

【技术实现步骤摘要】
固体高分子型燃料电池系统及其运行方法
本专利技术涉及燃料电池系统及其运行方法，特别是涉及固体高分子型燃料电池系统及其运行方法。
技术介绍
近年来，二氧化碳气体浓度的升高引起地球温室化和废气排出量的增加引起的酸雨等的影响，导致人们对地球规模的环境问题越来越关心。因此在电源开发研究领域，高效率、而且不排放二氧化碳的能够实现绿色能量变换的燃料电池系统受到人们的关注。于是，即使是种类繁多的燃料电池系统中，工作温度低，而且输出密度高的固体高分子型燃料电池系统也很受注意，因此被期待能够作为民用电源和汽车动力用的电源。固体高分子型燃料电池系统是，进行发电用的化学反应的场所采用电解质膜-电极接合体(以下简称为“MEA”)燃料电池系统的一种。装置固体高分子型燃料电池系统，通常在结构上具有：规定数目的各固体高分子型燃料电池(以下简称为“单电池(cell)”)叠层形成的固体高分子型燃料电池叠层体(以下简称为“叠层电池”)与使该叠层电池工作用的下述规定的附属装置。以下依序说明单电池、叠层电池、以及固体高分子型燃料电池系统的结构。构成叠层电池用的单电池中，设置作为进行发电用的催化剂反应的反应场所使用的MEA。该MEA是使有选择地输送氢离子的固体高分子电解质膜的两个面上形成以承载铂族金属催化剂的碳粉为主成分的一对催化剂层(阳极催化剂层和阴极催化剂层)，而且做成夹着该一对催化剂层配设同时具有通气性能和导电性的主要由碳素纤维构成的气体扩散电极(阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极)构成的。而且，还夹着上述MEA周围的固体高分子电解质膜配设密封用的垫圈，形成MEA-垫圈组装件，该MEA-垫圈组装件被设置有流通燃料气体(氢气、或富氢的改性气体)的燃料气体通道的阳极隔离层和-->设置有流通氧化剂气体(空气)的氧化剂气体通道的阴极隔离层夹着形成单电池。如上所述，叠层电池是规定数目的单电池叠层形成的电池叠层体。在固体高分子燃料电池系统中，形成叠层电池组的理由是，单电池的电动势虽然也取决于输出电流密度，但是在常用区域约为0.6～0.8V左右，是低电压。也就是说，通过将单电池叠层形成叠层电池，能够得到使电子设备等工作所需要的足够大的电压。通常叠层电池是数十到数百各单电池叠层形成的叠层体。但是，这种叠层电池由于单电池在发电时发热，会以相应于单电池的叠层数的热量发热。而且，该叠层电池的发热密度比单电池大，因此通常每1～3个单电池设置冷却水通道，用水或乙二醇等冷却剂对叠层电池进行强制冷却。也就是说，用冷却剂将发热的叠层电池的温度维持于合适的温度状态。从而，对该叠层电池有燃料气体、氧化剂气体、以及水(或乙二醇等)三种流体进出。因此形成在阴极隔离层和阳极隔离层中设置有对于这三种流体各一对(根据情况有时候设置多对集流孔(manifold)(共用贯通孔)。各流体从该集流孔引入设置于各隔离层的槽中，分支到各单电池及水冷部的结构。例如燃料气体，从燃料气体供给集流孔被导入阳极隔离层的燃料气体通道，在流过该通道的内部的过程中，消耗于MEA中的发电用的催化剂反应中。还有，发电中未使用的剩余的燃料气体经过燃料气体排出集流孔排放废弃。而且，这些单电池与冷却部交互叠层，隔着集电板和绝缘板，用端板夹着该叠层体，其后，用紧固螺杆从两端加以固定，以此构成通常的叠层电池。另一方面，所谓固体高分子型燃料电池系统，意味着使上述叠层电池运行取得规定的电力用的整个发电装置。具体地说，在固体高分子燃料电池系统中，直接驱动叠层电池的结构要素是，利用水蒸汽改性法将LPG、LNG、汽油能够得到的燃料前驱体转化为燃料气体的改性器、将该改性得到的燃料气体提供给叠层电池用的燃料气体供给装置、将作为氧化剂气体使用的空气加湿的氧化剂气体加湿装置、将加湿的氧化剂气体提供给叠层电池的氧化剂气体供给装置、将循环冷却水提供给电池组的冷却水供给装置、以及承载电力的电气负载装置等。还有，燃料气体的加湿通常是在改性器中用水蒸汽改性法对燃料气体添加水进行。另一方面，氧化剂气体的加湿通常是利用从叠层电池排出的氧化剂气体(以下称为阴极废气)中包含的生成水，在与空气供给装置输送的氧化剂气体之间进行总热交换，以此得到所希望的加湿量。这-->种总热交换，通过具有水容易透过，但是，不容易使气体透过的性质的总热交换膜进行。这种总热交换膜适于使用单电池用的固体高分子电解质膜(例如全氟磺酸膜)。然后，上述各结构要素和叠层电池通过适当地连接构筑固体高分子型燃料电池系统。在这里对固体高分子型燃料电池系统中的单电池的发电原理进行大概说明。如上所述构成的单电池中，将燃料气体提供给阳极隔离层的燃料气体通道，另一方面，将氧化剂气体提供给阴极隔离层的氧化剂气体通道，使燃料气体曝露于上述MEA的阳极催化剂层一侧的主面，又使氧化剂气体曝露于阴极催化剂层一侧的主面。这时，所提供的燃料气体通过阳极隔离层的燃料气体通道，再通过阳极气体扩散电极，与形成于MEA上的阳极催化剂层接触，利用该阳极催化剂层上的催化反应，电离为氢离子和电子。该电离的电子通过阳极气体扩散电极被回收于阳极隔离层后，被提供给固体高分子型燃料电池系统上连接的电子设备等。另一方面，电离的氢离子通过固体高分子电解质膜的内部移动到阴极催化剂层。然后，移动到阴极催化剂层的氢离子，在该阴极催化剂层上，被使用于用通过阴极气体扩散电极到达阴极催化剂层的氧化剂气体和经过固体高分子型燃料电池系统上连接的上述电子设备等移动到阴极隔离层，再通过阴极气体扩散电极到达阴极催化剂层的电子的，生成水的催化反应。而且因上述一连串的催化反应，来自燃料气体的电子连续发生，借助于此，发现单电池作为电池所规定的功能。而且发现固体高分子电解质膜在充分湿润的状态下有稳定的氢离子输送功能。因此，在使固体高分子型燃料电池系统工作时，必须提供使固体高分子电解质膜保持湿润状态用的水。通常，这种水是通过对向单电池提供的燃料气体和氧化剂气体进行加湿，同时提供给燃料气体和氧化剂气体。又，为了，使上述催化反应顺利进行，叠层电池至少要加热到60℃以上的温度，最好是加热到60℃～80℃的温度。因此，在固体高分子型燃料电池系统中，将叠层电池一边加热到60℃～80℃，一边使其运行发电。但是，为了使上述单电池正常工作，有必要使如上所述的固体高分子电解质膜保持充分潮湿的状态，另一方面，有必要防止在MEA生成的水引起的阳极催化剂层和阴极催化剂层的溢流现象(阳极催化剂层及阴极催化剂层被水堵塞的现象)。其理由是一旦发生溢流现象，例如燃料气体电离为氢离子和-->电子的催化反应和电离产生的氢离子向固体高分子电解质膜的内部的阴极侧的移动难以进行，因此单电池的发电量显著降低。在这里，为了防止该溢流现象的发生，提出了通过使燃料气体及氧化剂气体的吸入部与排出部之间形成压力损失(压降)，以此，使燃料气体及氧化剂气体的露点经常保持在叠层电池的工作温度以下，以此将过剩的水向单电池的外部排出的方法(例如，日本专利申请；特愿平04-502749号公报)。在这里，对该提案进行具体说明。由于气体的水吸收能力随着压力的降低而提高，因此，设定为随着燃料气体及氧化剂气体向排出部靠近这些气体的压力逐步降低，借助于此，可以将随着催化反应而在单电池内逐步产生的水有效地排出到单电池外部。也就是说，通过将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体高分子型燃料电池系统，具备供应燃料气体和氧化剂气体给规定的发电部位以规定的温度工作、发电的燃料电池、以及对所述供应的燃料气体和氧化剂气体进行加湿的加湿手段，其特征在于，　　　　所述燃料气体和氧化剂气体通过所述加湿手段加湿，以使其具有高于所述规定温度的露点，然后被提供给所述燃料电池。

【技术特征摘要】
JP 2003-8-25 JP299863/20031.一种固体高分子型燃料电池系统，具备供应燃料气体和氧化剂气体给规定的发电部位以规定的温度工作、发电的燃料电池、以及对所述供应的燃料气体和氧化剂气体进行加湿的加湿手段，其特征在于，所述燃料气体和氧化剂气体通过所述加湿手段加湿，以使其具有高于所述规定温度的露点，然后被提供给所述燃料电池。2.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述规定的发电部位，是所述燃料电池中的，所述提供的所述燃料气体和氧化剂气体最初被消耗于所述发电用的电化学反应中的部位。3.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述露点的范围是作为所述燃料电池中不诱发溢流现象的上限的露点与作为所述规定的温度的下限的露点决定的范围。4.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述露点的范围是在50℃以上，而且是在70℃以下。5.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述加湿手段利用从所述燃料电池排出的排出物对所述燃料气体和氧化剂气体加湿，以使其具有高于所述规定温度的露点。6.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述加湿手段利用从所述燃料电池排出的排出物与水的混合物对所述燃料气体和氧化剂气体加湿，以使其具有高于所述规定温度的露点。7.如权利要求5或6所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述排出物是从所述燃料电池排出的燃料气体和氧化剂气体中的至少任一种气体。8.如权利要求6所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，还具备从所述燃料电池排出的燃料气体和氧化剂气体中回收水的水回收器，用所述水回收器回收的水作为所述混合物的水使用。9.如权利要求5或6所述的固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，所述加湿手段具备总热交换器和能够加热该总热交换器的加热装置，所述排出物或所述混合物与所述燃料气体和氧化剂气体被提供给所述总-->热交换器，进行相互之间的总热交换，并且由所述加热装置对所述总热交换器进行加热，并对所述燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：小林晋，松本敏宏，富泽猛，粉川胜藏，神原辉寿，
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]