燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法技术方案

本发明专利技术涉及燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法。所述燃料电池系统包括：要被供给燃料的阳极电极；要被供给包含空气或氧气的氧化剂的阴极电极；设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；被配置为加速从阴极电极释放的材料和从阳极电极释放的材料中的至少一部分的化学反应的催化剂部分；被配置为向阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给单元；和被配置为控制要被供给到阴极电极的氧化剂的量的控制单元。控制单元控制氧化剂供给单元，以在氧化剂供给单元开始操作时增加要供给到阴极电极的氧化剂的量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池系统及其操作方法。本专利技术特别涉及具有用于加速从燃料电池系统释放的材料中的至少一部分的化学反应的催化剂部分的燃料电池系统，以及其控制方法。
技术介绍
近年来，诸如直接甲醇燃料电池的液体燃料电池已成为人们关注的焦点。直接甲醇燃料电池的电动部分单元包含阳极、阴极和设置在阳极和阴极之间的质子导电电解质膜(例如，全氟代磺酸离子交换膜(perfluoro sulfonic acid ion exchange membrane)；使用由DuPont公司制造的NafionTM等)。为了激活燃料电池，将甲醇和水供给阳极，并且将例如氧气或空气的氧化剂供给阴极，由此分别在阳极和阴极上引起化学反应。作为化学反应的结果，产生电子、质子和二氧化碳，并且，由此产生的二氧化碳被释放到大气中。电子通过外部电路被取走，并被用作电力。质子通过质子导电电解质膜移动，并到达阴极。在阴极催化剂层中，质子与已被用作电力的电子以及氧反应，以由此产生水。因此，获得发电。在发生在阳极中的甲醇的这种电极反应中，作为不受反应影响的副产品从电极释放被认为是实现完全氧化之前的过程中的活性中间体的甲醛和甲酸等。另外，已被供给到阳极的燃料中的甲醇可通过扩散等穿过质子导电电解质膜和催化剂层移动到阴极，并被已供给到阴极的氧化剂氧化，由此在该过程中也产生诸如甲醛、甲酸等的副产品。为此，公开了在从燃料电池系统释放二氧化碳、水和副产品的路径上使用用于使副产品无害化的催化剂的燃料电池系统(参见例如JP-A-2005-183014，图19)。但是，当燃料电池系统停止时，氧化剂向阴极的供给也停止。因此，阴极中的残留副产品中的大部分以未反应的状态保留在阴极的附近，直到燃料电池系统被重新启动。并且，由于氧化剂向阴极的供给停止，因此，在燃料电池系统的停止状态中，已通过质子导电电解质膜向阴极扩散的甲醇中的大部分以未反应的状态保留在阴极的附近，直到燃料电池系统被重新启动。因此，一旦重新启动燃料电池系统，浓度相当高的副产品和甲醇要被供给催化剂。因此，必须提供与在燃料电池系统的连续发电状态中需要的催化剂的量相比过量的催化剂，从而使得难以实现燃料电池系统的小型化和低成本。本专利技术提供通过减少在燃料电池系统的重启时所需的催化剂的量可被小型化的燃料电池系统、以及燃料电池系统的控制方法。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，一种燃料电池系统包括要被供给燃料的阳极电极；要被供给包含空气或氧气的氧化剂的阴极电极；设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；被配置为加速从阴极电极释放的材料和从阳极电极释放的材料中的至少一部分的化学反应的催化剂部分；被配置为向阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给单元；和被配置为控制要被供给到阴极电极的氧化剂的量的控制单元。控制单元控制氧化剂供给单元，以在氧化剂供给单元开始操作时增加要供给到阴极电极的氧化剂的量。根据本专利技术的另一方面，一种用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统包括要被供给燃料的阳极电极；要被供给包含空气或氧气的氧化剂的阴极电极；设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；被配置为加速从阴极电极释放的材料和从阳极电极释放的材料中的至少一部分的化学反应的催化剂部分；和被配置为向阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给单元，该方法包括以下步骤开始氧化剂供给单元的操作；和控制氧化剂供给单元以使得Q0小于Qt，其中，Q0是启动氧化剂供给单元时的要供给到阴极电极的氧化剂的量，并且Qt是从启动氧化剂供给单元经过预定时间后的要供给到阴极电极的氧化剂的量。根据本专利技术的又一方面，一种用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统包括要被供给燃料的阳极电极；要被供给包含空气或氧气的氧化剂的阴极电极；设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；被配置为加速从阴极电极释放的材料和从阳极电极释放的材料中的至少一部分的化学反应的催化剂部分；被配置为向阳极电极供给燃料的燃料供给单元；和被配置为向阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给单元，该方法包括以下步骤在启动燃料电池系统时启动氧化剂供给单元的操作；在从启动氧化剂供给单元的操作经过预定时间后增加由氧化剂供给单元向阴极电极供给的氧化剂的量；在增加被供给的氧化剂的量后启动燃料供给单元的操作；和在开始燃料供给单元的操作后，向负载供给由阳极电极、阴极电极和电解质膜产生的电力。本专利技术提供减少重启燃料电池系统时需要的催化剂的量由此减少系统的尺寸的燃料电池系统。附图说明图1是表示根据本专利技术的实施方式的燃料电池系统的示图；图2是表示根据实施方式的燃料电池系统的电动部分的细节的示图；图3是表示根据实施方式的燃料电池系统的催化剂部分的细节的示图； 图4是表示根据实施方式的燃料电池系统的控制的示图；图5是表示根据实施例的甲醇浓度的示图；图6是表示根据实施例的甲醇浓度的示图；图7是表示根据实施例的温度的转变的示图；图8是表示根据实施例的温度的转变的另一示图。具体实施例方式将参照附图说明本专利技术的实施方式。(实施方式)图1表示根据本专利技术的实施方式的燃料电池系统。图中的实线的箭头表示将在下面说明的燃料2和释放的材料等的流向；点划线的箭头表示关于诸如输出信号和控制信号的数据的流向。燃料电池系统包括电动部分1。作为电动部分1，例如，可以使用通过层叠多个图2中所示的电动部分单元电池21形成的构件。电动部分单元电池21(以下称为“电池”)中的每一个包含阳极22、阴极23和质子导电电解质膜24(电解质膜)。质子导电电解质膜24被设置在阳极22和阴极23之间。作为质子导电电解质膜24，例如，可以使用诸如由DuPont公司制造的NafionTM的全氟代磺酸离子交换膜。阳极22包含衬底25和层叠在衬底25上的阳极催化剂层26。同时，阴极23包含衬底27和层叠在衬底27上的阴极催化剂层28。阳极催化剂层26和阴极催化剂层28中的每一个包含催化剂和质子导电电解质树脂。催化剂一般为贵金属或其合金，并通过被诸如炭黑的支持物支持或不被支持被使用。阳极22的示例性催化剂包含Pt-Ru合金。阴极23的示例性催化剂包含Pt。阴极流路板(未示出)在阴极23的表面上被设置在电池21上。同时，阳极流路板(未示出)在阳极22的表面上被设置在电池21上。并且，电动部分1具有用于加热电池21的加热器(未示出)。包含氧气的气体(氧化剂)-例如空气-被供给到阴极流路板；燃料2-例如甲醇水溶液-被供给到阳极流路板，由此电池21产生电力。混合槽3被设置在燃料电池系统中。要被供给到电动部分1的燃料2被贮存在混合槽3中。混合槽3和电动部分1通过循环流路4连接。设置循环流路4是为了将燃料2供给到电动部分1，并将已在电动部分1中经过发电的燃料2返回给混合槽。燃料2通过燃料循环泵5(燃料供给装置)被供给到电动部分1并返回给混合槽3。混合槽3包含燃料浓度检测装置6和气体-液体分离装置7。作为燃料浓度检测装置6，可以使用例如通过测量燃料2的介电常数或折射率来测量甲醇浓度的浓度传感器。作为气体-液体分离装置7，可以使用例如甲醇水溶液不能渗透但作为在电动部分1中发电的结果从阳极22排放的材料的气体成分能够渗透的气体-液体分离膜。作为气体-液体分离膜，可以使用诸如聚四氟乙烯膜的疏水性膜。除了在发电的过程中产生的二氧化碳，在释放的材料中包含的甲醛、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：要被供给燃料的阳极电极；要被供给包含空气或氧气的氧化剂的阴极电极；设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；被配置为加速从阴极电极释放的材料和从阳极电极释放的材料中的至少一部分的化学反应 的催化剂部分；被配置为向阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给单元；和被配置为控制要被供给到阴极电极的氧化剂的量的控制单元，其中，控制单元控制氧化剂供给单元，以在氧化剂供给单元开始操作时增加氧化剂的量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：秋田征人，铃木贵博，平山智彦，长崎央雅，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：JP[日本]