燃料电池发电系统及其停止方法技术方案

提供一种燃料电池发电系统及其停止方法，在阴极和阳极这两电极的四周形成氢气气氛以使燃料电池的发电停止的同时，防止发电停止时改性器异常温度的上升。在继续向阳极供给含氢气体且停止向阴极供给含氧化剂气体后，直至燃料电池叠层（１）的输出电压达到具有将燃料电池叠层（１）的输出电流保持在固定值的恒定电流运转功能的电力转换器（１１）的可工作下限电压值，使燃料电池叠层（１）的输出经由电力转换器（１１）在外部负载（１２）上被持续消耗。当燃料电池（１）的输出电压低于可工作下限电压值时，将燃料电池叠层（１）的输出连接到短路电阻器（１４）。此后，当燃料电池叠层（１）的输出电压达到大致为零的时刻，停止改性器（２）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用电化学反应进行发电的燃料电池发电系统。
技术介绍
众所周知，如果在阴极侧残留氧的状态下停止燃料电池发电系统，则构成阴极电极的催化剂层失活(失效)，导致电极劣化。具体地，例如作为催化剂的铂催化剂粒子由碳粒子支撑时，侵入的空气中的氧和碳粒子反应，碳粒子变为一氧化碳而消失，铂催化剂粒子与碳粒子脱离，铂催化剂粒子相互凝集，丧失与负电极的导通，发生所谓失去作为催化剂功能的现象。为防止这种劣化现象，已公知这样一种停止方法，在停止发电时由电阻使燃料电池的输出短路，停止对阴极供给空气，并完全消耗阴极中的氧(参照专利文献1)。在对燃料电池的输出进行电阻短路并且停止向阴极供给氧时，在阴极上，主要产生以下反应。(化学反应式1)(1)(2)(1)是开始关掉空气供给后，短暂地、在氧浓度比较高的状态下占优势的反应，(2)是从氧浓度降低后占优势的反应。通过(2)的反应就会在阴极产生氢，使催化剂附近的电位下降，防止催化剂氧化。因此，在此状态下停止和保管燃料电池是劣化的对策。<专利文献1>日本专利申请特开平11-26003号公报
技术实现思路
一方面，根据本专利技术人的实验，判断出，将燃料电池的输出进行电阻短路，将阳极/阴极两个电极处于氢气气氛下的状态之后，关闭阳极/阴极两个电极的出入口，停止和保管燃料电池时，不仅具有防止催化剂劣化，而且还具有能使劣化的催化剂再次活化的效果(未公知的技术)。考虑这是由于，在用使催化剂能力下降的氧化物等覆盖催化剂表面的情况下，通过氢还原此氧化物。因此，研究将这样的未公知的停止和保管方法适用于具备从原燃料生成向燃料电池供给的燃料的改性器的系统。为了将上述的在氢气气氛内保持阳极和阴极两个电极的停止和保管方法(未公知技术)适用在通过改性器对阳极供给燃料的系统中，消耗阴极侧的氧，降低氧浓度，直到在阴极产生氢为止，必须从改性器对阳极供给燃料。此情况下，如现有技术那样，在停止供给空气的同时将输出转换成电阻负载时，叠层(stack)电流与叠层电压成比例地减少，为了减少阳极的氢消耗量，增大阳极废气中的氢量。而且，在去除阴极侧残留的氧之前花费较长的时间，延长了空气供给停止后的改性器的运转时间。因此，由于长时间利用改性器的废气燃烧器燃烧作为燃料的废气中包含的过量的氢，就会产生所谓改性器的温度异常上升的问题。为了解决上述问题而提出了本专利技术，本专利技术的主要目的在于，提供一种在发电停止时，在防止改性器的异常温度上升的同时、通过将两极都置于氢气气氛内就可防止催化剂劣化并实现使已劣化的催化剂活化的燃料电池发电系统。根据本专利技术的一种燃料电池发电系统，其特征在于，包括具备阴极和阳极的燃料电池；将含氧化剂的气体供给上述阴极的含氧化剂气体供给通路；从原燃料产生含氢气体，并将上述含氢气体供给上述阳极的改性器；具有与外部负载连接的输出端，并具有将上述燃料电池的输出转换为符合用途的电力的功能和恒定电流运转功能的电力转换器；与上述电力转换器串联连接的第一开关；短路电阻器；与上述短路电阻器串联连接的第二开关；以及控制上述燃料电池的输出电流值的电流值控制部，上述电力转换器和上述第一开关的组连接在上述阴极和上述阳极之间；同样地，上述短路电阻器和上述第二开关的组连接在上述阴极和上述阳极之间；在停止上述燃料电池的发电时，在从上述改性器向上述阳极继续供给上述含氢气体且停止向阴极供给上述含氧化剂气体之后，直至上述燃料电池的输出电压低于固定的阈值的期间，上述电流值控制部向上述电力转换器输出电流指令值，同时，持续导通上述第一开关且持续关闭上述第二开关，使上述燃料电池的上述输出经由上述电力转换器在上述外部负载被消耗；而在上述燃料电池的上述输出电压已降低到小于上述阈值的阶段，上述电流值控制部将上述第一开关转换为截止状态，同时将上述第二开关转换为导通状态，此后，在上述燃料电池的上述输出电压达到大致为零的时刻，停止向上述阳极供给上述含氢气体。下面，基于附图并与其效果、优点一起详细描述本专利技术的各种具体形态。根据本专利技术，从停止供给含氧化剂气体后到将燃料电池本体的输出连接到短路电阻器为止的期间内，由于利用电力转换器的恒定电流运转功能将燃料电池输出电流持续保持为指令值，就能够促进残留在燃料电池本体内的氧和氢的反应，因此在此期间与现有例相比，可显著持续地减少残留在阴极侧的氧量，由于阳极侧的废气内的氢量在该期间内没有增加而保持为固定值，所以能够防止改性器的异常温度上升，同时能够将阳极和阴极两电极置于氢气气氛下，使燃料电池本体的发电停止。其结果，除了防止催化剂的劣化，还能够使劣化了的催化剂在保管中活化。而且，根据本专利技术，由于从停止供给含氧化剂气体后到将燃料电池本体的输出连接到短路电阻器为止的期间，相当于电压值及电流值比较大的时间间隔，在这样的期间内能够使燃料电池自身的电力经过电力转换器在外部负载上被消耗，所以与现有例相比，能够显著地减少短路电阻器的容量。附图说明图1示意地示出了本专利技术的专利技术点及其效果的概念图。图2系统地示出了本专利技术的实施方式1～5的各燃料电池发电系统结构的方框图。图3示出了本专利技术的实施方式1～4的各燃料电池发电系统的停止程序的流程图。图4是示意地示出了与本专利技术的实施方式1～4相关的状态变化的概念图。图5是表示本专利技术的实施方式5的燃料电池发电系统的停止程序的流程图。(附图标记说明)1 燃料电池叠层、2 改性器、3 助燃燃烧器、4 废气燃烧器、5 氧化剂供给源、10 开关、11 电力转换器、12 外部负载、13 开关、14 短路电阻器、20 控制装置、30 电压检测装置、31 电压检测装置、41，42，43，44 开关阀。具体实施例方式(本专利技术的专利技术点)在本专利技术的燃料电池发电系统的停止方法中，发电停止工作开始时，仍旧继续向阳极供给燃料，当停止向阴极供给空气后，一边利用具有恒定电流功能的电力转换器控制该电流值，以使伴随着输出电压的下降，燃料电池自身电流值不会下降，即电流值为规定的范围内(优选为固定值)，一边消耗残留在阴极的氧，并且在阴极产生氢后，将燃料电池自身的输出的连接目的地从电力转换器转换到电阻负载上。根据图1更详细地记载了这一点。图1概念地示出了发电停止前后的废气氢量、燃料电池叠层(燃料电池自身)的电压V、燃料电池叠层的电流I、及阴极侧的氧量状态的变化图。图1中，关于物质量和状态等，用粗线表示本专利技术，用虚线表示现有例。如图1的粗线所示，停止向燃料电池叠层的阴极供给含氧化剂气体后(若为现有例，由于在此时刻立即电阻短路燃料电池叠层的输出，所以燃料电池叠层的电流值I与电压值V成比例地减少)，控制电流值I，以使其随着电压值的下降而下降，即为指定的范围(优选为固定值)的状态。并且，消耗残留在阴极的氧，在阴极产生氢，在阳极和阴极两极都处于氢气气氛下的时刻，停止电流值I等于指定值的控制，将燃料电池的输出的连接目的地转换为短路电阻器，此后，在电压V几乎为零的时刻，停止改性器，使燃料电池发电系统成为中止状态。但是，对于停止改性器的时刻而言，虽然从字面上说可以以电压V为零起，但由于即使停止改性器，在阳极也残留有充分的氢，在阴极产生氢，所以在阳极/阴极双方的氢分压变为相等而使电压V成为零时，也可在电压V为零前停止改性器。例如，可以换算为一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池发电系统，其特征在于，包括：具备阴极和阳极的燃料电池；将含氧化剂的气体供给上述阴极的含氧化剂气体供给通路；从原燃料产生含氢气体，并将上述含氢气体供给上述阳极的改性器；具有与外部负载连接的输出端，并 具有将上述燃料电池的输出转换为符合用途的电力的功能和恒定电流运转功能的电力转换器；与上述电力转换器串联连接的第一开关；短路电阻器；与上述短路电阻器串联连接的第二开关；以及控制上述燃料电池的输出电流值的电流值控 制部，上述电力转换器和上述第一开关的组连接在上述阴极和上述阳极之间；同样地，上述短路电阻器和上述第二开关的组连接在上述阴极和上述阳极之间；在停止上述燃料电池的发电时，在从上述改性器向上述阳极继续供给上述含氢气 体且停止向阴极供给上述含氧化剂气体之后，直至上述燃料电池的输出电压低于固定的阈值的期间，上述电流值控制部向上述电力转换器输出电流指令值，同时，持续导通上述第一开关且持续关闭上述第二开关，使上述燃料电池的上述输出经由上述电力转换器在上述外部负载上被消耗；而在上述燃料电池的上述输出电压已降低到小于上述阈值的阶段，上述电流值控制部将上述第一开关转换为截止状态，同时将上述第二开关转换为导通状态，此后，在上述燃料电池的上述输出电压达到大致为零的时刻，停止向上述阳极供给上述含氢气 体。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：松崎健男，高桥贡，川尻和彦，尾台佳明，土野和典，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]