燃料电池系统技术方案

燃料电池（100）具备电解质膜（120）、在电解质膜（120）一个面设置的包括阳极催化剂层的阳极（122）、在电解质膜（120）另一个面设置的包括阴极催化剂层的阴极（124）、以及在启动时供给燃料之前，将与阳极催化剂层接触的气体的相对湿度和与阴极催化剂层接触的气体的相对湿度中的至少一者降低到不足100%的调节机构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有通过氢和氧的电化学反应而发电的燃料电池的燃料电池系统。
技术介绍
近年来，能量转换效率高且经发电反应不产生有害物质的燃料电池备受瞩目。作为这种燃料电池之一，已知的是在100°c以下的低温下工作的固体高分子型燃料电池。固体高分子型燃料电池具有将作为电解质膜的固体高分子电解质膜在燃料极和空气极之间分配的基本构造，是向燃料极供给含氢的燃料气体、向空气极供给含氧的氧化剂气体，通过以下的电化学反应来发电的装置。燃料极H2— 2H++2e-…(I)空气极l/202+2H++2e-— H2O... (2) 阳极和阴极分别由层叠了催化剂层和气体扩散层的结构构成。各电极的催化剂层夹着固体高分子电解质膜而相向配置，构成燃料电池。催化剂层是使担载催化剂的碳粒子通过离子交换树脂粘结而成的层。气体扩散层成为氧化剂气体、燃料气体的通过路径。对于阳极，供给的燃料中所含的氢如上述式(I)所示那样分解成氢离子和电子。其中，氢离子在固体高分子电解质膜的内部向空气极移动，电子通过外部电路向空气极移动。另ー方面，对于阴极，向阴极供给的氧化剂气体中所含的氧与从燃料极移动来的氢离子和电子反应，如上述式(2)所示那样生成水。这样，在外部电路中，电子从燃料极向空气极移动，从而输出电力(參照专利文献I)。现有技术文献专利文献专利文献I :日本特开2006-140087号公报
技术实现思路
专利技术要解决的问题如果停止燃料电池，向阳极的燃料气体供给中断，则在阳极侧会混入空气。如果在该状态下再启动燃料电池，在燃料气体的浓度高的上游侧，介由电解质膜(固体高分子电解质膜)从阳极向阴极传导质子。另ー方面，在由于混入空气而燃料气体的浓度低的状态的下游侧，在阴极进行下述式的反应，从阴极向阳极传导质子，存在流过反向电流(reversecurrent)的问题。具体来讲，如图8所示，在反应气体的上游侧，在夹持电解质膜6的阳极2和阴极4中，与通常的电池反应同样地，分别进行下述(3)、(4)式表示的反应。而在出口侧(下游侧)，在阳极2和阴极4分别进行下述(5)、(6)式表示的反应，产生反向电流。通过在出ロ侧的阴极4产生的反应(6)式，阴极4中使用的担载催化剂用的碳粒子、离子交换树脂的氧化、腐蚀进展，会招致因电子传导路径的劣化、气体扩散性的降低等导致的短寿命化。上游侧阳极H2— 2H+2e'.. (3)阴极:02+4H.+4e— 2H20... (4)下游侧阳极:02+4H.+4e— 2H20... (5)阴极C+2H20— C02+4H.+4e ... (6)本专利技术鉴于上述课题而完成，其目的在于提供如下技术，在燃料电池系统启动吋，对阳极催化剂层和阴极催化剂层中的至少ー者，抑制因产生的反向电流而导致的构成催化剂层的材料的劣化。解决问题的方法 为了解决上述课题，本专利技术ー个方案的燃料电池系统具备燃料电池和调节相对湿度(也称为加湿度)的调节机构，本燃料电池具备电解质膜、在电解质膜的一个面设置的包含阳极催化剂层的阳极、以及在电解质膜的另ー个面设置的包含阴极催化剂层的阴极。在上述燃料电池停止时、原燃料投入后发电开始前、或者在发电开始后在输出达到额定输出之前的至少任ー情况时，调节机构将与阳极催化剂层接触的气体的相対湿度(RelativeHumidity RH)和与阴极催化剂层接触的气体的相对湿度中的至少ー者降低到不足100%。根据该方式，在燃料电池系统启动时，可以显著抑制阳极催化剂层和阴极催化剂层中的至少ー者因产生反向电流所致的构成催化剂层的材料的劣化。此外，与以往相比，在高温条件下，即使反复启动燃料电池系统，仍可以提高阳极催化剂层和阴极催化剂层的耐久性。需要说明的是，本专利技术中，所谓“启动时”是指在投入原燃料后发电开始之前，換言之，是指在将原燃料投入燃料电池系统后，向燃料电池(电池堆)供给加湿气体(向阳极供给加湿燃料气体和向阴极供给加湿氧化剂气体)，直到发电开始(开始负载连接)之前为止的期间。在上述方式中，调节机构可以进ー步具备调节温度的功能。此外，通常认为在反复进行燃料电池系统的启动和停止的情况下，电化学比表面积(Electro Chemical SurfaceArea ECSA)的下降率越低，则在构成阳极催化剂层和阴极催化剂层中残存的催化剂层的物质的残存率越高，从而可以延长阳极催化剂层和阴极催化剂层的寿命。为此，在上述燃料电池停止时、投入原燃料后发电开始前、或者在发电开始后输出达到额定输出之前的至少任一情况时，调节机构对于与阳极催化剂层接触的气体的相対湿度和与阴极催化剂层接触的气体的相対湿度中的至少ー者、和在必要的情况下与阳极催化剂层接触的气体的温度和与阴极催化剂层接触的气体的温度中的至少ー者调节相対湿度(X)和在需要时调节温度，以使得相対湿度被调节的阳极催化剂层或与阴极催化剂层接触的气体的相対湿度(X)与电化学比表面积的下降率(y)之间的关系满足以下的(式I) (式III)，O. 2302e°-0499x ^ y ^ O. 3013e0 CI56x (式 I),x〈100(式 II)，0〈y〈35(式 III)。根据该方式，在燃料电池系统启动时，可以进ー步有效地抑制阳极催化剂层和阴极催化剂层中的至少ー者因产生反向电流导致的构成催化剂层的材料的劣化。此外，与以往相比，即使在高温下反复进行燃料电池系统的启动，仍可以进ー步提高阳极催化剂层和阴极催化剂层的耐久性，可以进ー步延长寿命。此外，在上述方式中，调节机构可以通过将相対湿度不足100%的气体向相対湿度被调节的阳极和阴极中的至少ー者供给，将与阳极催化剂层接触的气体的相対湿度和与阴极催化剂层接触的气体的相対湿度中的至少ー者的相対湿度降低到低于100%。根据该方式，在燃料电池系统启动时，可以简便且高效地抑制阳极催化剂层和阴极催化剂层中的至少ー者因产生反向电流而导致的构成催化剂层的材料的劣化。此外，在上述方式中，可以进ー步具备持续地测定燃料电池的输出电压的电压测定部。此外，在基准值与利用电压测定部测定的输出电压之差为预定值以上时，调节机构可以对相対湿度(X)和温度进行调节。根据该方式，可以以简易且低成本地预测空气向阳极催化剂层的混入。 此外，在上述方式中，调节机构可以利用旁路路径与燃料电池连接。根据该方式，可以进ー步简便且有效地抑制燃料电池系统启动时阳极催化剂层和阴极催化剂层中的至少ー者因产生反向电流导致的构成催化剂层的材料的劣化。此外，在上述方式中，进ー步具备原燃料供给部、和将从原燃料供给部供给的原燃料的硫成分脱硫的脱硫部，旁路路径可以是从原燃料供给部供给，将利用脱硫部脱硫到20ppb以下的原燃料供给到阳极催化剂层或阴极催化剂层中的至少ー个路径。根据该方式，可以进ー步简便且有效地抑制燃料电池系统启动时阳极催化剂层和阴极催化剂层中的至少ー者因产生反向电流导致的构成催化剂层的材料的劣化。此外，在上述方式中，调节机构可以是通过旁路路径对阴极催化剂层供给无加湿的空气的机构。根据该方式，可以进ー步简便且有效地抑制燃料电池系统启动时阴极催化剂层因产生反向电流导致的构成催化剂层的材料的劣化。需要说明的是，适当组合上述各要素的技术也包含在本件专利申请所要求的专利保护的专利技术范围内。专利技术的效果根据本专利技术，可以抑制燃料电池系统启动时阳极催化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.03.31 JP 2010-0805581.一种燃料电池系统，其特征在于， 包括燃料电池和调节机构； 所述燃料电池包括 电解质膜， 在所述电解质膜的一个面设置的包含阳极催化剂层的阳极，以及 在所述电解质膜的另一个面设置的包含阴极催化剂层的阴极； 所述调节机构在所述燃料电池停止时、原燃料投入后发电开始前、或者发电开始后输出达到额定输出之前的至少任一情况时，将与所述阳极催化剂层接触的气体的相对湿度和与所述阴极催化剂层接触的气体的相对湿度中的至少一者降低到不足100%。2.根据权利要求I所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述调节机构还具有调节温度的功能； 所述调节机构在所述燃料电池停止时、原燃料投入后发电开始前、或者发电开始后输出达到额定输出之前的至少任一情况时，对于与所述阳极催化剂层接触的气体的相对湿度和与所述阴极催化剂层接触的气体的相对湿度中的至少一者、以及在需要时将与所述阳极催化剂层接触的气体的温度和与所述阴极催化剂层接触的气体的温度中的至少一者，调节相对湿度(X)和温度，以使得相对湿度被调节的所述阳极催化剂层或与所述阴极催化剂层接触的气体的相对湿度(X)与电化学比表面积的下降率(y)之间的关系满足以下的式Γ式III, O.2302e°.°4...

【专利技术属性】
技术研发人员：松冈孝司，
申请(专利权)人：亿能新燃料电池技术开发有限公司，
类型：
国别省市：