燃料電池系統技術方案

燃料電池（100）具備電解質膜（120）、在電解質膜（120）一個面設置的包括陽極催化劑層的陽極（122）、在電解質膜（120）另一個面設置的包括陰極催化劑層的陰極（124）、以及在啟動時供給燃料之前，將與陽極催化劑層接觸的氣體的相對濕度和與陰極催化劑層接觸的氣體的相對濕度中的至少一者降低到不足100%的調節(jié)機構。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及具有通過氫和氧的電化學反應而發(fā)電的燃料電池的燃料電池系統。
技術介紹
近年來，能量轉換效率高且經發(fā)電反應不產生有害物質的燃料電池備受矚目。作為這種燃料電池之一，已知的是在100°c以下的低溫下工作的固體高分子型燃料電池。固體高分子型燃料電池具有將作為電解質膜的固體高分子電解質膜在燃料極和空氣極之間分配的基本構造，是向燃料極供給含氫的燃料氣體、向空氣極供給含氧的氧化劑氣體，通過以下的電化學反應來發(fā)電的裝置。燃料極H2— 2H++2e-…(I)空氣極l/202+2H++2e-— H2O... (2) 陽極和陰極分別由層疊了催化劑層和氣體擴散層的結構構成。各電極的催化劑層夾著固體高分子電解質膜而相向配置，構成燃料電池。催化劑層是使擔載催化劑的碳粒子通過離子交換樹脂粘結而成的層。氣體擴散層成為氧化劑氣體、燃料氣體的通過路徑。對于陽極，供給的燃料中所含的氫如上述式(I)所示那樣分解成氫離子和電子。其中，氫離子在固體高分子電解質膜的內部向空氣極移動，電子通過外部電路向空氣極移動。另ー方面，對于陰極，向陰極供給的氧化劑氣體中所含的氧與從燃料極移動來的氫離子和電子反應，如上述式(2)所示那樣生成水。這樣，在外部電路中，電子從燃料極向空氣極移動，從而輸出電力(參照專利文獻I)。現有技術文獻專利文獻專利文獻I :日本特開2006-140087號公報
技術實現思路
專利技術要解決的問題如果停止燃料電池，向陽極的燃料氣體供給中斷，則在陽極側會混入空氣。如果在該狀態(tài)下再啟動燃料電池，在燃料氣體的濃度高的上游側，介由電解質膜(固體高分子電解質膜)從陽極向陰極傳導質子。另ー方面，在由于混入空氣而燃料氣體的濃度低的狀態(tài)的下游側，在陰極進行下述式的反應，從陰極向陽極傳導質子，存在流過反向電流(reversecurrent)的問題。具體來講，如圖8所示，在反應氣體的上游側，在夾持電解質膜6的陽極2和陰極4中，與通常的電池反應同樣地，分別進行下述(3)、(4)式表示的反應。而在出口側(下游側)，在陽極2和陰極4分別進行下述(5)、(6)式表示的反應，產生反向電流。通過在出ロ側的陰極4產生的反應(6)式，陰極4中使用的擔載催化劑用的碳粒子、離子交換樹脂的氧化、腐蝕進展，會招致因電子傳導路徑的劣化、氣體擴散性的降低等導致的短壽命化。上游側陽極H2— 2H+2e'.. (3)陰極:02+4H.+4e— 2H20... (4)下游側陽極:02+4H.+4e— 2H20... (5)陰極C+2H20— C02+4H.+4e ... (6)本專利技術鑒于上述課題而完成，其目的在于提供如下技術，在燃料電池系統啟動吋，對陽極催化劑層和陰極催化劑層中的至少ー者，抑制因產生的反向電流而導致的構成催化劑層的材料的劣化。解決問題的方法 為了解決上述課題，本專利技術ー個方案的燃料電池系統具備燃料電池和調節(jié)相對濕度(也稱為加濕度)的調節(jié)機構，本燃料電池具備電解質膜、在電解質膜的一個面設置的包含陽極催化劑層的陽極、以及在電解質膜的另ー個面設置的包含陰極催化劑層的陰極。在上述燃料電池停止時、原燃料投入后發(fā)電開始前、或者在發(fā)電開始后在輸出達到額定輸出之前的至少任ー情況時，調節(jié)機構將與陽極催化劑層接觸的氣體的相対濕度(RelativeHumidity RH)和與陰極催化劑層接觸的氣體的相對濕度中的至少ー者降低到不足100%。根據該方式，在燃料電池系統啟動時，可以顯著抑制陽極催化劑層和陰極催化劑層中的至少ー者因產生反向電流所致的構成催化劑層的材料的劣化。此外，與以往相比，在高溫條件下，即使反復啟動燃料電池系統，仍可以提高陽極催化劑層和陰極催化劑層的耐久性。需要說明的是，本專利技術中，所謂“啟動時”是指在投入原燃料后發(fā)電開始之前，換言之，是指在將原燃料投入燃料電池系統后，向燃料電池(電池堆)供給加濕氣體(向陽極供給加濕燃料氣體和向陰極供給加濕氧化劑氣體)，直到發(fā)電開始(開始負載連接)之前為止的期間。在上述方式中，調節(jié)機構可以進ー步具備調節(jié)溫度的功能。此外，通常認為在反復進行燃料電池系統的啟動和停止的情況下，電化學比表面積(Electro Chemical SurfaceArea ECSA)的下降率越低，則在構成陽極催化劑層和陰極催化劑層中殘存的催化劑層的物質的殘存率越高，從而可以延長陽極催化劑層和陰極催化劑層的壽命。為此，在上述燃料電池停止時、投入原燃料后發(fā)電開始前、或者在發(fā)電開始后輸出達到額定輸出之前的至少任一情況時，調節(jié)機構對于與陽極催化劑層接觸的氣體的相対濕度和與陰極催化劑層接觸的氣體的相対濕度中的至少ー者、和在必要的情況下與陽極催化劑層接觸的氣體的溫度和與陰極催化劑層接觸的氣體的溫度中的至少ー者調節(jié)相対濕度(X)和在需要時調節(jié)溫度，以使得相対濕度被調節(jié)的陽極催化劑層或與陰極催化劑層接觸的氣體的相対濕度(X)與電化學比表面積的下降率(y)之間的關系滿足以下的(式I) (式III)，O. 2302e°-0499x ^ y ^ O. 3013e0 CI56x (式 I),x〈100(式 II)，0〈y〈35(式 III)。根據該方式，在燃料電池系統啟動時，可以進ー步有效地抑制陽極催化劑層和陰極催化劑層中的至少ー者因產生反向電流導致的構成催化劑層的材料的劣化。此外，與以往相比，即使在高溫下反復進行燃料電池系統的啟動，仍可以進ー步提高陽極催化劑層和陰極催化劑層的耐久性，可以進ー步延長壽命。此外，在上述方式中，調節(jié)機構可以通過將相対濕度不足100%的氣體向相対濕度被調節(jié)的陽極和陰極中的至少ー者供給，將與陽極催化劑層接觸的氣體的相対濕度和與陰極催化劑層接觸的氣體的相対濕度中的至少ー者的相対濕度降低到低于100%。根據該方式，在燃料電池系統啟動時，可以簡便且高效地抑制陽極催化劑層和陰極催化劑層中的至少ー者因產生反向電流而導致的構成催化劑層的材料的劣化。此外，在上述方式中，可以進ー步具備持續(xù)地測定燃料電池的輸出電壓的電壓測定部。此外，在基準值與利用電壓測定部測定的輸出電壓之差為預定值以上時，調節(jié)機構可以對相対濕度(X)和溫度進行調節(jié)。根據該方式，可以以簡易且低成本地預測空氣向陽極催化劑層的混入。 此外，在上述方式中，調節(jié)機構可以利用旁路路徑與燃料電池連接。根據該方式，可以進ー步簡便且有效地抑制燃料電池系統啟動時陽極催化劑層和陰極催化劑層中的至少ー者因產生反向電流導致的構成催化劑層的材料的劣化。此外，在上述方式中，進ー步具備原燃料供給部、和將從原燃料供給部供給的原燃料的硫成分脫硫的脫硫部，旁路路徑可以是從原燃料供給部供給，將利用脫硫部脫硫到20ppb以下的原燃料供給到陽極催化劑層或陰極催化劑層中的至少ー個路徑。根據該方式，可以進ー步簡便且有效地抑制燃料電池系統啟動時陽極催化劑層和陰極催化劑層中的至少ー者因產生反向電流導致的構成催化劑層的材料的劣化。此外，在上述方式中，調節(jié)機構可以是通過旁路路徑對陰極催化劑層供給無加濕的空氣的機構。根據該方式，可以進ー步簡便且有效地抑制燃料電池系統啟動時陰極催化劑層因產生反向電流導致的構成催化劑層的材料的劣化。需要說明的是，適當組合上述各要素的技術也包含在本件專利申請所要求的專利保護的專利技術范圍內。專利技術的效果根據本專利技術，可以抑制燃料電池系統啟動時陽極催化本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.03.31 JP 2010-0805581.一種燃料電池系統，其特征在于， 包括燃料電池和調節(jié)機構； 所述燃料電池包括 電解質膜， 在所述電解質膜的一個面設置的包含陽極催化劑層的陽極，以及 在所述電解質膜的另一個面設置的包含陰極催化劑層的陰極； 所述調節(jié)機構在所述燃料電池停止時、原燃料投入后發(fā)電開始前、或者發(fā)電開始后輸出達到額定輸出之前的至少任一情況時，將與所述陽極催化劑層接觸的氣體的相對濕度和與所述陰極催化劑層接觸的氣體的相對濕度中的至少一者降低到不足100%。2.根據權利要求I所述的燃料電池系統，其特征在于， 所述調節(jié)機構還具有調節(jié)溫度的功能； 所述調節(jié)機構在所述燃料電池停止時、原燃料投入后發(fā)電開始前、或者發(fā)電開始后輸出達到額定輸出之前的至少任一情況時，對于與所述陽極催化劑層接觸的氣體的相對濕度和與所述陰極催化劑層接觸的氣體的相對濕度中的至少一者、以及在需要時將與所述陽極催化劑層接觸的氣體的溫度和與所述陰極催化劑層接觸的氣體的溫度中的至少一者，調節(jié)相對濕度(X)和溫度，以使得相對濕度被調節(jié)的所述陽極催化劑層或與所述陰極催化劑層接觸的氣體的相對濕度(X)與電化學比表面積的下降率(y)之間的關系滿足以下的式Γ式III, O.2302e°.°4...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：松岡孝司，
申請(專利權)人：億能新燃料電池技術開發(fā)有限公司，
類型：
國別省市：