專利名稱：燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及其運轉(zhuǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抑制由于硫化合物導(dǎo)致的催化劑活性降低來抑制電壓降低、從而提高發(fā)電效率以及耐久性的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及其運轉(zhuǎn)方法。
背景技術(shù)：
如圖8所示，以往的一般的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具備層疊多個燃料電池33而構(gòu)成的堆疊體，該燃料電池33具有相對置地設(shè)置于電解質(zhì)31的兩面的負(fù)極(An0de)3^i和正極 (Cathode) 32b，對該負(fù)極3 提供燃料氣體，對該正極32b提供氧化劑氣體。通過設(shè)置有燃料氣體和氧化劑氣體各自的氣體流路的隔板3 和34b將該燃料氣體和氧化劑氣體分別提供給負(fù)極3 和正極32b。上述結(jié)構(gòu)的堆疊體上連接有對負(fù)極3 提供燃料氣體的燃料氣體供給部36和對正極32b提供氧化劑氣體的氧化劑氣體供給部37，由控制部38進(jìn)行控制以達(dá)成所期望的發(fā)電狀態(tài)。另一方面，以往，這種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)有時會受到各種雜質(zhì)的影響而電壓降低， 從而發(fā)電效率降低、耐久性降低。雜質(zhì)中包括內(nèi)在雜質(zhì)和外在雜質(zhì)，該內(nèi)在雜質(zhì)是從構(gòu)成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的樹脂部件、金屬部件等部件中產(chǎn)生的，該外在雜質(zhì)是從大氣等外部混入的，這些雜質(zhì)使負(fù)極32a、 正極32b中毒或?qū)⑵涓采w而使電池難以發(fā)生發(fā)電反應(yīng)，使電壓降低。已知特別是大氣中包含的污染物質(zhì)中的硫氧化物、硫化氫等硫化合物會強力吸附在正極32b的催化劑表面上而使催化劑活性降低。以往的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)為了去除所吸附的硫化合物的影響而在燃料電池33發(fā)電過程中使燃料電池33的負(fù)載處于低負(fù)載狀態(tài)，來提高吸附有雜質(zhì)的正極32b的電極電位，將吸附在正極32b的催化劑上的雜質(zhì)氧化而使其脫離，同時增加催化劑層中的含水量來用水沖洗去除該氧化物(例如參照專利文獻(xiàn)1)。專利文獻(xiàn)1 日本特開2008-218050號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題然而，存在以下的問題在僅將吸附在上述以往的燃料電池的電極上的硫化合物氧化并用水沖洗去除該氧化物的情況下，電極催化劑的活化不充分，通過長時間持續(xù)發(fā)電， 催化劑活性會漸漸降低，燃料電池的電壓降低，發(fā)電能力下降。本發(fā)明是為了解決上述問題而完成的，其目的在于提供如下一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及其運轉(zhuǎn)方法即使硫化物吸附在電極上，通過使硫化合物氧化并將其去除之后使電極還原，則即使長時間持續(xù)發(fā)電，燃料電池的電壓也難以降低，發(fā)電能力優(yōu)異。用于解決問題的方案為了解決上述問題并達(dá)到目的，本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具備燃料電池，其利用提供到負(fù)極的燃料氣體和提供到正極的氧化劑氣體來進(jìn)行發(fā)電；燃料氣體供給機構(gòu)，其對上述負(fù)極提供燃料氣體；氧化劑氣體供給機構(gòu)，其對上述正極提供氧化劑氣體；電力輸出器，其將由上述燃料電池發(fā)電得到的電力提供給燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部負(fù)載以及外部負(fù)載；冷卻機構(gòu)，其構(gòu)成為對上述燃料電池進(jìn)行冷卻；以及控制器，其構(gòu)成為進(jìn)行第一工序之后進(jìn)行第二工序，在該第一工序中，該控制器對從上述電力輸出器向上述內(nèi)部負(fù)載和上述外部負(fù)載中的至少一方的負(fù)載提供的電力進(jìn)行控制，以使上述燃料電池的電壓暫時大于等于第一電壓，該第一電壓是附著在上述正極上的硫化合物發(fā)生氧化的電壓，在該第二工序中，該控制器利用上述冷卻機構(gòu)來冷卻上述燃料電池以使該燃料電池內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)， 并且停止從上述氧化劑氣體供給機構(gòu)提供上述氧化劑氣體。由此，利用第一工序，附著在正極上的硫化合物被氧化，從而能夠減弱正極的催化劑與硫化合物之間的結(jié)合力，使該硫化合物易于從正極的催化劑上脫離。另外，在第一工序之后進(jìn)行的第二工序中，使存在于堆疊體內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)來產(chǎn)生冷凝水，使在第一工序氧化的硫化合物溶解于冷凝水中，由此能夠?qū)⒘蚧衔飶恼龢O的催化劑上去除。另外，在第二工序中，通過停止提供氧化劑氣體來降低已去除了硫化合物的正極的電極電位，使催化劑還原，因此能夠使正極的催化劑充分地活化。并且，在第二工序中，通過降低正極的電極電位來將未吸附有硫化合物等雜質(zhì)的催化劑活化，去除了附著在正極的催化劑上的硫化合物，因此能夠增加未附著雜質(zhì)的催化劑量，因此能夠?qū)⒏嗟拇呋瘎┻€原來使其活化。參照附圖，基于下面的優(yōu)選實施方式的詳細(xì)說明來明確本發(fā)明的上述目的、其它目的、特征以及優(yōu)點。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及其運轉(zhuǎn)方法，即使硫化合物等雜質(zhì)吸附在電極上，也能夠?qū)⑵淙コ⑶沂勾呋瘎┗罨?，因此即使在長期間內(nèi)連續(xù)發(fā)電，燃料電池的電壓下降也難以蓄積而能夠長期地維持高發(fā)電效率，從而能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電效率和耐久性的提高。


圖1是表示本發(fā)明的實施方式1中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的概要結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2是表示圖1所示的本實施方式1中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3是表示圖1所示的本實施方式1中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)順序的流程圖。圖4是表示圖1所示的本實施方式1中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電特性的特性圖。圖5是表示圖1所示的本實施方式1中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)順序的時間圖。圖6是表示本發(fā)明的實施方式2中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)順序的流程圖。圖7是表示本發(fā)明的實施方式3中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)順序的流程圖。圖8是表示以往的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的概要結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式首先，在下面列舉出本發(fā)明的實施方式中的各種特征。第一方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具備燃料電池，其利用提供給負(fù)極(Anode)的燃料氣體和提供給正極(Cathode)的氧化劑氣體來進(jìn)行發(fā)電；燃料氣體供給機構(gòu)，其對負(fù)極提供燃料氣體；氧化劑氣體供給機構(gòu)，其對正極提供氧化劑氣體；電力輸出器，其將由燃料電池發(fā)電而得到的電力提供給燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部負(fù)載以及外部負(fù)載；冷卻機構(gòu)，其構(gòu)成為對燃料電池進(jìn)行冷卻；以及控制器，其構(gòu)成為進(jìn)行第一工序，之后進(jìn)行第二工序，在該第一工序中，該控制器對從電力輸出器向內(nèi)部負(fù)載和外部負(fù)載中的至少一方的負(fù)載提供的電力進(jìn)行控制，以使燃料電池的電壓暫時大于等于第一電壓，該第一電壓是附著在正極上的硫化合物發(fā)生氧化的電壓，在該第二工序中，該控制器通過冷卻機構(gòu)來冷卻燃料電池以使該燃料電池內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)，并且停止從氧化劑氣體供給機構(gòu)提供氧化劑氣體。在此，“進(jìn)行第一工序，之后進(jìn)行第二工序”不僅指在進(jìn)行第一工序之后緊接著進(jìn)行第二工序，也包括在進(jìn)行第一工序之后經(jīng)過了規(guī)定時間后進(jìn)行第二工序的情況。即，也可以在第一工序與第二工序之間進(jìn)行發(fā)電工序等。另外，也可以在進(jìn)行多次第一工序之后進(jìn)行第二工序。在這些情況下都是，在第一工序中氧化的硫化合物不會被還原，因此能夠在第二工序中將在第一工序中氧化的硫化合物去除。此外，如果在第一工序之后緊接著進(jìn)行第二工序，則能夠使更多的催化劑活化。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在第一工序中，附著在正極上的硫化合物被氧化，從而能夠減弱正極的催化劑與硫化合物之間的結(jié)合力，使該硫化合物易于從正極的催化劑上脫離。另外，在第一工序之后進(jìn)行的第二工序中，使存在于堆疊體內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)來產(chǎn)生冷凝水，使在第一工序中氧化的硫化合物溶解于冷凝水中，由此能夠從正極的催化劑上去除硫化合物。另外，在第二工序中，通過停止提供氧化劑氣體來降低已去除了硫化合物的正極的電極電位來使催化劑還原，因此能夠使正極的催化劑充分地活化。并且，在第二工序中，通過降低正極的電極電位來將未吸附硫化合物等雜質(zhì)的催化劑活化，而由于去除了附著在正極的催化劑上的硫化合物，因此能夠增加未附著雜質(zhì)的催化劑量，從而能夠?qū)⒏嗟拇呋瘎┻€原來使其活化。另外，根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠使燃料電池內(nèi)的水蒸氣迅速凝結(jié)，因此能夠在短時間內(nèi)進(jìn)行第二工序，因此，能夠抑制停止發(fā)電所導(dǎo)致的燃料氣體供給機構(gòu)的溫度降低，從而減少之后重新開始發(fā)電時所耗費的時間、能量，能夠提高燃料氣體供給機構(gòu)的穩(wěn)定性。第二方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如下在第一方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，控制器構(gòu)成為在每次燃料電池發(fā)電的累計時間達(dá)到第一發(fā)電累計時間時進(jìn)行第一工序，在每次燃料電池發(fā)電的累計時間達(dá)到比第一發(fā)電累計時間長的第二發(fā)電累計時間時進(jìn)行第二工序。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在發(fā)電過程中，在每次達(dá)到第一發(fā)電累計時間時、即在較短的間隔內(nèi)不停止燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，而是暫時升高正極的電極電位來使附著在正極上的硫化合物氧化，從而能夠減弱正極的催化劑與硫化合物之間的結(jié)合力，使該硫化合物易于從正極的催化劑上脫離。然后，在每次達(dá)到比第一發(fā)電累計時間長的第二發(fā)電累計時間時，使燃料電池內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)并停止提供氧化劑氣體，從而能夠沖洗已脫離的雜質(zhì)并且能夠降低正極的電極電位來將催化劑還原以使其活化。
因而，除了在第二工序中進(jìn)行的停止提供氧化劑氣體的極短的時間以外，不需停止燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電，而能夠緩和硫化合物對發(fā)電的影響。因此，在達(dá)到第二發(fā)電累計時間之前，能夠長時間地運轉(zhuǎn)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，能夠減少啟動停止次數(shù)。因此，能夠抑制燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的啟動停止所消耗的能量，得到綜合效率優(yōu)異的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。此外，并非必須在達(dá)到第二發(fā)電累計時間之后緊接著進(jìn)行第二工序，也可以在達(dá)到第二發(fā)電累計時間之后停止燃料電池發(fā)電系統(tǒng)時進(jìn)行該第二工序。第三方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如下在第一方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，控制器構(gòu)成為在每次對氧化劑氣體的供給量進(jìn)行累計而得到的氧化劑氣體累計供給量達(dá)到第一累計供給量時進(jìn)行第一工序，在每次氧化劑氣體累計供給量達(dá)到比第一累計供給量多的第二累計供給量時進(jìn)行第二工序。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在假設(shè)氧化劑氣體中含有的硫化合物的平均濃度大致固定的情況下，能夠根據(jù)提供到燃料電池的正極的氧化劑氣體的供給量來計算正極的催化劑上蓄積的硫化合物的蓄積量。因此，能夠高效地氧化及去除硫化合物。此外，例如能夠?qū)㈩A(yù)先通過實驗等求出的會與對電池性能產(chǎn)生影響的硫化合物蓄積量成正比的氧化劑氣體供給量的累計量設(shè)定為第一累計供給量。另外，例如能夠?qū)㈩A(yù)先通過實驗等求出的與燃料電池停止發(fā)電一次能夠去除的硫化合物的蓄積量成正比的氧化劑氣體供給量的累計量設(shè)定為第二累計供給量。第四方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如下在第一方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，還具有電壓檢測器，該電壓檢測器測量燃料電池的電壓，控制器構(gòu)成為在每次燃料電池發(fā)電的累計時間達(dá)到第一發(fā)電累計時間時進(jìn)行第一工序，在每次對電壓檢測部所檢測到的電壓小于等于比第一電壓低的第二電壓的時間進(jìn)行累計而得到的累計值達(dá)到第一電壓累計時間時，
進(jìn)行第二工序。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，即使在氧化劑氣體中含有的二氧化硫的濃度高、或者由于燃料電池長期地重復(fù)進(jìn)行發(fā)電等而正極的催化劑的有效反應(yīng)面積減少等使二氧化硫吸附對電壓下降的影響相對變大的情況下，由于根據(jù)隨著二氧化硫吸附于燃料電池的正極的催化劑而降低的燃料電池的電壓來去除二氧化硫，因此與基于發(fā)電時間、氧化劑氣體的供給量來進(jìn)行第一工序和第二工序的方式相比，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電效率和耐久性的進(jìn)一步提高。第五方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如下在第一至第四燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的任一方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，還具備第一繼電器，該第一繼電器允許/切斷外部負(fù)載與燃料電池之間的電連接，控制器構(gòu)成為在第一工序中利用第一繼電器來切斷外部負(fù)載與燃料電池之間的連接，停止對外部負(fù)載提供電力。第六方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如下在第一至第五燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的任一方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，控制器構(gòu)成為在第二工序中使從電力輸出器向內(nèi)部負(fù)載和外部負(fù)載中的至少一方的負(fù)載提供的電力降低。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在第二工序中，通過降低燃料電池的發(fā)電量，能夠降低正極的電極電位而不會伴隨有極性反轉(zhuǎn)等劣化。因此，能夠不停止燃料電池的發(fā)電而將正極的催化劑還原來使其活化。因而，能夠長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，減少啟動停止次數(shù)，抑制啟動停止所消耗的能量，因此能夠得到綜合效率優(yōu)異的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。第七方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如下在第一至第五燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的任一方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，控制器構(gòu)成為在第二工序中使電力輸出器停止向內(nèi)部負(fù)載和外部負(fù)載提供電力。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，停止提供氧化劑氣體來停止燃料電池的發(fā)電，使燃料電池發(fā)電所產(chǎn)生的熱量消失，由此能夠使燃料電池更快地冷卻。因此，能夠進(jìn)一步促使在燃料電池內(nèi)生成冷凝水，從而能夠進(jìn)一步縮短進(jìn)行第二工序的時間。另外，由于在燃料電池停止期間使堆疊體內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)，因此能夠防止液泛導(dǎo)致電壓下降。第八方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如下在第七方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，還具備 第一繼電器，其允許/切斷外部負(fù)載與燃料電池之間的電連接；以及第二繼電器，其允許/ 切斷內(nèi)部負(fù)載與燃料電池之間的電連接，控制器構(gòu)成為在第二工序中利用第一繼電器來切斷外部負(fù)載與燃料電池之間的連接，利用第二繼電器來切斷內(nèi)部負(fù)載與燃料電池之間的連接，來停止對內(nèi)部負(fù)載和外部負(fù)載提供電力。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠通過停止對內(nèi)部負(fù)載和外部負(fù)載提供電力來使燃料電池停止發(fā)電，并且使燃料電池的正極的電極電位處于開路狀態(tài)而成為高電位。即，在第二工序中，在用冷凝水沖洗氧化的硫氧化物之前，能夠?qū)⒄龢O的電極電位暫時處于開路狀態(tài)。由此，不僅在第一工序中，在第二工序中在用冷凝水沖洗氧化的硫氧化物之前也能夠使附著在正極的催化劑上的硫化合物氧化來減弱催化劑與雜質(zhì)之間的結(jié)合力，從而使雜質(zhì)從催化劑上脫離。因此，能夠去除更多的硫化合物，能夠使更多的正極的催化劑活化。第九方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如下在第一至第八燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的任一方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，還具備氧化劑氣體供給路徑，其將氧化劑氣體供給機構(gòu)和燃料電池的正極連接；第一閥，其設(shè)置于氧化劑氣體供給路徑上；氧化劑氣體排出路徑，其與燃料電池的正極相連接，排出被提供到燃料電池的正極的氧化劑氣體；以及第二閥，其設(shè)置于氧化劑氣體排出路徑上，控制器構(gòu)成為在第二工序中利用第一閥和第二閥來密封燃料電池的正極，停止從氧化劑氣體供給機構(gòu)向正極提供氧化劑氣體。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在第二工序中，截斷從外部進(jìn)入正極的氧，正極內(nèi)的氧濃度迅速降低。因此，正極的電極電位迅速下降而保持低電位，能夠使正極的催化劑迅速還原而活化。第十方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如下在第一至第九燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的任一方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，控制器對燃料氣體供給機構(gòu)和氧化劑氣體供給機構(gòu)進(jìn)行控制以在第一工序中減少燃料氣體和氧化劑氣體的供給量。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠減少無助于燃料電池的發(fā)電的燃料氣體和氧化劑氣體的消耗量，并且抑制燃料氣體供給機構(gòu)和氧化劑氣體供給機構(gòu)的操作所消耗的電力。并且，能夠?qū)娜剂想姵氐呢?fù)極排出的燃料氣體(尾氣)的流量變化量抑制為最小限度。該尾氣一般是在燃料氣體供給機構(gòu)中被消耗，因此在采用燃燒尾氣的燃料氣體供給機構(gòu)的情況下，能夠保持燃料氣體供給機構(gòu)的穩(wěn)定性，從而能夠得到發(fā)電效率高且穩(wěn)定性優(yōu)異的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。一種第一實施方式的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法，該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具備 燃料電池，其利用提供給負(fù)極的燃料氣體和提供給正極的氧化劑氣體來進(jìn)行發(fā)電；燃料氣體供給機構(gòu)，其對負(fù)極提供燃料氣體；氧化劑氣體供給機構(gòu)，其對正極提供氧化劑氣體；電力輸出器，其將由燃料電池發(fā)電得到的電力提供給燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部負(fù)載以及外部負(fù)載；以及冷卻機構(gòu)，其構(gòu)成為對燃料電池進(jìn)行冷卻，該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法包括以下的工序第一工序，對從電力輸出器向內(nèi)部負(fù)載和外部負(fù)載中的至少一方的負(fù)載提供的電力進(jìn)行控制，以使燃料電池的電壓暫時大于等于第一電壓，該第一電壓是附著在正極上的硫化合物發(fā)生氧化的電壓；以及第二工序，其在第一工序之后，利用冷卻機構(gòu)來冷卻燃料電池以使該燃料電池內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)，并且停止從氧化劑氣體供給機構(gòu)提供氧化劑氣體。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在第一工序中，附著在正極上的硫化合物被氧化，從而能夠減弱正極的催化劑與硫化合物之間的結(jié)合力，使該硫化合物易于從正極的催化劑上脫離。另外，在第一工序之后進(jìn)行的第二工序中，使存在于堆疊體內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)來產(chǎn)生冷凝水，使在第一工序中氧化的硫化合物溶解于冷凝水中，由此能夠?qū)⒘蚧衔飶恼龢O的催化劑上去除。另外，在第二工序中，通過停止提供氧化劑氣體來降低已去除了硫化合物的正極的電極電位而使催化劑還原，因此能夠使正極的催化劑充分地活化。并且，在第二工序中，通過降低正極的電極電位來使未吸附硫化合物等雜質(zhì)的催化劑活化，而由于去除了附著在正極的催化劑上的硫化合物，因此能夠增加未附著雜質(zhì)的催化劑的量，從而能夠?qū)⒏嗟拇呋瘎┻€原來使其活化。另外，根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠使燃料電池內(nèi)的水蒸氣迅速凝結(jié)，因此能夠在短時間內(nèi)進(jìn)行第二工序，因此，能夠抑制停止發(fā)電所導(dǎo)致的燃料氣體供給機構(gòu)的溫度降低，從而減少之后重新開始發(fā)電時所耗費的時間、能量，能夠提高燃料氣體供給機構(gòu)的穩(wěn)定性。下面，參照附圖來說明本發(fā)明的實施方式。此外，本發(fā)明并不限定于本實施方式。 另外，在所有的附圖中，對同一或相應(yīng)的部分附加同一附圖標(biāo)記，省略重復(fù)的說明。并且，在所有附圖中，僅抽出了說明本發(fā)明所需的結(jié)構(gòu)要素來進(jìn)行圖示，而省略了其它結(jié)構(gòu)要素的圖示。(實施方式1)[燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)]圖1是表示本發(fā)明的實施方式1中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的概要結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的實施方式1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具備在電解質(zhì)1的兩面相對置地形成有負(fù)極加和正極2b的燃料電池3。在此，電解質(zhì)1例如由含有具有氫離子傳導(dǎo)性的全氟碳化磺酸聚合物的固體高分子電解質(zhì)構(gòu)成。另外，負(fù)極加和正極2b包括催化劑層和氣體擴散層，該催化劑層是由在抗氧化性高的多孔質(zhì)碳上承載鉬等貴金屬而得到的催化劑和具有氫離子傳導(dǎo)性的高分子電解質(zhì)的混合物構(gòu)成的，該氣體擴散層層疊在催化劑層之上，具有通氣性和電子傳導(dǎo)性。此時，作為負(fù)極加的催化劑，一般使用可抑制由于燃料氣體中含有的雜質(zhì)、特別是一氧化碳而中毒的鉬-釕合金催化劑。另外，作為氣體擴散層，使用實施過防水處理的復(fù)寫紙(carbon paper)、碳纖維布(carbon cloth)或碳無紡布等。而且，以使負(fù)極側(cè)隔板如和正極側(cè)隔板4b夾持燃料電池3而相對置的方式配置它們，負(fù)極側(cè)隔板如的朝向燃料電池3側(cè)的面上形成有用于提供、排出燃料氣體的燃料氣體流路41a，正極側(cè)隔板4b的朝向燃料電池3側(cè)的面上形成有用于提供、排出氧化劑氣體的氧化劑氣體流路41b。并且，在正極側(cè)隔板4b的背離燃料電池3側(cè)的面上形成有用于提供、排出冷卻燃料電池3的冷卻流體的冷卻流體流路5。此外，也可以在負(fù)極側(cè)隔板4a的背離燃料電池3 側(cè)的面上形成冷卻流體流路5，還可以另外設(shè)置形成有冷卻流體流路5的獨立的冷卻板。在此，負(fù)極側(cè)隔板4a和正極側(cè)隔板4b主要是由碳等具有導(dǎo)電性的材料形成的。而且，為了避免各流體泄漏到不同流體的流路中以及外部，分別利用負(fù)極側(cè)插槽 6a來封閉負(fù)極側(cè)隔板4a和燃料電池3之間，利用正極側(cè)插槽6b來封閉正極側(cè)隔板4b和燃料電池3之間。然后，層疊多個由上述結(jié)構(gòu)的燃料電池3和各隔板4a以及4b形成的單電池，在兩端配置集電體7以取出電流，隔著絕緣體(未圖示)配置端板8，組裝它們來構(gòu)成堆疊體。 在堆疊體的周圍配置隔熱構(gòu)件9以防止向外部放熱，從而提高排熱回收效率。另外，堆疊體與燃料氣體供給機構(gòu)10、氧化劑氣體供給機構(gòu)11以及冷卻機構(gòu)12相連接，該燃料氣體供給機構(gòu)10對負(fù)極2a側(cè)提供含有氫的燃料氣體，該氧化劑氣體供給機構(gòu) 11向正極2b側(cè)提供含有大氣中的氧的氧化劑氣體，該冷卻機構(gòu)12對堆疊體進(jìn)行冷卻，提供與堆疊體所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行熱交換的冷卻流體。在此，燃料氣體供給機構(gòu)10包括脫硫器101，其從城市燃?xì)?天然氣)等原料氣體中去除作為催化劑毒物的硫化合物；原料氣體供給器102，其控制脫硫后的原料氣體的流量；以及燃料處理器103，其使脫硫后的原料氣體重整來生成氫氣。并且，燃料處理器103具有重整器(未圖示)，該重整器使用原料氣體和水，通過重整反應(yīng)生成含氫的重整氣體。此外，燃料處理器103也可以具有用于減少重整器所生成的重整氣體中的一氧化碳的一氧化碳轉(zhuǎn)化器和一氧化碳去除器。在此，例如在使用甲烷作為原料氣體的情況下，該甲烷在重整器中與水蒸氣產(chǎn)生 [化學(xué)式1]和[化學(xué)式2]所示的反應(yīng)而產(chǎn)生氫氣。[化學(xué)式1]CH4+H20 — C0+3H2[化學(xué)式2]CCHH2O — C02+H2此外，如果將重整器中產(chǎn)生的所有反應(yīng)匯總，則進(jìn)行[化學(xué)式3]所示的反應(yīng)。[化學(xué)式3]CH4+2H20 — C02+4H2但是，通過重整器生成的重整氣體中除了氫氣以外還包含10%左右的一氧化碳。 而且，在燃料電池3的運轉(zhuǎn)溫度區(qū)中，一氧化碳會使負(fù)極2a所含的催化劑中毒，而使其催化劑活性降低。因此，在一氧化碳轉(zhuǎn)化器中如[化學(xué)式2]的反應(yīng)式所示那樣將重整器中產(chǎn)生的一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。由此，一氧化碳的濃度減少到約5000ppm。進(jìn)一步，在一氧化碳去除器中通過[化學(xué)式4]所示的反應(yīng)，利用從大氣中等取入的氧氣選擇性地將降低了濃度后的一氧化碳氧化。由此，一氧化碳的濃度減少到能夠抑制負(fù)極2a的催化劑的催化劑活性降低的約IOppm以下。這樣，在燃料處理器103中生成充分降低了一氧化碳的濃度的燃料氣體，將其提供給燃料電池3的負(fù)極2a。此外，在本實施方式1中，在采用燃料電池3為磷酸型燃料電池那樣難以受到一氧化碳的影響的燃料電池的情況下，燃料處理器103也可以構(gòu)成為不具有
一氧化碳轉(zhuǎn)化器、一氧化碳去除器。
[化學(xué)式4]
CO+ 1/2O2 —co2另外，能夠通過在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)置在發(fā)電過程中對負(fù)極加提供空氣的抽氣供給器，來在燃料處理器103中生成的燃料氣體中混合 2%左右的空氣，能夠通過在負(fù)極加處將燃料氣體中殘存少許的一氧化碳氧化成二氧化碳來進(jìn)一步減輕該一氧化碳的影響。此外，燃料氣體供給機構(gòu)10不限于上述水蒸氣重整法，也可以采取自熱 (Autothermal)法等制氫方法，另外，在燃料氣體中含有的一氧化碳濃度低的情況下，能夠省略抽氣供給器。并且，氧化劑氣體供給機構(gòu)11包括氧化劑氣體流量控制器111，其控制氧化劑氣體的流量；雜質(zhì)去除器112，其以某種程度去除氧化劑氣體中的雜質(zhì)；以及加濕器113，其對氧化劑氣體進(jìn)行加濕。在此，氧化劑氣體是指至少含有氧(或者能夠提供氧)的氣體的總稱，例如可以利用大氣(空氣)。并且，雜質(zhì)去除器112包括除塵過濾器、酸性氣體去除過濾器以及堿性氣體去除過濾器，該除塵過濾器去除大氣中的塵埃，該酸性氣體去除過濾器去除二氧化硫、硫化氫等硫系雜質(zhì)和氮氧化物等大氣中的酸性氣體，該堿性氣體去除過濾器去除氨等大氣中的堿性氣體。此外，在雜質(zhì)去除器112中，根據(jù)設(shè)置環(huán)境、燃料電池3的抗污染性等，能夠省略各個過濾器ο冷卻機構(gòu)12包括冷卻流體罐121，其貯存用于冷卻堆疊體的冷卻流體；冷卻流體泵122，其用于提供冷卻流體；以及熱交換器123，其與在冷卻流體流路5中流通且與燃料電池3中產(chǎn)生的熱進(jìn)行了熱交換后的冷卻流體進(jìn)一步進(jìn)行熱交換來制作熱水。另外，在堆疊體中設(shè)置有用于檢測該堆疊體的電池電壓的電壓檢測器。而且，在連接氧化劑氣體供給機構(gòu)11和燃料電池3的配管(氧化劑氣體供給路徑)上設(shè)置有氧化劑氣體供給閥(未圖示)。另外，燃料電池3上連接有排出正極2b處未使用的氧化劑氣體等氣體的配管(氧化劑氣體排出路徑)，該氧化劑氣體排出路徑上設(shè)置有氧化劑氣體排出閥(未圖示)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，通過在燃料電池3停止發(fā)電的期間關(guān)閉氧化劑氣體供給閥和氧化劑氣體排出閥，可切斷從外部進(jìn)入正極2b的氧，從而使正極2b內(nèi)的氧濃度迅速降低，正極2b 的電極電位迅速下降而保持低電位。因而，能夠高效地還原正極2b的催化劑以使其活化。接著，使用圖2所示的電路結(jié)構(gòu)圖來說明本發(fā)明的實施方式1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)。在圖2中，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)14通過設(shè)置于家庭內(nèi)的配電盤15與商用電源16相連接。另外，家庭內(nèi)所使用的設(shè)備作為外部負(fù)載17連接在配電盤15與燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 14之間，在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)14未發(fā)電時，從商用電源16提供外部負(fù)載17的交流電力，在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)14發(fā)電時，從燃料電池發(fā)電系統(tǒng)14提供外部負(fù)載17的交流電力，不足的部分由商用電源16來提供。
能夠通過逆變器(inverter)等電力輸出器18將燃料電池3所產(chǎn)生的直流電力轉(zhuǎn)換為交流電力，來對外部負(fù)載17提供交流電力。能夠?qū)㈦娏敵銎?8的輸出控制為0% 100%。此外，電力輸出器18也可以通過DC/DC逆變器向外部負(fù)載17提供直流電力。另外，構(gòu)成為如下結(jié)構(gòu)在燃料電池3未發(fā)電的啟動時或停止時等，從商用電源16 提供內(nèi)部負(fù)載21的驅(qū)動電源和控制電源的電力，在燃料電池3發(fā)電時，通過DC/DC逆變器從燃料電池3提供內(nèi)部負(fù)載21的驅(qū)動電源和控制電源的電力，其中，該內(nèi)部負(fù)載21包括使燃料電池3進(jìn)行動作所需的、位于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)14內(nèi)部的泵、風(fēng)扇、電磁閥、加熱器等輔機19以及控制器20等。另外，AC/DC逆變器221、222對輔機19以及控制器20提供來自商用電源16的電力，電源切換部231、232將輔機19以及控制器20的電力供給源切換為商用電源16或燃料電池3。另外，控制器20能夠控制燃料電池3的啟動、發(fā)電、停止的動作，并且能夠控制冷卻機構(gòu)12、內(nèi)部負(fù)載21以及電力輸出器18的動作。另外，控制器20只要是對構(gòu)成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的各設(shè)備進(jìn)行控制的設(shè)備，則可以是任何方式，例如，具備運算處理部和存儲部，該運算處理部例示為微處理器、CPU等，該存儲部由保存了用于執(zhí)行各控制動作的程序的存儲器等構(gòu)成。此外，控制器20并不限于由單獨的控制器構(gòu)成的方式，也可以是由多個控制器協(xié)作執(zhí)行燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的控制的以控制器群構(gòu)成的方式。另外，控制器20也可以由微控制器構(gòu)成，還可以由MPU、PLC(Programmable Logic Controller 可編程邏輯控制器)、邏輯電路等構(gòu)成。[燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的動作]接著，使用圖1和圖2來說明上述結(jié)構(gòu)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電時的動作。此外， 通過由控制器20對構(gòu)成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的各設(shè)備進(jìn)行控制來進(jìn)行下面的各個動作。首先，在圖1中，對負(fù)極2a提供燃料氣體，對正極2b提供氧化劑氣體，當(dāng)將負(fù)載連接在燃料電池3上時，燃料氣體中的氫如反應(yīng)式[化學(xué)式5]所示那樣在負(fù)極2a的催化劑層與電解質(zhì)1的界面處放出電子而成為氫離子。[化學(xué)式5]H2 —2H++2e-然后，放出電子而得到的氫離子通過電解質(zhì)1向正極2b移動，在正極2b的催化劑層與電解質(zhì)1的界面處接收電子。此時，該氫離子與提供到正極2b的氧化劑氣體中的氧進(jìn)行反應(yīng)而如反應(yīng)式[化學(xué)式6]所示那樣生成水。[化學(xué)式6]
權(quán)利要求
1.一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，具備燃料電池，其利用提供到負(fù)極的燃料氣體和提供到正極的氧化劑氣體來進(jìn)行發(fā)電； 燃料氣體供給機構(gòu)，其對上述負(fù)極提供燃料氣體； 氧化劑氣體供給機構(gòu)，其對上述正極提供氧化劑氣體；電力輸出器，其將由上述燃料電池發(fā)電得到的電力提供給燃料電池系統(tǒng)的內(nèi)部負(fù)載以及外部負(fù)載；冷卻機構(gòu)，其構(gòu)成為對上述燃料電池進(jìn)行冷卻；以及控制器，其構(gòu)成為進(jìn)行第一工序之后進(jìn)行第二工序，在該第一工序中，該控制器對從上述電力輸出器向上述內(nèi)部負(fù)載和上述外部負(fù)載中的至少一方的負(fù)載提供的電力進(jìn)行控制， 以使上述燃料電池的電壓暫時大于等于第一電壓，該第一電壓是附著在上述正極上的硫化合物發(fā)生氧化的電壓，在該第二工序中，該控制器利用上述冷卻機構(gòu)來冷卻上述燃料電池以使該燃料電池內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)，并且停止從上述氧化劑氣體供給機構(gòu)提供上述氧化劑氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 上述控制器構(gòu)成為在每次上述燃料電池發(fā)電的累計時間達(dá)到第一發(fā)電累計時間時，進(jìn)行上述第一工序， 在每次上述燃料電池發(fā)電的累計時間達(dá)到比上述第一發(fā)電累計時間長的第二發(fā)電累計時間時，進(jìn)行上述第二工序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 上述控制器控制為在每次對上述氧化劑氣體的供給量進(jìn)行累計而得到的氧化劑氣體累計供給量達(dá)到第一累計供給量時，進(jìn)行上述第一工序，在每次上述氧化劑氣體累計供給量達(dá)到比上述第一累計供給量大的第二累計供給量時，進(jìn)行上述第二工序。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 還具有電壓檢測器，該電壓檢測器測量上述燃料電池的電壓， 上述控制器控制為在每次上述燃料電池發(fā)電的累計時間達(dá)到第一發(fā)電累計時間時，進(jìn)行上述第一工序， 在每次對上述電壓檢測部所檢測到的電壓小于等于比上述第一電壓低的第二電壓的時間進(jìn)行累計而得到的累計值達(dá)到第一電壓累計時間時，進(jìn)行上述第二工序。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中的任一項所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，還具備第一繼電器，該第一繼電器允許/切斷上述外部負(fù)載與上述燃料電池之間的電連接，上述控制器構(gòu)成為在上述第一工序中，利用上述第一繼電器來切斷上述外部負(fù)載與上述燃料電池之間的連接，以停止對上述外部負(fù)載提供電力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任一項所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，上述控制器構(gòu)成為在上述第二工序中，使上述電力輸出器向上述內(nèi)部負(fù)載和上述外部負(fù)載中的至少一方的負(fù)載提供的電力降低。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任一項所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，上述控制器構(gòu)成為在上述第二工序中，使上述電力輸出器停止向上述內(nèi)部負(fù)載和上述外部負(fù)載提供電力。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，還具備 第一繼電器，其允許/切斷上述外部負(fù)載與上述燃料電池之間的電連接；以及第二繼電器，其允許/切斷上述內(nèi)部負(fù)載與上述燃料電池之間的電連接，上述控制器構(gòu)成為在上述第二工序中，利用上述第一繼電器來切斷上述外部負(fù)載與上述燃料電池之間的連接，利用上述第二繼電器來切斷上述內(nèi)部負(fù)載與上述燃料電池之間的連接，從而停止向上述內(nèi)部負(fù)載和上述外部負(fù)載提供電力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8中的任一項所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，還具備 氧化劑氣體供給路徑，其連接上述氧化劑氣體供給機構(gòu)和上述燃料電池的上述正極； 第一閥，其設(shè)置于上述氧化劑氣體供給路徑上；氧化劑氣體排出路徑，其與上述燃料電池的上述正極相連接，排出被提供到上述燃料電池的上述正極的氧化劑氣體；以及第二閥，其設(shè)置于上述氧化劑氣體排出路徑上，上述控制器構(gòu)成為在上述第二工序中，通過利用上述第一閥和上述第二閥封閉上述燃料電池的上述正極，來停止從上述氧化劑氣體供給機構(gòu)對上述正極提供上述氧化劑氣體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9中的任一項所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 上述控制器在上述第一工序中對上述燃料氣體供給機構(gòu)和上述氧化劑氣體供給機構(gòu)進(jìn)行控制，以減少上述燃料氣體和上述氧化劑氣體的供給量。
11.一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法， 上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具備燃料電池，其利用提供到負(fù)極的燃料氣體和提供到正極的氧化劑氣體來進(jìn)行發(fā)電； 燃料氣體供給機構(gòu)，其對上述負(fù)極提供燃料氣體； 氧化劑氣體供給機構(gòu)，其對上述正極提供氧化劑氣體；電力輸出器，其將由上述燃料電池發(fā)電得到的電力提供給燃料電池系統(tǒng)的內(nèi)部負(fù)載以及外部負(fù)載；以及冷卻機構(gòu)，其構(gòu)成為對上述燃料電池進(jìn)行冷卻， 該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法包括以下的工序第一工序，對從上述電力輸出器向上述內(nèi)部負(fù)載和上述外部負(fù)載中的至少一方的負(fù)載提供的電力進(jìn)行控制，以使上述燃料電池的電壓暫時大于等于第一電壓，該第一電壓是附著在上述正極上的硫化合物發(fā)生氧化的電壓；以及第二工序，其在上述第一工序之后，利用上述冷卻機構(gòu)來冷卻上述燃料電池以使該燃料電池內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)，并且停止從上述氧化劑氣體供給機構(gòu)提供上述氧化劑氣體。
全文摘要
本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具備燃料電池(3)、燃料氣體供給機構(gòu)(10)、氧化劑氣體供給機構(gòu)(11)、電力輸出器(18)、冷卻機構(gòu)(12)、以及控制器(20)，其中，控制器(20)構(gòu)成為進(jìn)行第一工序之后進(jìn)行第二工序，在該第一工序中，對從電力輸出器(18)向內(nèi)部負(fù)載(21)和外部負(fù)載(17)中的至少一方的負(fù)載提供的電力進(jìn)行控制，以使燃料電池(3)的電壓暫時大于等于附著在正極(2b)上的硫化合物發(fā)生氧化的第一電壓，在該第二工序中，利用冷卻機構(gòu)(12)來冷卻燃料電池(3)以使該燃料電池(3)內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)，并且停止從氧化劑氣體供給機構(gòu)(11)提供氧化劑氣體。
文檔編號H01M8/10GK102301515SQ20108000627
公開日2011年12月28日 申請日期2010年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月2日
發(fā)明者中山淳, 中村彰成, 柴田礎(chǔ)一, 梅田孝裕, 菅原靖 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社