CN100411234C - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统，其在燃料电池的运行停止时进行向阳极和/或阴极供给惰性气体的清洗操作，当将阳极的入口侧流路的压力Pa与阴极的入口侧流路的压力Pc的压差定义为ΔP＝Pa-Pc时，控制清洗时的压差，以使运行状态时的压差ΔPo与清洗时的压差ΔPp满足0＜ΔPo×ΔPp的关系。由此，可以减小对固体电解质膜的压力，提高燃料电池的长期可靠性。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及使用固体高分子型燃料电池进行发电的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池基本上由夹着具有离子传导性的电解质的一对电极，即阳极和阴极，以及夹有它们的阳极侧隔板和阴极侧隔板构成。阳极侧隔板具有向阳极供给燃料的流路，阴极侧隔板具有向阴极供给氧化剂的流路。通过向阳极供给燃料，例如氢气或乙醇等，向阴极供给氧化剂，例如氧气或空气，并通过在各电极上发生的氧化或还原反应，将这些反应物质所具有的化学能转化为电能，并产生电流。
在这样的燃料电池中，有一种使用具有氢离子传导性的高分子膜作为电解质，使用氢气或以氢气为主要成分的混合气体作为燃料，使用氧气或空气等气体作为氧化剂的类型。在该燃料电池中，氢气在阳极上通过式(1)的反应被氧化产生电子和氢离子。氢离子在固体电解质膜中移动而到达阴极侧。另一方面，电子经过外部电路到达阴极，在阴极的氧气和电子以及氢离子通过式(2)的反应被还原生成水。
2H2→4H++4e        (1)
4H++O2+4e→2H2O    (2)
该燃料电池的电解质固体高分子膜只在湿润状态下才发挥离子导电性。因此，要维持高发电性能，只有由式(2)的反应生成的水分是不够的，需要从外部补给水分。一般来说，向燃料电池供给运行所需的水分的方法采用，使用在燃料电池的本体内部或外部设置的，用于加湿向燃料电池供给的气体的装置。
此外，该燃料电池的运行温度由于受到电解质固体高分子膜的耐热性能的制约，通常为90℃以下。但是，由于式(1)和(2)的反应在90℃以下的环境中难以发生，所以，前述的阳极和阴极需要具备具有活化这些反应的作用的催化剂。因此，在该燃料电池的阳极和阴极上使用催化性能高的铂。
作为具备这种燃料电池的现有的燃料电池系统的一例，有一种具有图1中所示的构成的系统(例如，参照专利文献1)。即，该系统包括燃料电池10，其通过使从氢气供给装置11供给的氢气，和从空气供给装置12通过加湿器13被加湿并供给的空气中的氧气进行反应而发电。包括，为了回收电极反应的热而使冷却水在燃料电池10中循环的泵16，以及将由燃料电池10发电的直流电转换为交流的逆变器25。经过泵16循环的冷却水将从燃料电池中得到的热能在热交换器19中释放。另一方面，通过泵17循环的热水储槽18内的水从热交换器19吸收热，以温水被储存在热水储槽18中。
在该现有的系统中，在燃料电池10的与燃料气体入口14a连接的流路14和与空气入口15a连接的流路15中，分别设置了三通阀21和22。其被构造成为，在燃料电池10停止运行时，通过惰性气体气瓶20将惰性气体供给给燃料气体流路和空气流路中。14b为燃料气体的出口，15b为空气的出口。
以该例为代表的燃料电池系统，为了有效地使用燃料气体的化学能，需要根据供给端的电力需要而改变运行输出或反复进行启动或停止操作。但是，在启动和停止作为发电源的燃料电池时，由于存在以下的问题，所以需要将阳极或阴极的任何一极或两极的气体置换成惰性气体，即需要进行惰性气体清洗。
首先，作为启动和停止时的问题点，可以举出：第一，从安全性的观点出发，需要从停止时的燃料电池中除去氢气。这是因为，由于隔开阳极和阴极的固体高分子膜透过氧气和氢气，在燃料电池长时间维持运行停止状态时，氢气和氧气成为混合状态。
第二，从发电效率的观点出发，需要除去阴极中的氧气。这是因为，在无负荷状态下阴极中存在氧气时，阴极变成相对于标准氢电极约1V的电位，该电位引起电极催化剂铂的氧化反应和溶解反应，从而降低电极的催化能力。
第三，从启动的稳定性的观点出发，需要除去阳极和阴极中的水蒸气。由于向燃料电池供给的气体已经被加湿，而且加上由式(2)的反应的生成水，燃料电池内部的气体在运行时的温度下处于相对湿度接近100％的状态。虽然燃料电池的运行温度通常为60℃～80℃，但在燃料电池停止时，在燃料电池内部滞留的气体被冷却到室温附近。因此，气体中的水分凝集。燃料电池在启动时，由于燃料电池处于温度低的状态，该凝集水以液体的状态滞留在电池内。该凝集的水分覆盖铂表面，或者堵塞多孔体气体扩散层的孔，引起隔板的气体流路的闭塞，因而阻碍气体的扩散，启动时发电不稳定。
作为用于解决这些问题的清洗方法，最通常的方法是，如图1所示，在系统中装载氮气等惰性气体的气瓶20，通过燃料电池10的燃料气体入口14a侧的流路14和空气的入口15a侧的流路15，以气瓶的压力为动力，在燃料电池停止时供给惰性气体的方法。其它目前已被提出的方法有：由冷却水清洗的方法(例如，专利文献2)；除去阴极排出气体中的氧气后，再向燃料电池供给的方法(例如，专利文献3)；将燃料氢气和空气燃烧后，向燃料电池供给的方法(例如，专利文献4)等。
专利文献1：日本特开平11-214025号公报
专利文献2：日本特开平06-251788号公报
专利文献3：日本特开平06-203865号公报
专利文献4：日本特开2002-50372号公报
发明内容
现有技术的清洗的目的在于，将停止时燃料电池中存在的气体置换成惰性气体。此外，如果考虑燃料电池的启动和停止特性，希望清洗时间尽可能短。因此，作为满足这些要求的清洗条件，希望提供一种清洗方法，其通过供给大流量的惰性气体，在短时间内置换燃料电池内的气体。
但是，当运行时供给的气体量与清洗时供给的气体量之间的差别大时，存在燃料电池内阳极与阴极之间的压差急剧变化的问题。
该类型的燃料电池通常使用几十微米的厚度的固体高分子膜。该固体高分子膜除了要求具有电解质的功能之外，还要求具有隔离阳极的燃料气体和阴极的氧化剂气体的功能。固体高分子膜由于阳极与阴极间的压差通常成为形变的状态。该形变量的急剧的变化会使固体高分子膜的强度降低，因此，由于日常运行的反复启动和停止引起的固体高分子膜达到破损所用的时间变短。特别地，如果运行时和清洗时的阳极和阴极的压力损失的大小成逆转关系，固体高分子膜会从阳极侧向阴极侧振动，因而会使固体高分子膜的强度显著降低。即，根据现有技术的清洗方法反复地进行不控制压差的清洗所存在的课题在于，降低燃料电池的长期可靠性。
本发明就是为了解决上述现有技术中的课题而完成的，其目的在于，测定阳极燃料气体与阴极氧化剂气体的压力，根据该测定值控制阳极或者阴极的压力，由此，提高反复进行启动和停止的燃料电池的长期可靠性。
为了解决上述现有的课题，本发明的燃料电池系统具备：燃料电池、向前述燃料电池的阳极供给燃料气体的燃料气体供给装置、向前述燃料电池的阴极供给氧化剂气体的氧化剂气体供给装置、向前述燃料电池的阳极和/或阴极供给惰性气体的惰性气体供给装置、测定前述燃料电池的阳极的入口侧流路的压力Pa和阴极的入口侧流路的压力Pc的装置。该燃料电池系统被构成为，在前述燃料电池启动或停止时，通过前述惰性气体供给装置进行将前述燃料电池内的燃料气体和/或氧化剂气体置换成惰性气体的清洗操作。该燃料电池系统还具备根据前述燃料电池的清洗时的Pa和Pc的值增加或减少向前述燃料电池供给的惰性气体的供给量的控制装置，当将压差定义为ΔP＝Pa-Pc时，运行状态时的压差ΔPo与清洗时的压差ΔPp满足0＜ΔPo×ΔPp以及|ΔPp|≤|ΔPo|的关系。
根据本发明，可以有效地控制ΔPo与ΔPp的关系，因此，可以防止甚至是暂时的ΔPo×ΔPp＜0的关系。
这里，ΔPo与ΔPp更优选是ΔPo＝ΔPp的关系。
本发明的另一个优选的实施方式中包括，改变从前述燃料电池排出气体的出口侧流路的内径的装置，和根据前述燃料电池的清洗时的Pa和Pc的值改变前述内径的装置。根据该实施方式，与上述同样地，可以有效控制ΔPo与ΔPp的关系。
根据本发明可以将在燃料电池启动或停止时进行的清洗时的压差控制成希望的状态。
根据本发明，在运行中和清洗操作中，可以将电解质膜的阳极侧或阴极侧的压力始终控制得总是比另一侧的压力大。因此，可以抑制在启动或停止时的清洗情况下产生的固体高分子膜的振动引起的强度下降。从而可以提供在伴随着启动·停止的长期运行中具有高可靠性的燃料电池系统。
附图说明
图1是表示现有的燃料电池系统的概略构成的图。
图2是表示本发明的实施方式1的燃料电池系统的构成的图。
图3是表示本发明的实施方式2的燃料电池系统的构成的图。
图4是表示本发明的实施方式3的燃料电池系统的构成的图。
图5是表示本发明的实施方式4的燃料电池系统的构成的图。
图6是表示本发明的实施方式5的燃料电池系统的构成的图。
图7是表示本发明的实施方式6的燃料电池系统的构成的图。
图8是表示本发明的实施例和比较例的燃料电池堆的循环试验中的输出电压的变化图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
实施方式1
图2是表示根据本发明的实施方式1的燃料电池系统的构成图。
实施方式1中的燃料电池系统包括，使用燃料气体和氧化剂气体进行发电的固体高分子型的燃料电池10，对天然气等原料进行水蒸气重整、向燃料电池10供给生成的富氢气体的氢气供给装置11，吸入外部空气作为氧化剂气体的空气供给装置12，以及给吸入的空气予以必要的湿度的加湿器13。还包括，为了回收燃料电池10发电时产生的热而使冷却水循环的泵16，用于回收·储存由该冷却水回收的热能的热交换器19，热水储槽18以及使热水储槽18内的水通过热交换器19循环的循环泵17，将由燃料电池10发电的直流电转换为交流电的逆变器25。还包括，在运行停止时用于向燃料电池10供给惰性气体的惰性气体气瓶20等。
虽然以上的构成要素与现有技术的系统相同，但是，在本实施方式进一步还包括，用于测定燃料气体的入口14a侧的流路14和空气入口15a侧的流路15的压力的压力计31和32，用于控制向各个入口供给的惰性气体的流量的质量流量控制器33和34，用于存储由压力计31和32测定的压力、并根据其值控制质量流量控制器33和34的控制器30。
这里的惰性气体是指氦气和氩气等稀有气体、氮气、脱硫后的天然气和水蒸气等，不会引起在0℃～100℃的高湿气氛下的铂上成为单电极的氧化还原反应的气体。
在实施方式1中，运行停止时的清洗步骤如下。
当外部电路的电力需求消失，对燃料电池系统发出停止信号时，首先，燃料电池系统的输出降低到最小输出。此时，质量流量控制器33和34的流量设定为可控制的最小流量值。为了使燃料电池内的气流稳定，在最小输出状态下保持一定时间后，由控制器30记录由压力计31和32观测的燃料气体入口14a和空气入口15a的压力。
然后，打开通向逆变器25的电路后，停止氢气供给装置11和空气供给装置12。
然后，比较由控制器30记录的压力的大小，打开与压力大的一方的入口(例如14a)连接的惰性气体流路的阀门21，通过质量流量控制器33阶段性地增加惰性气体的流量，直至达到目标流量。
然后，打开与另一个入口(例如15a)连接的惰性气体流路的阀门22，同样阶段性地增加惰性气体的流量。然后，当清洗时的两入口侧流路的压力差的绝对值|ΔPp|变得小于运行中的压力差的绝对值|ΔPo|时，停止惰性气体的流量的增加，保持此时的流量。
以该状态向燃料电池内供给惰性气体规定时间后，与供给惰性气体时相反，关闭与被记录的压力较小方的入口(例如15a)连接的惰性气体流路的阀门22，然后，关闭与另一个入口(例如14a)连接的惰性气体流路的阀门21。以上是燃料电池停止时的步骤。
再启动时的清洗步骤如下所述。
当外部电路发生电力需要，对燃料电池系统发出启动信号时，首先，将质量流量控制器33和34的流量设定为可控制的最小流量值。然后，由控制器30比较上次停止时记录的压力的大小，打开与压力大的入口(例如14a)连接的惰性气体流路的阀门21，通过质量流量控制器33阶段性地增加惰性气体的流量直至达到目标流量。然后，打开与另一个入口(例如15a)连接的惰性气体流路的阀门22，同样阶段性地增大惰性气体的流量。然后，当清洗时的压差的绝对值|ΔPp|变得小于运行时的压差的绝对值|ΔPo|时，停止惰性气体的流量的增加，保持此时的流量。
以该状态向燃料电池内供给惰性气体规定时间后，与供给惰性气体时相反，关闭与被记录的压力较小方的入口(例如15a)连接的惰性气体流路的阀门22，然后，关闭与另一个入口(例如14a)连接的惰性气体流路的阀门21。
然后，启动氢气供给装置11和空气供给装置12，在这些燃料气体和空气充分进入到燃料电池10内的时间内，保持该状态，然后，关闭通向逆变器25的电路，开始发电。以上是燃料电池启动的步骤。
上述启动和停止的步骤中，更优选后供给惰性气体的入口(例如15a)的压力上升至与先供给惰性气体的入口(例如14a)的压力相同的压力。
如果采用实施方式1的燃料电池系统的构成和清洗方法，在运行时和清洗时，燃料电池10中的固体电解质膜总是受到来自同一方向的由压差引起的力，因而不会促进由振动引起的强度的恶化。因此，可以提供在伴随着启动和停止的长期运行中可靠性高的燃料电池系统。
实施方式2
图3是表示根据本发明的实施方式2的燃料电池系统的构成图。
在实施方式2中，燃料电池系统在实施方式1说明的现有技术的系统中，作为惰性气体气瓶20的替代，将通过鼓风机41和42从系统外部导入的空气，通过燃烧机43和44消耗空气中的氧气，以此来制成惰性气体氮气，并将其作为清洗气体向燃料电池供给。进一步，还包括用于测定燃料气体的入口14a侧的流路14和空气入口15a侧的流路15的压力的压力计31和32，用于存储压力计31和32测定的压力并根据其值控制鼓风机41和42的输出的控制器30。
在实施方式2中，停止时的清洗步骤如下。
当外部电路的电力需求消失，对燃料电池系统发出停止信号时，首先，燃料电池系统的输出降低到最小输出。接着，为了使燃料电池内的气流稳定，在最小输出状态下保持一定时间后，由控制器30记录压力计31和32观测的燃料气体入口14a侧的流路14和空气入口15a侧的流路15的压力。
然后，打开通向逆变器25的电路后，停止氢气供给装置11和空气供给装置12，点火燃烧机43和44。
然后，比较控制器30记录的压力的大小，启动与压力大的入口(例如14a)连接的鼓风机41，同时，打开通向燃料电池10的气体流路的阀门21。然后，增大鼓风机41的输出，并阶段性地增大惰性气体的流量直至达到目标流量。
然后，启动与另一个入口(例如15a)连接的鼓风机42，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门22，同样阶段性地增加惰性气体的流量。然后，当清洗时的压差的绝对值|ΔPp|变得小于运行时的压差的绝对值|ΔPo|时，停止惰性气体流量的增加，保持对应此时的鼓风机的输出。
以该状态运行鼓风机规定时间后，与鼓风机启动时相反，关闭与被记录的压力较小的入口(例如15a)连接的鼓风机侧的阀门22，然后关闭与另一个入口(例如14a)连接的鼓风机侧的惰性气体流路的阀门21。以上是燃料电池停止时的步骤。
再启动时的清洗的步骤如下。
当外部电路发生电力需要，对燃料电池系统发出启动信号时，首先点火燃烧机43和44，接着由控制器30比较上次停止时记录的压力的大小，启动与压力大的入口(例如14a)连接的鼓风机41，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门21。然后，增大鼓风机41的输出，并阶段性地增大惰性气体的流量直至达到目标流量。启动与另一个入口(例如15a)连接的鼓风机42，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门22，同样阶段性地增大惰性气体的流量。然后，当清洗时的压差的绝对值|ΔPp|变得小于运行时的压差的绝对值|ΔPo|时，停止惰性气体流量的增大，保持此时的流量。
以该状态运行鼓风机规定时间后，与运行鼓风机时相反，关闭与被记录的压力较小的入口(例如15a)连接的阀门22，然后关闭另一个阀门21。
然后，启动氢气供给装置11和空气供给装置12，在这些燃料气体和空气充分进入到燃料电池10内的时间内，保持该状态，然后，关闭通向逆变器25的电路，开始发电。以上是燃料电池启动的步骤。
上述启动和停止的步骤中，更优选后供给惰性气体的入口的压力上升至与先供给惰性气体的入口的压力相同的压力。
如果采用实施方式2的燃料电池系统的构成和清洗方法，则与实施方式1同样地，可以提供在伴随着启动和停止的长期运行中可靠性高的燃料电池系统。
实施方式3
图4是表示根据本发明的实施方式3的燃料电池系统的构成图。
在实施方式3中，燃料电池系统在实施方式1说明的现有技术的系统中，作为惰性气体气瓶20的替代，将通过升压泵51和52从系统外部导入的城市煤气作为惰性气体向燃料电池供给。进一步，还包括用于测定燃料气体的入口14a侧的流路14和空气入口15a侧的流路15的压力的压力计31和32，用于存储这些压力计测定的压力并根据其值控制升压泵51和52的输出的控制器30。
在实施方式3中，停止时的清洗步骤如下。
当外部电路的电力需求消失，对燃料电池系统发出停止信号时，首先，燃料电池系统的输出降低到最小输出。接着，为了使燃料电池内的气流稳定，在最小输出状态下保持一定时间后，由控制器30记录压力计31和32观测的燃料气体入口14a侧的流路14和空气入口15a侧的流路15的压力。
然后，打开通向逆变器25的电路后，停止氢气供给装置11和空气供给装置12。
然后，比较控制器30记录的压力的大小，启动与压力大的入口(例如14a)连接的升压泵51，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门21。然后，增大升压泵51的输出，并阶段性地增大城市煤气的流量直至达到目标流量。
然后，启动与另一个入口(例如15a)连接的升压泵52，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门22，同样阶段性地增大城市煤气的流量。然后，当清洗时的压差的绝对值|ΔPp|变得小于运行时的压差的绝对值|ΔPo|时，停止增大城市煤气的流量，保持对此时的升压泵51和52的输出。
以该状态运行升压泵51和52规定时间后，与这些升压泵的启动时相反，关闭与被记录的压力较小的入口(例如15a)连接的升压泵52侧的阀门22，然后关闭与另一个入口(例如14a)连接的升压泵51侧的惰性气体流路的阀门21。以上是燃料电池停止时的步骤。
再启动时的清洗的步骤如下。
当外部电路发生电力需要，对燃料电池系统发出启动信号时，首先，由控制器30比较上次停止时记录的压力的大小，启动与压力大的入口(例如14a)连接的升压泵51，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门21。然后，增大升压泵51的输出而阶段性地增大城市煤气的流量直至达到目标流量。启动与另一个入口(例如15a)连接的升压泵52，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门22，同样阶段性地增大城市煤气的流量。
然后，当清洗时的压差的绝对值|ΔPp|变得小于运行时的压差的绝对值|ΔPo|时，停止城市煤气流量的增大，保持此时的流量。
以该状态运行升压泵51和52规定时间后，与这些升压泵运行时相反，关闭与被记录的压力较小的入口(例如15a)连接的阀门22，然后关闭另一个阀门21。
然后，启动氢气供给装置11和空气供给装置12，在这些燃料气体和空气充分进入到燃料电池10内的时间内，保持该状态，然后，关闭通向逆变器25的电路，开始发电。以上是燃料电池启动的步骤。
上述启动和停止的步骤中，更优选后供给城市煤气的入口的压力上升至与先供给城市煤气的入口的压力相同的压力。
如果采用实施方式3的燃料电池系统的构成和清洗方法，则与实施方式1同样地，可以提供在伴随着启动和停止的长期运行中可靠性高的燃料电池系统。
实施方式4
图5是表示根据本发明的实施方式4的燃料电池系统的构成图。
在实施方式4中，燃料电池系统在实施方式1说明的现有技术的系统中，作为惰性气体气瓶20的替代，通过升压泵52将从系统外部导入的城市煤气作为惰性气体向空气流路供给。进一步，还包括用于测定燃料气体的入口14a侧的流路14和空气入口15a侧的流路15的压力的压力计31和32，用于存储这些压力计测定的压力并根据其值控制升压泵52的输出的控制器30。此外，在燃料气体的入口14a侧的流路14中设置有电磁阀61，在燃料气体的出口14b侧的流路中设置有电磁阀62。关于运行中的燃料气体的流路和空气的流路的压力，燃料电池10通常被设计成，空气的入口15a侧的流路的压力较大。
在实施方式4中，停止时的清洗步骤如下。
当外部电路的电力需求消失，对燃料电池系统发出停止信号时，首先，燃料电池系统的输出降低到最小输出。接着，为了使燃料电池内的气流稳定，在最小输出状态下保持一定时间后，由控制器30记录压力计31和32观测的燃料气体入口14a侧的流路14和空气入口15a侧的流路15的压力。
然后，打开通向逆变器25的电路后，停止氢气供给装置11和空气供给装置12。
然后，关闭设置在燃料气体入口14a侧的流路和出口14b侧的流路中的电磁阀61和62，封住燃料电池10的阳极侧。
然后，启动与空气的入口15a侧的流路连接的升压泵52，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门22。然后，阶段性地增大升压泵52的输出，直至达到空气流路中的空气能够被城市煤气充分置换的，设定的目标流量。然后，以该状态运行升压泵52一定的规定时间后，停止升压泵52，关闭与空气的入口15a侧的流路连接的阀门22。以上是燃料电池停止时的步骤。
再启动时的清洗的步骤如下。
当外部电路发生电力需要，对燃料电池系统发出启动信号时，首先启动升压泵52，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门22。然后，增大升压泵52的输出从而阶段性地增大城市煤气的流量，直至达到在停止时进入空气流路中的空气能够被城市煤气充分置换的，设定的目标流量。以该状态运行升压泵52一定的规定时间后，停止升压泵52，关闭与空气的入口15a侧的流路连接的的阀门22。
然后，打开阀门61和62，启动氢气供给装置11和空气供给装置12，在这些燃料气体和空气充分进入到燃料电池10内的时间内，保持该状态，然后，关闭通向逆变器25的电路，开始发电。以上是燃料电池启动的步骤。
如果采用实施方式4的燃料电池系统的构成和清洗方法，则与实施方式1同样地，可以提供在伴随着启动和停止的长期运行中可靠性高的燃料电池系统。
实施方式5
图6是表示根据本发明的实施方式5的燃料电池系统的构成图。
在实施方式5中，燃料电池系统在实施方式1说明的现有技术的系统中，作为惰性气体气瓶20的替代，通过升压泵51将从系统外部导入的城市煤气作为惰性气体向燃料气体流路供给。进一步，还包括用于测定燃料气体的入口14a侧的流路14和空气入口15a侧的流路15的压力的压力计31和32，用于存储这些压力计测定的压力并根据其值控制升压泵51的输出的控制器30。此外，在空气的入口15a侧的流路15中设置有电磁阀63，在空气的出口15b侧的流路中设置有电磁阀64。关于运行中的燃料气体的流路和空气的流路的压力，燃料电池10通常被设计成，空气的入口15a侧的流路的压力较大。
在实施方式5中，停止时的清洗步骤如下。
当外部电路的电力需求消失，对燃料电池系统发出停止信号时，首先，燃料电池系统的输出降低到最小输出。接着，为了使燃料电池内的气流稳定，在最小输出状态下保持一定时间后，由控制器30记录压力计31和32观测的燃料气体入口14a侧的流路和空气入口15a侧的流路的压力。
然后，打开通向逆变器25的电路后，停止氢气供给装置11和空气供给装置12。
然后，关闭设置在空气入口15a侧的流路和出口15b侧的流路中的电磁阀63和64，封住燃料电池10的阴极侧。
然后，启动在燃料气体的入口14a侧的流路连接的升压泵51，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门21。然后，阶段性地增大升压泵51的输出，直至达到燃料气体流路中的氢气能够被城市煤气充分置换的，设定的目标流量。然后，以该状态运行升压泵51一定的规定时间后，停止升压泵51，关闭与燃料气体的入口14a侧的流路连接的阀门21。以上是停止燃料电池的步骤。
再启动时的清洗的步骤如下。
当外部电路发生电力需要，对燃料电池系统发出启动信号时，首先，启动升压泵51，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门21。然后，增大升压泵51的输出，阶段性地增大城市煤气的流量，直至达到燃料气体流路中的氢气能够被城市煤气充分置换的，设定的目标流量。以该状态运行升压泵51一定的规定时间后，停止升压泵51，关闭与燃料气体的入口14a侧的流路连接的阀门21。
然后，打开阀门63和64，启动氢气供给装置11和空气供给装置12，在这些燃料气体和空气充分进入到燃料电池10内的时间内，保持该状态，然后，关闭通向逆变器25的电路，开始发电。以上是燃料电池启动的步骤。
如果采用实施方式5的燃料电池系统的构成和清洗方法，则与实施方式1同样地，可以提供在伴随着启动和停止的长期运行中可靠性高的燃料电池系统。
实施方式6
图7是表示根据本发明的实施方式6的燃料电池系统的构成图。
在实施方式6中，燃料电池系统在实施方式1说明的现有技术的系统中，作为惰性气体气瓶20的替代，通过升压泵51和52将从系统外部导入的城市煤气作为惰性气体供给给燃料电池。进一步，还包括用于测定燃料气体的入口14a侧的流路14和空气入口15a侧的流路15的压力的压力计31和32，以及，在燃料气体的出口14b侧的流路和空气的出口15b侧的流路中的，可以改变气体流路的内径的压力调节阀71和72。并且，还包括存储这些压力计31和32测定的压力并根据其值控制压力调节阀71和72的输出的控制器70。
虽然在实施方式6中采用的压力调节阀71和72是改变气体流路的内径的方式，但其它还有加长流路的长度，以及通过弯曲改变流路的阻力的方式等等，不受限于实施方式6采用的的方式。
在实施方式6中，停止时的清洗步骤如下。
当外部电路的电力需求消失，对燃料电池系统发出停止信号时，首先，燃料电池系统的输出降低到最小输出。接着，为了使燃料电池内的气流稳定，在最小输出状态下保持一定时间后，由控制器70记录压力计31和32观测的燃料气体入口14a侧的流路和空气入口15a侧的流路的压力。
然后，打开通向逆变器25的电路后，停止氢气供给装置11和空气供给装置12。
然后，如下控制连接于出口侧流路的压力调节阀71和72。即，比较控制器70记录的入口侧流路的压力的大小，使压力较大的一方(例如燃料气体流路侧的压力调节阀71)成为10％开口率，另一方完全打开。然后，与前述相同，启动与燃料气体的流路连接的升压泵51，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门21。
然后，启动连接于另一方的入口的升压泵52，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门22，阶段性地拧压力调节阀72，使入口侧流路的压力损失上升。然后，当清洗时的压差的绝对值|ΔPp|变得小于运行时的压差的绝对值|ΔPo|时，停止增大城市煤气的流量，保持此时的流量。
以该状态向燃料电池内供给城市煤气以规定时间之后，与供给城市煤气时相反，关闭连接于被记录的压力较小的入口(例如15a)侧的流路的城市煤气流路的阀门22，然后关闭连接于另一方的入口(例如14a)侧的流路的城市煤气流路的阀门21。以上是停止燃料电池的步骤。
再启动时的清洗的步骤如下。
当外部电路发生电力需要，对燃料电池系统发出启动信号时，首先，以如下方式控制连接于出口侧流路的压力调节阀71和72。即，比较控制器70记录的入口侧流路的压力的大小，使压力较大的一方(例如燃料气体流路侧的压力调节阀71)成为10％开口率，另一方完全打开。然后，与前述相同，启动连接于压力较大的一方的流路侧的升压泵51，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门21。
然后，启动连接于另一方的入口侧流路的升压泵52，同时打开通向燃料电池10的气体流路的阀门22，阶段性地拧压力调节阀72，使空气的入口流路的压力损失上升。然后，当清洗时的压差的绝对值|ΔPp|变得小于运行时的压差的绝对值|ΔPo|时，停止城市煤气流量的增大，保持此时的流量。
以该状态向燃料电池内供给城市煤气规定时间后，与供给城市煤气时相反，关闭连接于被记录的压力较小的一方的入口(例如15a)的城市煤气流路的阀门22，然后关闭连接于另一方的入口(例如14a)的城市煤气流路的阀门21。
然后，启动氢气供给装置11和空气供给装置12，在这些燃料气体和空气充分进入到燃料电池10内的时间内，保持该状态，然后，关闭通向逆变器25的电路，开始发电。以上是燃料电池启动的步骤。
上述启动和停止的步骤中，更优选后供给城市煤气的入口的压力上升至与先供给城市煤气的入口的压力相同的压力。
如果采用实施方式6的燃料电池系统的构成和清洗方法，则在运行时和清洗时，燃料电池10中的固体电解质膜总是受到来自同一方向的由压差引起的力，因而不会促进由振动引起的强度的恶化。因此，可以提供在伴随着启动和停止的长期运行中可靠性高的燃料电池系统。
虽然在上述的各实施方式中使用的是具有氢气供给装置11的系统，但也可以从系统外直接供给氢气，与空气同样地由加湿器加湿后向燃料电池中供给。
实施例
根据图2～图7所示的本发明的实施方式1～6，作为实施例1～6实际制作了燃料电池系统，并确认了发明的效果。此外，作为比较例，制作了具有图1所示构成的燃料电池系统。
在实施例和比较例中，作为氢气供给装置11使用了氢气气瓶。此外，作为空气供给装置12、清洗空气用鼓风机和升压泵51和52，使用了鼓风机((株)日立制造所制造VB-004-DN)。
关于燃料电池堆，电极面积为8cm×10cm，隔板的外形尺寸为10cm×20cm，在隔板上设置的气体流路是空气流路的流路阻力较小的设计。将层叠100个这样的单电池的物体作为燃料电池堆使用。
在实施例1和2中，作为惰性气体使用氮气；在实施例4～6中，作为惰性气体使用城市煤气。为了确认实施例的效果，在实施例和比较例中使用的燃料电池堆按照以下的步骤进行了启动和停止的循环实验。在该步骤中，发电时以0.5A/cm2的电流密度发电，使用外部负荷实施控制。此外，在该步骤中，为了考虑温度变化对于燃料电池堆的耐久性的影响，测定了运行停止后燃料电池堆的温度降低至室温附近所需要的时间，其结果为3.2±0.4小时。于是，将停止时间设为4.0小时。
步骤：发电(2.0小时)→停止清洗(1.0小时)→再启动清洗(1.0小时)→停止(4.0小时)→发电(2.0小时)→…(重复)。
用前述步骤重复运行实施实施例1～6和比较例，研究了运行时电压平均值的变化。图8中表示其结果。在图8中，比较例的电压在经过1800个循环以后急剧下降，而与此相对，在实施例1～6中即使经过3000个循环也没有发现电压有大的变化。试验之后，将燃料电池堆中的电池电压降低的单电池拆开，并对此进行了研究，其结果发现电解质膜的与隔板上设置的气体流路相接触的边缘部分发生了破裂。由此确认了本发明的效果。
产业上利用的可能性
本发明的固体高分子型燃料电池系统可用于家庭用热电联合系统(cogeneration system)。此外，也可以用作汽车、公共汽车、小型摩托等车辆用发动机的能源。

Claims (3)

1. 一种燃料电池系统，具备：燃料电池；向所述燃料电池的阳极供给燃料气体的燃料气体供给装置；向所述燃料电池的阴极供给氧化剂气体的氧化剂气体供给装置；向所述燃料电池的阳极和/或阴极供给惰性气体的惰性气体供给装置；测定所述燃料电池的阳极的入口侧流路的压力Pa和阴极的入口侧流路的压力Pc的装置，并且被构成为，在所述燃料电池启动或停止时，通过所述惰性气体供给装置进行将所述燃料电池内的燃料气体和/或氧化剂气体置换成惰性气体的清洗操作，其特征在于，
具备根据所述燃料电池的清洗时的Pa和Pc的值增加或减少向所述燃料电池供给的惰性气体的供给量的控制装置，
当将压差定义为ΔP＝Pa-Pc时，在运行状态时的压差ΔPo与清洗时的压差ΔPp满足0＜ΔPo×ΔPp以及|ΔPp|≤|ΔPo|的关系。
2. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述燃料气体或者所述氧化剂气体的出口侧流路上，具有改变该流路的内径的装置。
3. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述燃料气体以及/或者所述氧化剂气体的出口侧流路上，具有根据所述燃料电池的清洗时的Pa和Pc的值来改变该流路的内径的装置。
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080292921A1 (en) * 2007-05-22 2008-11-27 Balasubramanian Lakshmanan Recovery of inert gas from a fuel cell exhaust stream
CN102160223A (zh) * 2008-09-22 2011-08-17 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
JP5221766B2 (ja) * 2009-09-02 2013-06-26 パナソニック株式会社 燃料電池発電システム及びその運転方法
JP6248376B2 (ja) * 2012-06-19 2017-12-20 日産自動車株式会社 固体酸化物型燃料電池システム
US9960438B2 (en) * 2013-03-14 2018-05-01 Ford Global Technologies, Llc Fuel cell system and method to prevent water-induced damage
JP6187599B2 (ja) * 2013-11-14 2017-08-30 日産自動車株式会社 燃料電池システム
KR101592683B1 (ko) * 2014-04-14 2016-02-12 현대자동차주식회사 연료전지 퍼지 제어 방법
GB201415222D0 (en) * 2014-08-28 2014-10-15 Afc Energy Plc Operation of a fuel cell system
EP3214685B1 (en) * 2014-10-28 2018-11-14 Nissan Motor Co., Ltd Fuel cell system
US10170781B2 (en) * 2015-09-19 2019-01-01 Daimler Ag Shutdown and storage method for fuel cell system at below freezing temperatures
KR102334440B1 (ko) * 2019-02-27 2021-12-01 울산과학기술원 수소 생산을 위한 이차 전지
KR102312048B1 (ko) 2020-02-17 2021-10-13 동명대학교산학협력단 회전형 연료전지

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63116373A (ja) * 1986-11-05 1988-05-20 Hitachi Ltd 燃料電池運転法
JP2003168453A (ja) * 2001-11-30 2003-06-13 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の発電量制御装置

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5853164A (ja) 1981-09-24 1983-03-29 Toshiba Corp 燃料電池装置
JPS63170864A (ja) 1987-01-09 1988-07-14 Hitachi Ltd 保護装置付燃料電池
JP2553341B2 (ja) * 1987-02-26 1996-11-13 株式会社ユニシアジェックス 圧力制御弁
EP0374636A1 (de) * 1988-12-20 1990-06-27 Asea Brown Boveri Ag Verfahren zur Umwandlung von in einem Stoff als chemisches Potential vorliegender Energie in elektrische Energie basierend auf einem elektrochemischen Hochtemperaturprozess
US5059494A (en) 1990-05-10 1991-10-22 International Fuel Cells Fuel cell power plant
JP3062830B2 (ja) * 1991-02-27 2000-07-12 石川島播磨重工業株式会社 燃料電池設備
JPH06203865A (ja) 1993-01-06 1994-07-22 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池システム
JP3297125B2 (ja) 1993-02-25 2002-07-02 三菱重工業株式会社 固体高分子電解質燃料電池の停止保管方法
JPH11214025A (ja) 1998-01-21 1999-08-06 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池装置
JPH11354143A (ja) * 1998-06-04 1999-12-24 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd アノード循環ラインを備えた燃料電池発電装置
JP3636068B2 (ja) * 2000-02-16 2005-04-06 日産自動車株式会社 燃料電池制御装置
JP2002050372A (ja) 2000-08-04 2002-02-15 Honda Motor Co Ltd 燃料電池用パージ装置
JP2002373682A (ja) * 2001-06-15 2002-12-26 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
US6783879B2 (en) * 2002-01-11 2004-08-31 General Motors Corporation Dynamic fuel processor mechanization and control
JP3627707B2 (ja) * 2002-01-23 2005-03-09 富士電機ホールディングス株式会社 色変換フィルタ基板、それを用いた有機多色ｅｌディスプレイパネルおよびそれらの製造方法
JP4328498B2 (ja) * 2002-06-14 2009-09-09 本田技研工業株式会社 リン酸型燃料電池の運転方法
JP4745603B2 (ja) * 2002-07-29 2011-08-10 株式会社デンソー 燃料電池システム
AU2003286062A1 (en) * 2002-11-27 2004-06-18 Hydrogenics Corporation Fuel cell power system with external humidification and reactant recirculation and method of operating the same
JP3915681B2 (ja) * 2002-12-03 2007-05-16 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US8026010B2 (en) * 2003-01-14 2011-09-27 GM Global Technology Operations LLC Anode exhaust gas dilution method and apparatus in PEM fuel cell powered system
CA2549151A1 (en) * 2003-12-22 2005-07-07 Greenlight Power Technologies, Inc. Controlled process gas pressure decay at shut down

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63116373A (ja) * 1986-11-05 1988-05-20 Hitachi Ltd 燃料電池運転法
JP2003168453A (ja) * 2001-11-30 2003-06-13 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の発電量制御装置

Also Published As

Publication number Publication date
US7691510B2 (en) 2010-04-06
EP1708300B1 (en) 2014-03-19
KR20070017931A (ko) 2007-02-13
CN1839506A (zh) 2006-09-27
EP1708300A4 (en) 2008-11-05
JP4873952B2 (ja) 2012-02-08
JPWO2005071781A1 (ja) 2007-07-26
US20070292728A1 (en) 2007-12-20
KR101128552B1 (ko) 2012-03-23
WO2005071781A1 (ja) 2005-08-04
EP1708300A1 (en) 2006-10-04

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