CN102738489A - 燃料电池系统及其发电停止方法 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统及其发电停止方法。燃料电池系统(10)的氧化剂气体供给装置(14)具备：与燃料电池(12)的氧化剂气体入口(40a)连通的氧化剂气体供给流路(44)；与所述燃料电池(12)的氧化剂气体出口(40b)连通的氧化剂气体排出流路(46)；配设在所述氧化剂气体供给流路(44)上的压缩机(48)；配置在所述氧化剂气体供给流路(44)上且位于所述压缩机(48)的下游的供给流路密封阀(52)；配设在所述氧化剂气体排出流路(46)上的排出流路密封阀(62)；在比所述排出流路密封阀(62)更靠上游的位置与所述氧化剂气体排出流路(46)连通，且在比所述压缩机(48)更靠上游的位置与所述氧化剂气体供给流路(44)连通的排出流体循环流路(64)。

Description

燃料电池系统及其发电停止方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统及其发电停止方法，该燃料电池系统具备：燃料电池，其通过向阴极侧供给的氧化剂气体及向阳极侧供给的燃料气体的电化学反应而发电；氧化剂气体供给装置，其向所述燃料电池供给所述氧化剂气体；燃料气体供给装置，其向所述燃料电池供给所述燃料气体。
背景技术
例如，在固体高分子型燃料电池中，通过一对隔膜夹持电解质膜、电极结构体(MEA)，该电解质膜、电极结构体(MEA)在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的两侧分别设有正电极及负电极。在一隔膜和电解质膜、电极结构体之间形成有用于向正电极供给燃料气体的燃料气体流路，并且，在另一个隔膜和所述电解质膜、电极结构体之间设有用于向负电极供给氧化剂气体的氧化剂气体流路。
燃料电池通常通过多个层叠形成燃料电池堆，并且与氧化剂气体供给装置、燃料气体供给装置及冷却介质供给装置等各种附件相关联地装入燃料电池电动车，构成车载用燃料电池系统。
如上所述，在该燃料电池系统中，使用高分子电解质膜，该高分子电解质膜中，为了确保良好的离子导电性，需要保持适度的水分。因此，通过对向燃料电池的向阴极侧供给的氧化剂气体及向所述燃料电池的向阳极侧供给的燃料气体进行预先加湿，从而阻止固体高分子电解质膜的干燥以维持所需的加湿状态。
例如图6所示，在日本特开2005-268117号(以下称为现有技术1)公开的燃料电池发电系统中，具备：供给通路2a，其向燃料电池1a供给氧化剂气体；喷出通路3a，其使从所述燃料电池1a的氧化剂极喷出的氧化剂废气流动；废气返回通路4a，其连通所述喷出通路3a及所述供给通路2a，并且，将从所述燃料电池1a喷出的湿润的氧化剂废气的至少一部分返回所述供给通路2a。
在比供给通路2a和废气返回通路4a的合流区域更靠下游侧的所述供给通路2a上设有旋转式的氧化剂废气输送驱动源5a。因此，向燃料电池1a供给的反应前的氧化剂气体，被反应后的湿润的氧化剂废气加湿，因而能够废除加湿器。
另外，由于反应前的氧化剂气体和反应后的氧化剂废气合流成为合流流体后，通过氧化剂废气输送驱动源5a，所以，所述合流流体可以明确地混合而提高扩散混合性。
另一方面，在所述燃料电池系统中，在发电时生成水，如停止发电，则在氧化剂气体流路及燃料气体流路的下游侧容易滞留生成水。而且，在燃料电池停止时，如在氧化剂气体流路及燃料气体流路进行由空气引起的扫气，则启动时，特别是在所述氧化剂气体流路的下游侧由于高电位而引起阴极侧电极的劣化。
因此，公知有例如日本特开2003-115317号(以下称为现有技术2)公开的燃料电池的发电停止方法。如图7所示，该发电停止方法中，将第一流路切换阀1b的开闭状态3设为打开以使空气循环路2b和空气压缩机3b连接，并且，隔断外气流入侧。将第二流路切换阀4b的开闭状态设为打开，以使从燃料电池5b排出的空气废气在空气循环路2b流通，并且，隔断大气放出侧。
因此，燃料电池5b中没有新的外气供给，从所述燃料电池5b的阴极排出的空气废气，在从所述燃料电池5b经第二空气断流阀6b、第二流路切换阀4b、除湿器7b、第一流路切换阀1b、空气压缩机3b、第一空气断流阀8b回到所述燃料电池5b的闭合回路循环。
由此，空气废气中的氧被消耗用来发电，所述空气废气中的氧浓度降低。因此，发电停止后即使发生交叉泄漏，也几乎没有氢和氧的反应，能够保护固体高分子电解质膜。
然而，优选的是，在燃料电池系统中，具有进行运转时的膜加湿用控制及化学计量控制(现有技术1)，并且，密封阴极系统内的(现有技术2)功能。特别优选的是，在发电停止后密封阴极系统，并且，在该阴极系统内循环氧化剂气体，同时，消耗氧气以使其富含氮。但是，所述现有技术1及现有技术2中，不能应对这种要求。
发明内容
本发明是为解决这种问题而作成的，其目的在于，提供一种具有简单且紧凑的结构，能够减少阴极侧的密封区域，抑制因发电停止时的氧气所致的劣化，并且，可以很好地实现氧化剂气体的再循环率的控制的燃料电池系统及其发电停止方法。
本发明涉及一种燃料电池系统，其具备：燃料电池，其通过向阴极侧供给的氧化剂气体及向阳极侧供给的燃料气体的电化学反应而发电；氧化剂气体供给装置，其向所述燃料电池供给所述氧化剂气体；燃料气体供给装置，其向所述燃料电池供给所述燃料气体。
在该燃料电池系统中，氧化剂气体供给装置具备：氧化剂气体供给流路，其与燃料电池的氧化剂气体入口连通；氧化剂气体排出流路，其与所述燃料电池的氧化剂气体出口连通；压缩机，其配设在所述氧化剂气体供给流路上；供给流路密封阀，其配置在所述氧化剂气体供给流路上，且位于所述压缩机的下游；排出流路密封阀，其配设在所述氧化剂气体排出流路中；排出流体循环流路，其在比所述排出流路密封阀更靠上游的位置与所述氧化剂气体排出流路连通，且在比所述压缩机更靠上游的位置与所述氧化剂气体供给流路连通。
另外，该发电停止方法中，在燃料电池的发电停止时，通过缩小排出流路密封阀的开度，从而提高阴极侧至常压以上，且消耗所有的氧成分。
本发明中，供给流路密封阀位于压缩机的下游，且配置在氧化剂气体供给流路上。因此，由供给流路密封阀和排出流路密封阀密封的阴极侧密封区域变窄。而且，容易漏气的压缩机配置在阴极侧密封区域外，能够在发电停止时抑制氧进入所述阴极侧密封区域内。因此，燃料电池能够尽可能地阻止氧导致的劣化。
另外，排出流体循环流路的一端位于比排出流路密封阀更靠上游，且与氧化剂气体排出流路连通，并且，所述排出流体循环流路的另一端位于比压缩机更靠上游且与氧化剂气体供给流路连通。
由此，通过控制排出流路密封阀的开度，能够控制循环的氧化剂废气(从燃料电池排出的氧化剂气体)相对于由压缩机供给的新的空气之比即循环比(氧化剂废气/新的空气)。因此，能够容易控制对应运转状况等的循环比。
通过与附图结合的下面的优选实施方式例的说明，所述目的及其它目的、特征及优点将会更加明了。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的燃料电池系统的示意结构图；
图2是比较例1的燃料电池系统的示意结构图；
图3是比较例2的燃料电池系统的示意结构图；
图4是本发明第二实施方式的燃料电池系统的示意结构图；
图5是本发明第三实施方式的燃料电池系统的示意结构图；
图6是现有技术1公开的燃料电池发电系统的示意说明图；
图7是现有技术2公开的发电停止方法的说明图。
具体实施方式
如图1所示，本发明第一实施方式的燃料电池系统10具备：燃料电池12，其通过向阴极侧供给的氧化剂气体及向阳极侧供给的燃料气体的电化学反应而发电；氧化剂气体供给装置14，其向所述燃料电池12供给所述氧化剂气体；燃料气体供给装置16，其向所述燃料电池12供给所述燃料气体；控制器(控制装置)18。
燃料电池12层叠多个单位电池20。各单位电池20具备例如通过负电极24和正电极26夹持全氟磺酸的薄膜中浸渗有水的固体高分子电解质膜22的电解质膜、电极结构体(MEA)28。
负电极24及正电极26具有由碳纸等构成的气体扩散层和表面担载有铂合金(或Ru等)的多孔质碳粒子均匀涂布于所述气体扩散层的表面而形成的电极催化剂层。电极催化剂层形成于固体高分子电解质膜22的两面。
电解质膜、电极结构体28由阴极侧隔膜30及阳极侧隔膜32夹持。阴极侧隔膜30及阳极侧隔膜32使用例如碳隔膜或金属隔膜。
在阴极侧隔膜30和电解质膜、电极结构体28之间设有氧化剂气体流路34，并且，在阳极侧隔膜32与所述电解质膜、电极结构体28之间设有燃料气体流路36。在彼此相邻的阴极侧隔膜30和阳极侧隔膜32之间设有冷却介质流路38。
在燃料电池12中设有：氧化剂气体入口40a，其在各燃料电池12的层叠方向相互连通，供给氧化剂气体，例如含氧气体(以下也称为空气)；燃料气体入口42a，其供给燃料气体，例如含氢气体(以下也称为氢气)；冷却介质入口(未图示)，其供给冷却介质；氧化剂气体出口40b，其排出所述氧化剂气体；燃料气体出口42b，其排出所述燃料气体；冷却介质出口(未图示)，其排出所述冷却介质。
氧化剂气体供给装置14具有：与燃料电池12的氧化剂气体入口40a连通的氧化剂气体供给流路44、与所述燃料电池12的氧化剂气体出口40b连通的氧化剂气体排出流路46。
在氧化剂气体供给流路44中，沿氧化剂气体即空气的流动方向(箭头A方向)从上游侧向下游侧依次设有压缩机48、加湿器50及供给流路密封阀52。
压缩机48被电动机54驱动，且与膨胀透平56连结而能够传递动力。膨胀透平56配设在氧化剂气体排出流路46上。
加湿器50跨设在氧化剂气体供给流路44和氧化剂气体排出流路46上，在沿箭头A方向在所述氧化剂气体供给流路44中流通的供给气体(供给空气)和排出气体(氧化剂废气)之间进行水分及热交换。在氧化剂气体供给流路44上，绕开加湿器50连通旁通流路58，在该旁通流路58配设有开闭阀60。
在氧化剂气体排出流路46上，沿排出的氧化剂废气的流动方向(箭头B方向)从上游侧向下游侧配设有排出流路密封阀62、加湿器50及膨胀透平56。
以如下方式设有排出流体循环流路64，即，该流体循环流路64一端在比排出流路密封阀62更靠上游(氧化剂气体出口40b的附近)的位置与氧化剂气体排出流路46连通，另一端在比压缩机48更靠上游的位置与氧化剂气体供给流路44连通。在排出流体循环流路64配设有开闭阀(循环流路阀)66，并且，所述排出流体循环流路64被插入加湿器50内。
燃料气体供给装置16具备储存高压氢的氢罐(H2罐)70。氢罐70经由氢供给流路72与燃料电池12的燃料气体入口42a连通。在氢供给流路72上设有断流阀74及喷射器76。
燃料气体供给装置16具备与燃料电池12的燃料气体出口42b连通的燃料废气流路78。在燃料废气流路78设有与喷射器76连通的氢循环路80和断流阀(净化阀)82。
以下，对该燃料电池系统10的动作进行说明。
首先，经由氧化剂气体供给装置14的压缩机48向氧化剂气体供给流路44送入空气。空气通过加湿器50加湿后，供给至燃料电池12的氧化剂气体入口40a。空气通过沿设于燃料电池12内的各单位电池20的氧化剂气体流路34移动，从而向负电极24供给。
含有未反应的空气的氧化剂废气从氧化剂气体出口40b向氧化剂气体排出流路46排出，通过送入加湿器50而对新供给的空气进行加湿。氧化剂废气作为驱动源供给于膨胀透平56后，排出到外部。膨胀透平56能够向压缩机48传递动力。
另一方面，在燃料气体供给装置16中，通过开放断流阀74，将从氢罐70导出的氢气向氢供给流路72供给。氢气通过氢供给流路72向燃料电池12的燃料气体入口42a供给。供给至燃料电池12内的氢气通过沿各单位电池20的燃料气体流路36移动，而向正电极26供给。从而，向负电极24供给的空气和向正电极26供给的氢气发生电化学反应而进行发电。
从燃料气体流路36排出的氢气废气经由氢循环路80从燃料气体出口42b被吸引至喷射器76，作为燃料气体再次向燃料电池12供给。
在此，在氧化剂气体供给装置14上设有与氧化剂气体供给流路44和氧化剂气体排出流路46连通的排出流体循环流路64。因此，设于排出流体循环流路64上的开闭阀66进行开放操作时，从燃料电池12的氧化剂气体出口40b向氧化剂气体排出流路46导出的氧化剂废气通过所述排出流体循环流路64被导入氧化剂气体供给流路44。
由此，氧化剂废气与向氧化剂气体供给流路44新供给的空气混合而被吸入至压缩机48，该混合后的氧化剂气体通过加湿器50、或者在开闭阀60的开放作用下通过旁通流路58，向燃料电池12的氧化剂气体入口40a供给。
在该情况下，在第一实施方式中，在氧化剂气体供给流路44配置有供给流路密封阀52，该供给流路密封阀52位于压缩机48的下游。因此，通过供给流路密封阀52和排出流路密封阀62密封的阴极侧密封区域有效地变窄。
而且，容易漏气的压缩机48配置于阴极侧密封区域外，在发电停止时，可以抑制氧进入所述阴极侧密封区域内。因此，燃料电池12能够尽可能地阻止因不必要的氧的侵入导致的劣化。
另外，排出流体循环流路64的一端位于比排出流路密封阀62更靠上游，且与氧化剂气体排出流路46连通，并且，所述排出流体循环流路64的另一端位于比压缩机48更靠上游，且与氧化剂气体供给流路44连通。由此，仅调节排出流路密封阀62的开度，就能够适当地调节向排出流体循环流路64供给的氧化剂废气的流量。
因此，如果将排出流路密封阀62全开，则能够充分确保回收装置即膨胀透平56所需的能量回收量，另一方面，如果将所述排出流路密封阀62设定为微小开度，则能够相对于排出流体循环流路64使极少量的氧化剂废气循环。
特别是，排出流路密封阀62至少可以进行全开状态和微小开度状态的开度调节。该微小开度状态是指，调节在排出流体循环流路64中循环的氧化剂废气的流量，提高阴极侧至常压以上，且为了消耗包含新吸入压缩机48的空气的所有的氧成分，而维持必要流量的开度状态。
因此，在燃料电池系统10的阴极侧，消耗氧成分以填充氮成分(富氮)，并且，该氮成分的压力比大气压更大0，即设定为可以阻止来自外部的空气的导入的压力。
由此，在第一实施方式中，通过控制排出流路密封阀62的开度，可以控制循环的氧化剂废气相对于供给至压缩机48的新的空气之比即循环比(氧化剂废气/新的空气)。从而能够容易可靠地控制为依据运转状况等的循环比。
在此，图2中表示通常想到的燃料电池系统10a，图3中同样表示通常想到的燃料电池系统10b。另外，对与第一实施方式涉及的燃料电池系统10相同的结构要素，标注相同的参照符号，省略对其进行详细说明。
如图2所示，在燃料电池系统10a中，在氧化剂气体供给流路44和氧化剂气体排出流路46上设有排出流体循环流路64a。该排出流体循环流路64a的一端位于压缩机48的上游侧，且与氧化剂气体供给流路44连通，并且，所述排出流体循环流路64a的另一端位于膨胀透平56的下游，且与氧化剂气体排出流路46连通。
在该燃料电池系统10a中，通过供给流路密封阀52和排出流路密封阀62，可以使阴极侧密封区域变窄，并且可以进行氧废气的循环。
但是，密封阴极侧密封区域的同时，很难用氮填充所述阴极侧密封区域内。排出流体循环流路64a位于膨胀透平56的下游连接氧化剂气体排出流路46，因此通过极小流量提高内压的输出控制变难。
另外，如图3所示，在燃料电池系统10b中，位于压缩机48的上游，在氧化剂气体供给流路44上配置有供给流路密封阀52a，并且，位于膨胀透平56的下游侧，在氧化剂气体排出流路46配置有排出流路密封阀62a。另外，与燃料电池系统10a同样地设有排出流体循环流路64a。
在该燃料电池系统10b中，通过供给流路密封阀52a和排出流路密封阀62a密封的阴极侧密封区域适当扩大，并且，气密性低的压缩机48配置于所述阴极侧密封区域内。因此，气密性的保持变得困难。
与此相对，在第一实施方式中，特别是在发电停止后，通过控制排出流路密封阀62为微小开度，从而使微小流量的氧化剂废气在排出流体循环流路64中流通的同时进行发电，能够完全且均匀地消耗燃料电池12的阴极侧的氧，可以用氮填充所述阴极侧。
图4是本发明第二实施方式的燃料电池系统100的示意结构说明图。
另外，对与第一实施方式的燃料电池系统10相同的结构要素，标注相同的参照符号，省略对其进行详细说明。另外，以下说明的第三实施方式中也同样省略详细说明。
在燃料电池系统100中，供给流路密封阀52位于加湿器50的上游且配置在氧化剂气体供给流路44上，另一方面，排出流路密封阀62位于所述加湿器50的下游且配置在氧化剂气体排出流路46上。
该第二实施方式中，供给流路密封阀52配置于加湿器50的入口侧附近，暴露在沿氧化剂气体供给流路44流动的干燥的空气中。另一方面，排出流路密封阀62配置于加湿器50的出口侧。因此，由加湿器50除去了水分的氧化剂废气在排出流路密封阀62流通。因此，供给流路密封阀52及排出流路密封阀62暴露于低湿度的气体中，能够很好地避免由水分带来的影响。
另外，在图4中，若将排出流路密封阀62配置于加湿器50的上游侧，则例如由于该加湿器50的膜特性，在所述加湿器50的内部可能发生氧化剂气体的交叉泄漏。
图5是本发明第三实施方式的燃料电池系统110的示意结构说明图。
在燃料电池系统110中，分支流路112的一端位于供给流路密封阀52的下游且与氧化剂气体供给流路44连通，并且，所述分支流路112的另一端与构成燃料气体供给装置16的氢供给流路72连通。在该分支流路112配置有开闭阀114。
在该第三实施方式中，在燃料电池12停止发电时，与所述第一实施方式相同，在阴极侧密封区域填充氮成分后，使开闭阀114开放。因此，氮成分经由分支流路112也送入氢供给流路72中。
在燃料气体供给装置16中，断流阀74、82闭塞以密封阳极侧密封区域，在该阳极侧密封区域填充氮成分。由此，燃料电池12在发电停止期间，分别在阴极侧及阳极侧填充氮，能够尽可能避免膜劣化等缺陷。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池(12)，其通过向阴极侧供给的氧化剂气体及向阳极侧供给的燃料气体的电化学反应而发电；
氧化剂气体供给装置(14)，其向所述燃料电池(12)供给所述氧化剂气体；
燃料气体供给装置(16)，其向所述燃料电池(12)供给所述燃料气体，
所述燃料电池系统的特征在于，
所述氧化剂气体供给装置(14)具备：
氧化剂气体供给流路(44)，其与所述燃料电池(12)的氧化剂气体入口(40a)连通；
氧化剂气体排出流路(46)，其与所述燃料电池(12)的氧化剂气体出口(40b)连通；
压缩机(48)，其配设在所述氧化剂气体供给流路(44)上；
供给流路密封阀(52)，其配置在所述氧化剂气体供给流路(44)上，且位于所述压缩机(48)的下游；
排出流路密封阀(62)，其配设在所述氧化剂气体排出流路(46)上；
排出流体循环流路(64)，其在比所述排出流路密封阀(62)更靠上游的位置与所述氧化剂气体排出流路(46)连通，且在比所述压缩机(48)更靠上游的位置与所述氧化剂气体供给流路(44)连通。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述排出流体循环流路(64)上配设有循环流路阀(66)。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
加湿器(50)跨设在所述氧化剂气体供给流路(44)及所述氧化剂气体排出流路(46)上。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述供给流路密封阀(52)配置在所述氧化剂气体供给流路(44)上，且位于所述加湿器(50)的上游，另外，
所述排出流路密封阀(62)配置在所述氧化剂气体排出流路(46)上，且位于所述加湿器(50)的下游。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述排出流路密封阀(62)至少能够进行全开状态和微小开度状态的开度调节，所述微小开度状态是指为了将所述阴极侧提高至常压以上且消耗所有的氧成分而维持必要的流量的开度状态，
所述燃料电池系统具备：
循环流路阀(66)，其配设在所述排出流体循环流路(64)上；
控制装置(18)，其在所述循环流路阀(66)开放时，将所述排出流路密封阀(62)控制为所述微小开度状态。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料气体供给装置(16)具备与所述燃料电池(12)的燃料气体入口(42a)连通的燃料气体供给流路(72)，并且，
分支流路(112)的一端在所述供给流路密封阀(52)的下游的位置与所述氧化剂气体供给流路(44)连通，且所述分支流路(112)的另一端与所述燃料气体供给流路(72)连通。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述氧化剂气体排出流路(46)上设有膨胀透平(56)，该膨胀透平(56)位于所述排出流路密封阀(62)的下游，并且，
所述膨胀透平(56)与所述压缩机(48)连结而能够传递动力。
8.一种燃料电池系统的发电停止方法，其特征在于，
所述燃料电池系统具备：
燃料电池(12)，其通过向阴极侧供给的氧化剂气体及向阳极侧供给的燃料气体的电化学反应而发电；
氧化剂气体供给装置(14)，其向所述燃料电池(12)供给所述氧化剂气体；
燃料气体供给装置(16)，其向所述燃料电池(12)供给所述燃料气体，
所述氧化剂气体供给装置(14)具备：
氧化剂气体供给流路(44)，其与所述燃料电池(12)的氧化剂气体入口(40a)连通；
氧化剂气体排出流路(46)，其与所述燃料电池(12)的氧化剂气体出口(40b)连通；
压缩机(48)，其配设在所述氧化剂气体供给流路(44)上；
供给流路密封阀(52)，其配置在所述氧化剂气体供给流路(44)上，且位于所述压缩机(48)的下游；
排出流路密封阀(62)，其配设在所述氧化剂气体排出流路(46)上；
排出流体循环流路(64)，其在比所述排出流路密封阀(62)更靠上游的位置与所述氧化剂气体排出流路(46)连通，且在比所述压缩机(48)更靠上游的位置与所述氧化剂气体供给流路(44)连通，
其中，
在所述燃料电池(12)停止发电时，通过缩小所述排出流路密封阀(62)的开度，从而将所述阴极侧提高至常压以上且消耗所有的氧成分。
9.如权利要求8所述的发电停止方法，其特征在于，
在所述阴极侧填充所述氧化剂气体中的氮成分后，将所述氮成分向所述燃料气体供给装置(16)供给并填充到所述阳极侧。
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