CN1434986A - 燃料电池发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池发电系统，通过在燃料电池本体的氧化剂气体供给通道上至少1处以上设置利用水供给装置保持湿润状态的湿润过滤器，可向燃料电池的空气极提供不含杂质的清洁的空气。其结果，可防止因杂质而引起的气体扩散性下降或固体高分子膜的导电性下降，提高电池的输出特性。并且，作为湿润过滤器，通过采用例如吸水性强的片状多孔材料，供给的水可使湿润过滤器大致均匀地浸湿保持湿润状态，在增大捕捉空气中的杂质的能力的同时，通过利用湿润空气使固体高分子膜适度加湿，可望提高导电性。又，通过在氧化剂气体供给通道上设置湿润过滤器，使空气在加湿的状态下提供给燃料电池本体，这样，可维持固体高分子膜的湿润状态，保证固体高分子膜的导电性良好。

Description

燃料电池发电系统
技术领域
本发明，涉及使用燃料电池的燃料电池发电系统，更详细地说，是涉及可简便且高效地除去提供给燃料电池的空气极的空气中所含的细微的尘埃、盐分等杂质，防止燃料电池的输出特性恶化，同时，通过对提供给空气极的空气进行适度加湿，防止固体高分子膜的导电性下降的燃料电池发电系统。
技术背景
燃料电池往往用于发电系统，传统开发的有如图6所示那样的燃料电池发电系统。该燃料电池发电系统S由以下部分构成：由单体电池的层叠体构成的燃料电池本体A；将纯氢或将碳氢化合物燃料改质成富氢气体提供给燃料电池本体A的燃料处理装置C；将作为氧化剂的空气提供给燃料电池本体A的反应空气供给装置D；将燃料电池本体A的输出直流电流转变为交流电流的电力变换装置(图中未画)；控制这些各部分的控制装置(图中未画)。
上述反应空气供给装置D，具有前处理过滤器E以及空气鼓风机F，在前处理过滤器E中除去空气中的尘埃，利用空气鼓风机F将空气提供给燃料电池本体A的空气极G。
当燃料电池为固体高分子型的时候，如图7所示那样，单体电池H是由作为电解质层的固体高分子膜J、在其两侧配置的空气极G(阴极)和燃料极K(阳极)、以及在其更外的两侧配置的空气极侧流路基板L和燃料极侧流路基板M构成，在各单体电池H之间插入隔板N将多个单体电池H层叠成一体。
然而，上述传统的反应空气供给装置D，虽然如上述那样除去空气(外界气体)中所含的尘埃进行净化，但实际上只除去了粗的尘埃，不能除去细微的尘埃、盐分等杂质。当反应空气中含有细微的尘埃、盐分等杂质时，就这样通过前处理过滤器E提供给了空气极G。
这样的空气中的杂质，与氧一同到达空气极G的电极催化剂层，附着在电极催化剂层上或根据杂质的种类不同而有的溶解到空气极G上生成的水中。其结果，存在以下的现象：电极催化剂层的气体扩散性下降，且由于溶解生成的杂质阳离子使存在于电极催化剂层中的固体高分子或作为电解质层的固体高分子膜J的电子传导性下降，输出特性恶化。
又，在传统的固体高分子型燃料电池上，例如特开平8-64218号公报上也介绍的那样，固体高分子膜J的导电性很大程度上受固体高分子膜J的湿润性左右，因暴露在干燥空气中而使固体高分子膜J干燥时，导电性下降。因此，通常必须提供用于加湿的水分。
本发明，是为了解决上述传统的问题提出的，目的在于简便且高效地除去提供给燃料电池的空气极的空气中所含的细微的尘埃、盐分等杂质，防止燃料电池的输出特性恶化，同时，通过对提供给空气极的空气进行适度加湿，防止固体高分子膜的导电性下降。
发明介绍
作为达到该目的的技术手段，本发明，是主要在燃料电池本体的氧化剂气体供给通道上至少1处以上设置利用水供给装置保持湿润状态的湿润过滤器的燃料电池发电系统。
又，主要在于：
在该燃料电池发电系统上，湿润过滤器由具有吸水性或亲水性的片状多孔材料构成；
湿润过滤器，由至少2层以上的具有吸水性或亲水性的片状多孔材料相距一定间隔地配置构成；
具有连通燃料电池本体的冷却水流动通道或加湿水流动通道与加湿的湿润过滤器的通道，利用该通道提供的水保持上述湿润过滤器的湿润状态；
具有用于捕集从燃料电池本体排出的未反应空气中的生成水的凝结装置，将该凝结装置捕集的水用于湿润过滤器的加湿；
将从燃料电池发电系统外提供的水的一部分用于湿润过滤器的加湿；
在具有对供给的燃料进行改质生成富氢气体的燃料处理装置的燃料电池发电系统上，将从上述燃料处理装置回收的水用于湿润过滤器的加湿；
又，具有湿润过滤器与供水装置相互接触的构造；具有这样的构造：湿润过滤器的供水装置与湿润过滤器之间有一定间隔地配置，通过将该供水装置提供的水喷雾或滴下而向上述湿润过滤器提供水；
湿润过滤器的供水装置，是设置在该湿润过滤器的下方的储水槽，通过使该储水槽的水与上述湿润过滤器接触，保持湿润过滤器的湿润状态。
本发明，通过在反应空气供给装置中设置除去空气中的细微的尘埃、盐分等杂质的杂质除去装置，可向燃料电池的空气极提供不含杂质的清洁的空气。其结果，可防止因杂质所引起的气体扩散性下降或固体高分子膜的导电性下降，提高电池的输出特性。
又，作为湿润过滤器，通过采用例如吸水性强的片状多孔材料，提供的水可将湿润过滤器大致均匀地浸透保持湿润状态，在增大对空气中的杂质的捕捉能力的同时，通过利用湿润空气对固体高分子膜适度加湿可望提高导电性。并且，通过在氧化剂气体供给通道上设置湿润过滤器可使空气在加湿的状态下提供给燃料电池本体，这样，可维持固体高分子膜的湿润状态，保证固体高分子膜的导电性良好。
附图的简单说明
图1是显示本发明的采用反应空气供给装置的燃料电池发电系统的实施形式的构成图。
图2是显示本发明的采用另一反应空气供给装置的燃料电池发电系统的实施形式的构成图。
图3是显示湿润过滤器的供水装置的1例的局部剖开的简要立体图。
图4是显示湿润过滤器的另一供水装置的说明图。
图5是实验得到的电池电压随时间变化的坐标图。
图6是显示采用传统的反应空气供给装置的燃料电池发电系统的构成图。
图7是显示燃料电池发电系统上的燃料电池本体的构成的分解立体图。
实施发明的最佳形式
下面，根据图面对本发明的燃料电池用反应空气供给装置的实施形式进行说明。在此，为了便于理解本发明，与传统形式中同一的构件采用同一符号。在图1中，1是燃料电池发电系统S中的反应空气供给装置，具有前处理过滤器E、空气鼓风机F、利用水进行润湿的湿润过滤器2。
上述湿润过滤器2，由具有吸水性或亲水性的片状多孔材料构成，例如图3所示那样，在周围安装框体3，并在箱体4内以直立的状态支撑。这时，由片状多孔材料构成的过滤器本体为单层构造，但往往也设计为将2层以上以适当的间隔配置的多层构造。
上述箱体4，在背面侧安装反应空气的空气导入管5，该空气导入管5连接在上述空气鼓风机F上，空气鼓风机F提供的反应空气，通过空气导入管5流入箱体4内。并且，在箱体4的正面侧安装反应空气的排气管6，该排气管6连接到上述燃料电池本体A的空气极侧流路基板L上用于提供反应空气。这样，导入箱体4内的反应空气经过上述湿润过滤器2之后，提供给空气极G。
又，从箱体4的侧面上部至内部沿水平方向安装水导入管7，在该水导入管7位于箱体4内的部分上且与上述湿润过滤器2相对的一侧并排设计多个喷嘴8或小孔，管端部封闭。因此，通过水导入管7导入箱体4内的水可从喷嘴8或小孔进行喷雾，使上述湿润过滤器2保持大致均匀的湿润状态。虽然没有图示，但有时也设计成将水导入管7配置在湿润过滤器2的上方，从在下侧开设的多个小孔滴水的构成。
另一方面，在箱体4的侧面下部安装排液管9，使从上述湿润过滤器2流下的杂质溶解水能排到箱体4外。该排液管9与上述水导入管7，如图1所示那样，分别连接在向燃料电池本体A的冷却部P提供冷却水的冷却水流动通道Q上形成循环式的旁通通道。这时，为了使从箱体4的排液管9排出的污水不混入冷却水流动通道Q内，在中间设置水处理装置10进行水净化。
作为湿润过滤器2的供水装置，另外可考虑例如以下的各种方法：可利用向燃料极侧流路基板M提供水用于加湿上述固体高分子膜J的加湿水流动通道(图中未画)，或者利用冷凝装置(图中未画)捕集从燃料电池本体A排出的未反应空气中的生成水，或者利用从燃料电池发电系统S外提供的水的一部分等。
又，如图2所示那样，也可以利用从燃料电池发电系统S的燃料处理装置C回收的水。作为从燃料处理装置C回收的水，可以利用在燃料处理装置C中使用的冷却水或将燃料处理装置C的燃烧废气中所含的水蒸气冷凝后的冷凝水等。
不限于上述那样的间接的给水方式，也可采用使湿润过滤器2与供水装置接触的直接给水方式，其中的1例如图4所示那样，在湿润过滤器2的下方设置储水槽11，储水槽11内的水直接接触湿润过滤器2的下端部。湿润过滤器2利用过滤器本体的毛细管现象将水吸上来呈大致均匀的湿润状态。这时，向储水槽11提供水使水面保持大致一定的高度，并且经过湿润过滤器2流下的含有杂质的污水最好流到储水槽11外。因为不必有用于加湿用的特别的机器类设备，所以，供水装置的构造极其简单。
在图1的燃料电池发电系统S中，通过向燃料处理装置C提供碳氢化合物燃料改质成富氢气体同时提供给燃料电池本体A的燃料极K，从外界气体吸入的空气经过前处理过滤器E以及湿润过滤器2后提供给空气极G，在燃料电池本体A内进行发电。即，在燃料极K上富氢气体分解为氢离子和电子，氢离子穿过固体高分子膜J移动到空气极G，电子通过外部电路流到空气极G，它们与提供给空气极G的空气中的氧进行反应生成水。
这时，在从外界气体吸入的空气中，包含尘埃、盐分等杂质，经过前处理过滤器E的时候除去了粗的尘埃，利用空气鼓风机F送风经过湿润过滤器2的时候，去除在上述前处理过滤器E中未除去的细微的尘埃、盐分等杂质。湿润过滤器2，因为如上述那样保持大致均匀的湿润状态，所以，可以高效地除去杂质。
这样，因为向空气极G提供清洁的空气，所以空气中的杂质不会附着在空气极G上或溶解到空气极G上生成的水中，因此，可防止以下不利现象：气体扩散性下降，由于溶解生成杂质阳离子而使固体高分子或作为电解质层的固体高分子膜J的导电性下降，输出特性恶化。
从上述冷却水流动通道Q分出的水，经水导入管7从喷嘴8或小孔向湿润过滤器2喷雾，含有细微的尘埃、盐分等杂质的污水从湿润过滤器2流下再从排液管9排出箱体4外，在水处理装置10中净化后汇入冷却水流动通道Q。这样，冷却水沿着循环旁通通道被循环再利用。
又，因为提供给空气极G的清洁的反应空气经过湿润过滤器2的时候被适度加湿，所以，上述固体高分子膜J不会暴露在干燥的反应空气中，可防止固体高分子膜J干燥而导电性下降的现象。
在图2的燃料电池发电系统S中，也同样，向燃料处理装置C提供碳氢化合物燃料改质成富氢气体同时提供给燃料电池本体A的燃料极K，从外界气体吸入的空气经过前处理过滤器E以及湿润过滤器2后提供给空气极G，在燃料电池本体A内如上述那样进行发电。
这时也同样，从外界气体吸入的空气，经过前处理过滤器E的时候除去粗的尘埃，利用空气鼓风机F送风经过湿润过滤器2的时候，除去在前处理过滤器E中未除去的细微的尘埃和盐分等杂质。这时，湿润过滤器2因为保持大致均匀的湿润状态，所以，可以高效地除去杂质。
因为向空气极G提供清洁的空气，所以空气中的杂质不会附着在空气极G上或溶解到空气极G上生成的水中，因此，可防止气体扩散性下降，防止固体高分子或作为电解质层的固体高分子膜J的导电性下降、以及输出特性恶化。
从上述燃料处理装置C获取的水，经水导入管7从喷嘴8或小孔向湿润过滤器2喷雾，含有杂质的污水从湿润过滤器2流下再从排液管9排出箱体4外，在水处理装置10中净化后汇入冷却水流动通道Q。
这时也同样因为提供给空气极G的清洁的反应空气经过湿润过滤器2的时候被适度加湿，所以，上述固体高分子膜J不会被干燥，导电性不会下降。
为了验证图1以及图2所示的湿润过滤器2的性能，使含有重量百分比为5％的作为杂质气体成分的盐水的模拟反应空气流到反应空气供给装置中，检测得到的反应空气中的盐水浓度。其结果，在图1、图2的任何一种情况下，在湿润过滤器2中处理后的空气的盐分浓度都降到了盐分浓度检测装置的检出界限以下。并且，证实对包含细微尘埃的气体同样也具有充分的除去性能。
又，向图1(实施例)以及图5(比较例)的燃料电池发电系统提供含有重量百分比为5％的盐水的模拟反应空气和纯氢气体进行运行的结果，得到的电池电压随时间的变化情况示于图5。从图中表明的那样，如果采用本实施例的燃料电池发电系统，可抑制电池电压随着运行时间的延长而下降，可提供可靠性好的燃料电池发电系统。
发明效果
如以上说明的那样，本发明，在燃料电池发电系统的反应空气供给装置上，因为设计为具有作为除去空气中包含的杂质的杂质除去装置的被加湿的空气过滤器的构成，所以，可使在前处理过滤器中未被除净的细微的尘埃、盐分等杂质有效附着除去，可将清洁的反应空气提供给燃料电池本体的空气极。这样，可防止传统的由于将含有杂质的反应空气提供给空气极而产生的气体扩散性下降，并阻止由于溶解生成的杂质阳离子的影响而引起的固体高分子膜的导电性下降，从而消除因这些原因引起的燃料电池的电池性能下降的问题。
又，反应空气的加湿，还有经过湿润过滤器时进行的所谓二次效果，可阻止因固体高分子膜的干燥使导电性下降，也可消除燃料电池的电压降低的问题，可望在提高燃料电池的可靠性的同时延长使用寿命。
产业上利用的可能性
本发明的燃料电池发电系统，可简便且高效地除去提供给燃料电池的空气极的空气中含有的细微的尘埃、盐分等杂质，在防止燃料电池的输出特性恶化的同时，通过对提供给空气极的空气进行适度加湿，可防止固体高分子膜的导电性下降，因此，在产业上是有用的。

Claims (10)

1、一种燃料电池发电系统，其特征在于：在燃料电池本体的氧化剂气体供给通道上至少1处以上设置利用水供给装置保持湿润状态的湿润过滤器。
2、如权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：湿润过滤器，由具有吸水性或亲水性的片状多孔材料构成。
3、如权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：湿润过滤器，由至少2层以上的具有吸水性或亲水性的片状多孔材料相距一定间隔地配置构成。
4、如权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：具有连通燃料电池本体的冷却水流动通道或加湿水流动通道与被加湿的湿润过滤器的通道，利用该通道提供的水保持上述湿润过滤器的湿润状态。
5、如权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：具有用于捕集从燃料电池本体排除的未反应空气中的生成水的凝结装置，将该凝结装置捕集的水用于湿润过滤器的加湿。
6、如权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：将从燃料电池发电系统外提供的水的一部分用于湿润过滤器的加湿。
7、如权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：在具有将供给燃料改质成富氢气体的燃料处理装置的燃料电池发电系统上，将从上述燃料处理装置回收的水用于湿润过滤器的加湿。
8、如权利要求1、4、5、6或7所述的燃料电池发电系统，其特征在于：具有湿润过滤器与供水装置相互接触的构造。
9、如权利要求1、4、5、6或7所述的燃料电池发电系统，其特征在于：向湿润过滤器供水的装置与该湿润过滤器之间有一定间隔地配置、通过利用该供水装置将水喷雾或滴下而向上述湿润过滤器提供水的构造。
10、如权利要求1、4、5、6或7所述的燃料电池发电系统，其特征在于：向湿润过滤器的供水装置，是设置在该湿润过滤器的下方的储水槽，通过使该储水槽的水与上述湿润过滤器接触，保持湿润过滤器的湿润状态。
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