[发明专利]高分子电解质型燃料电池发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及便携式电源、电动汽车用电源、热电联供系统等使用的燃料电池发电系统、特别是涉及使用高分子电解质膜的燃料电池发电系统。

背景技术

典型的燃料电池有高分子电解质型燃料电池。这种高分子电解质型燃料电池中，夹着高分子电解质膜形成阳极和阴极，对阳极与阴极分别提供含有氢气的燃料气体和空气等含有氧气的氧化剂气体(下面有时候将燃料气体和氧化剂气体总称为反应气体)。而且，在阳极中由于电极反应，从燃料气体中的氢原子释放出电子，生成氢离子，同时该电子通过外部电路(负载)到达阴极。另一方面，氢离子通过高分子电解质膜到达阴极。而且，在阴极中氢离子、电子与氧化剂气体中的氧结合生成水。而且，在发生该反应时电与热同时发生。

高分子电解质膜采用全氟化碳磺酸(Perfluorocarbon sulfonic acid)系的材料。这种高分子电解质膜在含水分的状态下被发现有离子导电性，因此通常将反应气体加湿后再提供给燃料电池。

但是，阴极中由于生成水，如果对反应气体过多加湿，则有可能发生溢流。另一方面，为了使电池高性能化，有必要提高高分子电解质膜的离子传导性能，因此最好是将反应气体加湿到100％的相对湿度然后提供。而如果提供具有低于燃料电池的工作温度的露点的反应气体，则全氟化碳磺酸系的电解质会发生分解氟化物离子会从高分子电解质膜溶出，借助于此，能够判断高分子电解质膜会劣化的情况。

因此，为了抑制高分子电解质膜的劣化，提高燃料电池的寿命，尝试了在防止溢流的同时，将具有与电池温度相同的温度的露点的反应气体提供给燃料电池使其运行(所谓全加湿运行)的方法(参照例如非专利文献1)。

又，已知有具备各单电池不同的气体流路结构和/或电极结构，向各单电池分配加湿量等相等的反应气体，以此可以防止高分子电解质膜的劣化和防止溢流的燃料电池系统(参照例如专利文献1)。

非专利文献1：第8回燃料电池系统研讨会演讲稿集，第61～64页(特别是参照图3和图4的说明中记载的运行条件)。

专利文献1：特许第3596332号公报

发明内容

但是，非专利文献1的技术达不到充分抑制高分子电解质膜的劣化的程度，燃料电池的寿命不能够充分提高。

而专利文献1的燃料电池系统有必要具备每一个单电池不同的气体流路结构和/或电极结构，结构复杂化。

本发明是为解决上述存在问题而作出的，其目的在于，提供每一个单电池的气体流路或电极结构没有不同，而且能够充分抑制高分子电解质型燃料电池的高分子电解质膜的劣化，因此能够充分延长燃料电池的寿命的高分子电解质型燃料电池发电系统。

本发明的发明人是为实现上述目的而锐意研究。也就是，在最近为了抑制电解质的劣化，特别用电池单体进行了提供与电池温度相同的温度的露点的气体进行运行的试验。电池单体在单电池(单cell)的情况下往往用面状加热器将电池温度保持于一定的温度，因此在电池面内的温度分布难以判断，但是在这样的情况下，对保持于例如80℃的一定温度的电池温度，提供80℃的露点的气体，气体温度保持于比露点高若干度的85～90℃进行试验。而且在使用冷却流体控制电池温度的电池组中，对于例如冷却流体的入口温度为80℃，冷却流体的出口温度为85℃，提供80℃的露点的气体进行试验。在这种情况下，如果冷却流体的流动方式与供给气体的流动方式上的流体的流动方向在宏观上相同，则即使是形成向冷却流体的出口的温度逐步上升的温度分布，也在阴极侧由于发电而生成水，在阳极侧由于反应而消耗氢，通过阳极流动的气体的总量向其出口减少，所以形成电池内的露点向下游侧上升的分布，所以如果在其入口保持充分加湿，则只要不使冷却流体的出口温度为极高的温度，则可以认为能够将电池内的全部气体流路保持充分加湿。但是根据对电池组内部的温度分布进行详细研究的结果，对电池组提供的气体通常暂时提供给总管，再从总管均匀分配到各电池，所以在暂时提供给总管，通过总管的期间，在总管内部与电池进行热交换，在气体实际被引入各电池的时刻，已经上升1～2℃左右，因此在将气体引入气体流路的电极在附近部分，发现没有得到充分加湿。对于充分加湿的含义将在实施形态中进行说明。