[发明专利]燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明是关于用于反复发电和停止的家庭用热电联供系统或者汽车用电源的燃料电池系统，特别是关于使用了高分子电解质型燃料电池的燃料电池系统的发明。

背景技术

作为典型的燃料电池有高分子电解质型燃料电池。在该高分子电解质型燃料电池中，阳极和阴极夹持高分子电解质膜而配置。对阳极和阴极分别供给含有氢的燃料气体和空气等的含有氧的氧化剂气体(以下会有将燃料气体和氧化剂气体统称为反应气体的情况)。并且，通过使燃料气体与氧化剂气体发生电化学反应，从而同时产生电和热。

具体而言，高分子电解质型燃料电池具备选择性地输送氢离子的高分子电解质膜以及夹持该高分子电解质膜的一对电极。预先将电极和高分子电解质膜一体化地装配成为电解质膜电极组件(MEA：Membrane Electrode Assembly)。

为了使供给给MEA的反应气体不至于泄露到外部，另外，也为了不让各个反应气体互相混合，在MEA上的电极周围以夹持高分子电解质膜的形式配置气体密封材料或者密封垫圈。

在MEA的外侧，配置用于机械性地固定该MEA的同时将邻接的MEA互相电气性地串联连接的导电性隔板(如此装配而成的称作为单电池)。在隔板和MEA相接触的部分上，形成有用于向电极面供给反应气体并排除生成水或者剩余气体的气体流路。

为了向气体流路供给反应气体，在每块隔板上配置了分配气体的歧管(manifold)。歧管有外部歧管和内部歧管之分，外部歧管直接从气体供给配管接入，内部歧管是把贯通孔配置于形成气体流路的隔板上并连接该贯通孔和气体流路的入口部从而从该贯通孔直接分配反应气体。

而且，交替重叠MEA和隔板并做成10～200个单电池的层叠体，经由集电板和绝缘板用端板夹持该层叠体，并以连接杆(rod)加以固定，由此制作高分子电解质型燃料电池堆。

在此，例如在适用于家庭用热电联供系统的燃料电池系统的运转方法中，发电与停止被反复进行。具体而言，通过在电力消费量为较少的时间带上停止发电，而在电力消费量为较多的时间带上进行发电来抑制煤电费。

在该燃料电池系统中，提出了用于抑制由于发电和停止的反复操作而引起的燃料电池性能降低的技术。

例如，提出了在将燃料电池的燃料气体流路或者氧化剂气体流路用加湿的惰性气体等置换并封入的状态下停止燃料电池的方法(参照专利文献1)。据报道，根据该方法即使是在停止时燃料电池内部的高分子电解质也不会干燥，从而能够抑制燃料电池性能的劣化。

专利文献1：日本特开平6-251788

发明内容

可是，在专利文献1的构成中有如下问题：在电池堆(cell stack)内的每个单电池中的反应气体或者置换气体的浓度变得不均匀，从而降低电池堆整体的发电性能。

本发明是为了解决该课题而完成的，其目的在于提供一种燃料电池系统，其中，使在电池堆内的各个单电池间的气体浓度均一化，并且能够抑制电池堆整体的发电性能的降低。

本发明者们为了解决上述课题而做了潜心的研究。

而且，本发明者们发现，在使用层叠了多个单电池的电池堆的燃料电池系统中，在启动时以及停止时的电池堆内的各个单电池的气体置换状态，会给发电性能带来影响。

即，本发明者们在进行了燃料电池系统的气体置换的模拟试验之后，明白了如下事实。

在燃料电池系统的电池堆内处于被某种气体充填的状态、由继而被充填的气体不同的气体置换电池堆内的情况下，如果所置换的气体的流量小，则在歧管内会发生旋转流以及涡流。由此，在电池堆内的各个单电池的气体置换时间，在接近于反应气体入口的单电池上较短，而在距离反应气体入口较远的单电池上较长。该状态会在燃料电池系统的启动时以及停止时的各个工序中发生，被认为是降低燃料电池的发电性能的主要原因。

即，认为：在启动燃料电池系统的时候，如果用于排出置换气体的反应气体的流量较小，则出现在不能够充分地被供给反应气体的状态下开始发电的单电池，并由于这个反复操作而导致发电性能的降低。另外，延长置换时间直至电池堆内充分被燃料气体置换的情况下，处于断路电压的时间会变长，从而担心由于催化剂劣化所造成的发电性能的降低。

另外，在停止燃料电池系统时，由置换气体的置换不充分的单电池，在单电池内的残存气体的停滞时间较长，从而由于催化剂劣化而使得发电性能降低。另外，在延长置换时间直至电池堆内充分被置换气体置换的情况下，每个单电池暴露于残存气体的时间不同，堆内的每个单电池的发电性能不均匀。