[发明专利]燃料电池堆、燃料电池系统及燃料电池系统的运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池堆、燃料电池系统及燃料电池系统的运行方法。 

背景技术

关于燃料电池，已根据电解质的种类而开发了多种燃料电池，而近年来，有广泛使用高分子电解质型燃料电池(以下，称为PEFC)的趋势。PEFC具有以下结构：具有MEA(Membrane-Electrode-Assembly：电解质膜-电极组件)，通过将MEA的两侧主面分别暴露于含氢的阳极气体及空气等含氧的阴极气体中，使阳极气体和阴极气体发生电化学反应，从而产生电和热。即，发生以下的电化学反应，阳极侧的氢被消耗，在阴极侧生成作为反应生成物的水。 

阳极：H₂→2H⁺+2e^-(1) 

阴极：2H⁺+(1/2)O₂+2e^-→H₂O　　(2) 

但是，PEFC的每个电池反应的电动势和通常用途相比还不够。因此，一般PEFC由多个进行上述反应的单电池(cell)层叠而构成。这样的层叠构造的高分子电解质型燃料电池堆(以下，简称为电池堆)构成PEFC的主体。一般地，电池堆中层叠有10～200个单电池，它的两端经由集电体及绝缘板而被端板所夹，用螺栓螺母等紧固件来紧固两端间而被构成。 

而且，阳极气体供给歧管(manifold)、阳极气体排出歧管、阴极气体供给歧管及阴极气体排出歧管分别沿电池堆的层叠方向延伸地配设在电池堆的侧部。这些歧管上分别构成有与各单电池内连接的支路。连接阳极气体供给歧管及阳极气体排出歧管的支路构成单电池内的阳极气体流路。连接阴极气体供给歧管及阴极气体排出歧管的支路构成单电池内的阴极气体流路。 

而且，使用电池堆的燃料电池系统被构成为：具有阳极气体及阴 极气体的供给系统及排出系统，阳极气体供给歧管的任何一个的端部与阳极气体的供给系统相连接，阳极气体排出歧管的任何一个的端部与阳极气体的排出系统相连接。同样地，阴极气体供给歧管的任何一个的端部上连接了阴极气体的供给系统，阴极气体排出歧管的任何一个的端部上连接了阴极气体的排出系统。 

阳极气体供给系统一般具有供给以含有水分的氢为主体的阳极气体的结构。例如，由氢气瓶、加湿装置、减压阀和流量调节阀以及连接它们的管道构成。或是，构成为具有将石油、天然气等以烃为主体的原料重整为以氢为主体的气体的氢生成装置。 

由于氢主体的阳极气体为可燃性气体，阳极气体排出系统一般构成为具有燃烧装置。 

阴极气体供给系统一般具有供给空气等氧主体的阴极气体的结构。例如，由鼓风机和加湿装置以及连接它们的管道构成。 

根据这样的燃料电池系统的构成，阳极气体从阳极气体供给歧管的一端向电池堆内供给，从阳极气体供给歧管向各单电池分支而流通，各单电池中剩余的阳极气体在阳极气体排出歧管中集合，从阳极气体排出歧管的端部向电池堆的外部排出。同样地，阴极气体从阴极气体供给歧管的一端供给，从阴极气体供给歧管向各单电池分支而流通，各单电池中剩余的阴极气体在阴极气体排出歧管中集合，从阴极气体排出歧管的端部向电池堆的外部排出。 

但是，在包括发电开始及输出调整的燃料电池系统的机动性方面，还有改善的余地。即，发电开始时，需要将单电池内的MEA升温到催化剂反应温度。但是，电池堆内所有的单电池升温需要时间和能量。 

而且，根据负载要求进行发电输出或热输出的低输出运行时，为了维持向外部的供给能量效率，有必要减少阳极气体及阴极气体的供给量。但是，如果减少阳极气体及阴极气体的供给量，会有产生燃料电池系统的发电输出不稳定的现象、所谓的溢流现象的问题。 

另一方面，在专利文献1中，提出了将容量大小不同的多个燃料电池串联地安装并在启动时仅使小容量燃料电池发电的燃料电池系统，可以通过燃烧剩余阳极气体及阴极气体而有效地升温小容量燃料电池，可以缩短燃料电池系统的启动时间。

而且，在专利文献2中，提出了安装多个燃料电池并在低输出运行时停止一部分燃料电池的燃料电池系统，可以不显著地降低发电效率且在燃料电池中不发生腐蚀等而降低燃料电池系统的发电输出。