燃料電池發電系統及其停止方法技術方案

提供一種燃料電池發電系統及其停止方法，在陰極和陽極這兩電極的四周形成氫氣氣氛以使燃料電池的發電停止的同時，防止發電停止時改性器異常溫度的上升。在繼續向陽極供給含氫氣體且停止向陰極供給含氧化劑氣體后，直至燃料電池疊層（１）的輸出電壓達到具有將燃料電池疊層（１）的輸出電流保持在固定值的恒定電流運轉功能的電力轉換器（１１）的可工作下限電壓值，使燃料電池疊層（１）的輸出經由電力轉換器（１１）在外部負載（１２）上被持續消耗。當燃料電池（１）的輸出電壓低于可工作下限電壓值時，將燃料電池疊層（１）的輸出連接到短路電阻器（１４）。此后，當燃料電池疊層（１）的輸出電壓達到大致為零的時刻，停止改性器（２）。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種利用電化學反應進行發電的燃料電池發電系統。
技術介紹
眾所周知，如果在陰極側殘留氧的狀態下停止燃料電池發電系統，則構成陰極電極的催化劑層失活(失效)，導致電極劣化。具體地，例如作為催化劑的鉑催化劑粒子由碳粒子支撐時，侵入的空氣中的氧和碳粒子反應，碳粒子變為一氧化碳而消失，鉑催化劑粒子與碳粒子脫離，鉑催化劑粒子相互凝集，喪失與負電極的導通，發生所謂失去作為催化劑功能的現象。為防止這種劣化現象，已公知這樣一種停止方法，在停止發電時由電阻使燃料電池的輸出短路，停止對陰極供給空氣，并完全消耗陰極中的氧(參照專利文獻1)。在對燃料電池的輸出進行電阻短路并且停止向陰極供給氧時，在陰極上，主要產生以下反應。(化學反應式1)(1)(2)(1)是開始關掉空氣供給后，短暫地、在氧濃度比較高的狀態下占優勢的反應，(2)是從氧濃度降低后占優勢的反應。通過(2)的反應就會在陰極產生氫，使催化劑附近的電位下降，防止催化劑氧化。因此，在此狀態下停止和保管燃料電池是劣化的對策。<專利文獻1>日本專利申請特開平11-26003號公報
技術實現思路
一方面，根據本專利技術人的實驗，判斷出，將燃料電池的輸出進行電阻短路，將陽極/陰極兩個電極處于氫氣氣氛下的狀態之后，關閉陽極/陰極兩個電極的出入口，停止和保管燃料電池時，不僅具有防止催化劑劣化，而且還具有能使劣化的催化劑再次活化的效果(未公知的技術)。考慮這是由于，在用使催化劑能力下降的氧化物等覆蓋催化劑表面的情況下，通過氫還原此氧化物。因此，研究將這樣的未公知的停止和保管方法適用于具備從原燃料生成向燃料電池供給的燃料的改性器的系統。為了將上述的在氫氣氣氛內保持陽極和陰極兩個電極的停止和保管方法(未公知技術)適用在通過改性器對陽極供給燃料的系統中，消耗陰極側的氧，降低氧濃度，直到在陰極產生氫為止，必須從改性器對陽極供給燃料。此情況下，如現有技術那樣，在停止供給空氣的同時將輸出轉換成電阻負載時，疊層(stack)電流與疊層電壓成比例地減少，為了減少陽極的氫消耗量，增大陽極廢氣中的氫量。而且，在去除陰極側殘留的氧之前花費較長的時間，延長了空氣供給停止后的改性器的運轉時間。因此，由于長時間利用改性器的廢氣燃燒器燃燒作為燃料的廢氣中包含的過量的氫，就會產生所謂改性器的溫度異常上升的問題。為了解決上述問題而提出了本專利技術，本專利技術的主要目的在于，提供一種在發電停止時，在防止改性器的異常溫度上升的同時、通過將兩極都置于氫氣氣氛內就可防止催化劑劣化并實現使已劣化的催化劑活化的燃料電池發電系統。根據本專利技術的一種燃料電池發電系統，其特征在于，包括具備陰極和陽極的燃料電池；將含氧化劑的氣體供給上述陰極的含氧化劑氣體供給通路；從原燃料產生含氫氣體，并將上述含氫氣體供給上述陽極的改性器；具有與外部負載連接的輸出端，并具有將上述燃料電池的輸出轉換為符合用途的電力的功能和恒定電流運轉功能的電力轉換器；與上述電力轉換器串聯連接的第一開關；短路電阻器；與上述短路電阻器串聯連接的第二開關；以及控制上述燃料電池的輸出電流值的電流值控制部，上述電力轉換器和上述第一開關的組連接在上述陰極和上述陽極之間；同樣地，上述短路電阻器和上述第二開關的組連接在上述陰極和上述陽極之間；在停止上述燃料電池的發電時，在從上述改性器向上述陽極繼續供給上述含氫氣體且停止向陰極供給上述含氧化劑氣體之后，直至上述燃料電池的輸出電壓低于固定的閾值的期間，上述電流值控制部向上述電力轉換器輸出電流指令值，同時，持續導通上述第一開關且持續關閉上述第二開關，使上述燃料電池的上述輸出經由上述電力轉換器在上述外部負載被消耗；而在上述燃料電池的上述輸出電壓已降低到小于上述閾值的階段，上述電流值控制部將上述第一開關轉換為截止狀態，同時將上述第二開關轉換為導通狀態，此后，在上述燃料電池的上述輸出電壓達到大致為零的時刻，停止向上述陽極供給上述含氫氣體。下面，基于附圖并與其效果、優點一起詳細描述本專利技術的各種具體形態。根據本專利技術，從停止供給含氧化劑氣體后到將燃料電池本體的輸出連接到短路電阻器為止的期間內，由于利用電力轉換器的恒定電流運轉功能將燃料電池輸出電流持續保持為指令值，就能夠促進殘留在燃料電池本體內的氧和氫的反應，因此在此期間與現有例相比，可顯著持續地減少殘留在陰極側的氧量，由于陽極側的廢氣內的氫量在該期間內沒有增加而保持為固定值，所以能夠防止改性器的異常溫度上升，同時能夠將陽極和陰極兩電極置于氫氣氣氛下，使燃料電池本體的發電停止。其結果，除了防止催化劑的劣化，還能夠使劣化了的催化劑在保管中活化。而且，根據本專利技術，由于從停止供給含氧化劑氣體后到將燃料電池本體的輸出連接到短路電阻器為止的期間，相當于電壓值及電流值比較大的時間間隔，在這樣的期間內能夠使燃料電池自身的電力經過電力轉換器在外部負載上被消耗，所以與現有例相比，能夠顯著地減少短路電阻器的容量。附圖說明圖1示意地示出了本專利技術的專利技術點及其效果的概念圖。圖2系統地示出了本專利技術的實施方式1～5的各燃料電池發電系統結構的方框圖。圖3示出了本專利技術的實施方式1～4的各燃料電池發電系統的停止程序的流程圖。圖4是示意地示出了與本專利技術的實施方式1～4相關的狀態變化的概念圖。圖5是表示本專利技術的實施方式5的燃料電池發電系統的停止程序的流程圖。(附圖標記說明)1 燃料電池疊層、2 改性器、3 助燃燃燒器、4 廢氣燃燒器、5 氧化劑供給源、10 開關、11 電力轉換器、12 外部負載、13 開關、14 短路電阻器、20 控制裝置、30 電壓檢測裝置、31 電壓檢測裝置、41，42，43，44 開關閥。具體實施例方式(本專利技術的專利技術點)在本專利技術的燃料電池發電系統的停止方法中，發電停止工作開始時，仍舊繼續向陽極供給燃料，當停止向陰極供給空氣后，一邊利用具有恒定電流功能的電力轉換器控制該電流值，以使伴隨著輸出電壓的下降，燃料電池自身電流值不會下降，即電流值為規定的范圍內(優選為固定值)，一邊消耗殘留在陰極的氧，并且在陰極產生氫后，將燃料電池自身的輸出的連接目的地從電力轉換器轉換到電阻負載上。根據圖1更詳細地記載了這一點。圖1概念地示出了發電停止前后的廢氣氫量、燃料電池疊層(燃料電池自身)的電壓V、燃料電池疊層的電流I、及陰極側的氧量狀態的變化圖。圖1中，關于物質量和狀態等，用粗線表示本專利技術，用虛線表示現有例。如圖1的粗線所示，停止向燃料電池疊層的陰極供給含氧化劑氣體后(若為現有例，由于在此時刻立即電阻短路燃料電池疊層的輸出，所以燃料電池疊層的電流值I與電壓值V成比例地減少)，控制電流值I，以使其隨著電壓值的下降而下降，即為指定的范圍(優選為固定值)的狀態。并且，消耗殘留在陰極的氧，在陰極產生氫，在陽極和陰極兩極都處于氫氣氣氛下的時刻，停止電流值I等于指定值的控制，將燃料電池的輸出的連接目的地轉換為短路電阻器，此后，在電壓V幾乎為零的時刻，停止改性器，使燃料電池發電系統成為中止狀態。但是，對于停止改性器的時刻而言，雖然從字面上說可以以電壓V為零起，但由于即使停止改性器，在陽極也殘留有充分的氫，在陰極產生氫，所以在陽極/陰極雙方的氫分壓變為相等而使電壓V成為零時，也可在電壓V為零前停止改性器。例如，可以換算為一個本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種燃料電池發電系統，其特征在于，包括：具備陰極和陽極的燃料電池；將含氧化劑的氣體供給上述陰極的含氧化劑氣體供給通路；從原燃料產生含氫氣體，并將上述含氫氣體供給上述陽極的改性器；具有與外部負載連接的輸出端，并 具有將上述燃料電池的輸出轉換為符合用途的電力的功能和恒定電流運轉功能的電力轉換器；與上述電力轉換器串聯連接的第一開關；短路電阻器；與上述短路電阻器串聯連接的第二開關；以及控制上述燃料電池的輸出電流值的電流值控 制部，上述電力轉換器和上述第一開關的組連接在上述陰極和上述陽極之間；同樣地，上述短路電阻器和上述第二開關的組連接在上述陰極和上述陽極之間；在停止上述燃料電池的發電時，在從上述改性器向上述陽極繼續供給上述含氫氣 體且停止向陰極供給上述含氧化劑氣體之后，直至上述燃料電池的輸出電壓低于固定的閾值的期間，上述電流值控制部向上述電力轉換器輸出電流指令值，同時，持續導通上述第一開關且持續關閉上述第二開關，使上述燃料電池的上述輸出經由上述電力轉換器在上述外部負載上被消耗；而在上述燃料電池的上述輸出電壓已降低到小于上述閾值的階段，上述電流值控制部將上述第一開關轉換為截止狀態，同時將上述第二開關轉換為導通狀態，此后，在上述燃料電池的上述輸出電壓達到大致為零的時刻，停止向上述陽極供給上述含氫氣 體。...

【技術特征摘要】
...

【專利技術屬性】
技術研發人員：松崎健男，高橋貢，川尻和彥，尾臺佳明，土野和典，
申請(專利權)人：三菱電機株式會社，
類型：發明
國別省市：JP[日本]