專利名稱：燃料電池系統(tǒng)以及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對燃料電池的陰極側(cè)或者陽極側(cè)的催化劑進(jìn)行再生處理的燃料電池系統(tǒng)以及用于此的方法。
背景技術(shù)：
固體高分子型的燃料電池，在一定的輸出電流下輸出電壓經(jīng)過一段時間就會降低。其主要原因之一是，因?yàn)槿剂想姵氐拈L期運(yùn)行，在燃料電池的陰極側(cè)或者陽極側(cè)的催化劑(例如Pt)上附著雜質(zhì)(例如S成分含有物，CO等)，從而造成這些催化劑的活性降低。
作為解決這一問題的燃料電池系統(tǒng)，眾所周知有與燃料電池并聯(lián)設(shè)置負(fù)載器的燃料電池系統(tǒng)(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。這種情況下，通過向燃料電池過剩地供給氧化劑氣體以及燃料氣體的兩者，并流過比額定運(yùn)行大的電流，從而對陰極側(cè)的催化劑進(jìn)行再生處理。
專利文獻(xiàn)1特開2003-115318號公報(bào)(第3頁以及第1圖)發(fā)明內(nèi)容但是，在這樣的以往的燃料電池系統(tǒng)中，產(chǎn)生超過額定電流值的剩余電流。因此，有對燃料電池材料或系統(tǒng)構(gòu)成部件的耐久性產(chǎn)生惡劣影響的可能。
本發(fā)明的目的在于，提供能夠?qū)﹃帢O側(cè)或者陽極側(cè)的催化劑適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行再生處理的燃料電池系統(tǒng)以及用于此的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，其具備控制向燃料電池供給的燃料氣體以及氧化劑氣體的供給流量、進(jìn)行恢復(fù)燃料電池的催化劑的低下活性的再生處理的再生處理裝置，燃料電池的陰極側(cè)的催化劑的再生處理，是通過由再生處理裝置使氧化劑氣體的流量按照與燃料氣體的關(guān)系比正常需求減少、從而使燃料電池的單格電壓低于規(guī)定電壓而進(jìn)行的。
根據(jù)該構(gòu)成，通過根據(jù)與燃料氣體的關(guān)系使氧化劑氣體的流量比正常需求減少，從而陰極的電位下降，從而使單格電壓低于規(guī)定電壓。由此，在陰極側(cè)發(fā)生將催化劑上附著的雜質(zhì)除去的反應(yīng)，還原為活性的催化劑。這樣，因?yàn)槭寡趸瘎怏w的流量與正常需求相比下降、進(jìn)行陰極側(cè)的催化劑的再生處理，所以能夠很好地避免對燃料電池材料等的耐久性造成惡劣影響。
在此，氧化劑氣體的代表例子是氧化氣體或空氣。燃料氣體的代表例子是例如純氫或、由天然氣等改性的氫、或甲醇。
在此，單格電壓的理論值是1.23V，但實(shí)機(jī)的額定運(yùn)行時的單格電壓是0.8V～1.0V。所謂“規(guī)定電壓”，只要是適于陰極側(cè)的催化劑的活性再生的低電壓即可，例如只要是0.8V～0.2V或者0.8V～0.3V左右即可。
上述的陰極側(cè)的催化劑的再生處理可以在燃料電池的起動時、額定運(yùn)行時以及停止時執(zhí)行。具體而言，如下進(jìn)行。
優(yōu)選的是，陰極側(cè)的再生處理，在燃料電池的起動時，是通過由再生處理裝置晚于向燃料電池的燃料氣體的供給的開始而開始向燃料電池的氧化劑氣體的供給而進(jìn)行的。這種情況下，優(yōu)選再生處理裝置在單格電壓小于等于0.3V時開始向燃料電池的氧化劑氣體的供給。
同樣優(yōu)選，陰極側(cè)的再生處理，在燃料電池的額定運(yùn)行時，是通過由再生處理裝置使氧化劑氣體的流量在規(guī)定時間內(nèi)降低而進(jìn)行的。
同樣優(yōu)選，陰極側(cè)的再生處理，在燃料電池的停止時，是通過由再生處理裝置在向燃料電池的燃料氣體的供給停止之前停止向燃料電池的氧化劑氣體的供給而進(jìn)行的。
優(yōu)選，將在上述再生處理時從燃料電池輸出的電，向與燃料電池連接的外部負(fù)載供給。
根據(jù)本發(fā)明的一個形態(tài)，再生處理裝置具備控制向燃料電池供給的燃料氣體的供給流量的第一流量控制裝置，和控制向燃料電池供給的氧化劑氣體的供給流量的第二流量控制裝置。而且，第一流量控制裝置和第二流量控制裝置優(yōu)選為了進(jìn)行再生處理而進(jìn)行控制。
這種情況下，優(yōu)選，第一流量控制裝置包括設(shè)置在燃料氣體流過的管路上的至少一個閥。優(yōu)選，第二流量控制裝置包括設(shè)置在氧化劑氣體流過的管路上的至少一個閥或者氧化劑氣體供給機(jī)。
鑒于得出本發(fā)明的經(jīng)過，從其他觀點(diǎn)看待本發(fā)明，內(nèi)容如下。
即，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，其具備控制向燃料電池供給的燃料氣體以及氧化劑氣體的供給流量、進(jìn)行恢復(fù)燃料電池的催化劑的低下活性的再生處理的再生處理裝置，具備控制向燃料電池供給的燃料氣體的供給流量的第一流量控制設(shè)備，和控制向燃料電池供給的氧化劑氣體的供給流量的第二流量控制設(shè)備。而且，燃料電池的陰極側(cè)的催化劑的再生處理，是通過由第一流量控制設(shè)備以及第二流量控制設(shè)備進(jìn)行控制，以使得氧化劑氣體的流量按照與燃料氣體的關(guān)系來看比正常需求減少，從而使燃料電池的單格電壓低于規(guī)定電壓而進(jìn)行的。
這種情況下，優(yōu)選將在再生處理時從燃料電池輸出的電力，向與燃料電池連接的外部負(fù)載供給。
上述的陰極側(cè)的催化劑的再生處理，可以在燃料電池的起動時、額定運(yùn)行時以及停止時執(zhí)行。具體而言，如下進(jìn)行。
陰極側(cè)的催化劑的再生處理，優(yōu)選為在燃料電池的起動時，是通過由第一流量控制設(shè)備以及第二流量控制設(shè)備，以遲于向燃料電池的燃料氣體的供給的開始而開始向燃料電池的氧化劑氣體的供給的方式進(jìn)行控制而進(jìn)行的。
同樣，陰極側(cè)的催化劑的再生處理，優(yōu)選為在燃料電池的額定運(yùn)行時，是通過由第一流量控制設(shè)備以及第二流量控制設(shè)備，以使氧化劑氣體的流量在規(guī)定時間內(nèi)降低的方式進(jìn)行控制而進(jìn)行的。
同樣，陰極側(cè)的催化劑的再生處理，油選為在燃料電池的停止時，是通過由第一流量控制設(shè)備以及第二流量控制設(shè)備，以在向燃料電池的燃料氣體的供給停止之前停止向燃料電池的氧化劑氣體的供給的方式進(jìn)行控制而進(jìn)行的。
優(yōu)選為第一流量控制設(shè)備包括設(shè)置在燃料氣體流過的管路上的至少一個閥。
優(yōu)選為第二流量控制設(shè)備包括設(shè)置在氧化劑氣體流過的管路上的至少一個閥或者氧化劑氣體供給機(jī)。
本發(fā)明的其他的燃料電池系統(tǒng)，其具備控制向燃料電池供給的燃料氣體以及氧化劑氣體的供給流量、進(jìn)行恢復(fù)燃料電池的催化劑的低下活性的再生處理的再生處理裝置，燃料電池的陰極側(cè)的催化劑的再生處理，是通過再生處理裝置使燃料氣體的流量按照與氧化劑氣體的關(guān)系比正常需求減少，從而使燃料電池的單格電壓低于規(guī)定電壓而進(jìn)行的。
根據(jù)該構(gòu)成，和上述陰極側(cè)的再生處理一樣，通過使燃料氣體的流量按照與氧化劑氣體的關(guān)系比正常需求減少，從而使陽極的電位上升，也使單格電壓低于規(guī)定電壓。由此，在陽極側(cè)發(fā)生將在催化劑上附著的雜質(zhì)去除的反應(yīng)，使其還原為活性催化劑。這樣，因?yàn)橄啾日Ｐ枨笕剂蠚怏w的流量降低，進(jìn)行陽極側(cè)的催化劑的再生處理，所以能夠適當(dāng)?shù)乇苊鈱θ剂想姵夭牧系鹊哪途眯栽斐蓯毫佑绊憽?br> 陽極側(cè)的催化劑的再生處理，和陰極側(cè)的再生處理一樣，能夠在燃料電池的起動時、額定運(yùn)行時以及停止時執(zhí)行。具體而言，如下進(jìn)行。
陽極側(cè)的催化劑的再生處理，優(yōu)選為在燃料電池的起動時，是通過由再生處理裝置遲于向燃料電池的氧化劑的供給的開始而開始向燃料電池的燃料氣體的供給而進(jìn)行的。
同樣，陽極側(cè)的再生處理，優(yōu)選為在燃料電池的額定運(yùn)行時，是通過由再生處理裝置使燃料氣體的流量在規(guī)定時間內(nèi)降低而進(jìn)行的。
同樣，陽極側(cè)的再生處理，優(yōu)選為在燃料電池的停止時，是通過由再生處理裝置在向燃料電池的氧化劑氣體的供給停止之前停止向燃料電池的燃料氣體的供給而進(jìn)行的。
優(yōu)選，將在上述再生處理時從燃料電池輸出的電力，向與燃料電池連接的外部負(fù)載供給。另外，再生處理裝置和上述一樣，具備第一流量控制裝置以及第二流量控制裝置，第一流量控制裝置以及第二流量控制裝置以進(jìn)行再生處理的方式進(jìn)行控制即可。
鑒于得出本發(fā)明的經(jīng)過，從其他觀點(diǎn)看待本發(fā)明，內(nèi)容如下。
即，一種控制向燃料電池供給的燃料氣體以及氧化劑氣體的供給流量、進(jìn)行恢復(fù)燃料電池的催化劑的低下活性的再生處理的燃料電池系統(tǒng)，具備控制向燃料電池供給的燃料氣體的供給流量的第一流量控制設(shè)備，和控制向燃料電池供給的氧化劑氣體的供給流量的第二流量控制設(shè)備。而且，燃料電池的陽極側(cè)的催化劑的再生處理，是通過由第一流量控制設(shè)備以及第二流量控制設(shè)備，以根據(jù)與氧化劑氣體的關(guān)系使燃料氣體的流量比正常需求減少的方式進(jìn)行控制，從而使燃料電池的單格電壓低于規(guī)定電壓而進(jìn)行的。
這種情況下，優(yōu)選將在再生處理時從燃料電池輸出的電力，向與燃料電池連接的外部負(fù)載供給。
陽極側(cè)的再生處理，優(yōu)選為在燃料電池的起動時，是通過由第一流量控制設(shè)備以及第二流量控制設(shè)備以遲于向燃料電池的氧化劑氣體的供給的開始而開始向燃料電池的燃料氣體的供給的方式進(jìn)行控制而進(jìn)行的。
同樣，陽極側(cè)的再生處理，優(yōu)選為在燃料電池的額定運(yùn)行時，是通過由第一流量控制設(shè)備以及第二流量控制設(shè)備以使燃料氣體的流量在規(guī)定時間內(nèi)降低的方式進(jìn)行控制而進(jìn)行的。
同樣，陽極側(cè)的再生處理，優(yōu)選為在燃料電池的停止時，是通過由第一流量控制設(shè)備以及第二流量控制設(shè)備以在向燃料電池的氧化劑氣體的供給停止之前停止向燃料電池的燃料氣體的供給的方式進(jìn)行控制而進(jìn)行的。
優(yōu)選為第一流量控制設(shè)備包括設(shè)置在燃料氣體流過的管路上的至少一個閥。
優(yōu)選為第二流量控制設(shè)備包括設(shè)置在氧化劑氣體流過的管路上的至少一個閥或者氧化劑氣體供給機(jī)。
本發(fā)明的其他的燃料電池系統(tǒng)，它是具備控制向燃料電池供給的燃料氣體的流量的第一流量控制裝置(設(shè)備)和控制向燃料電池供給的氧化劑氣體的流量的第二流量控制裝置(設(shè)備)的燃料電池系統(tǒng)，在燃料電池的停止時，在第一流量控制裝置(設(shè)備)停止燃料氣體的供給之后第二流量控制裝置(設(shè)備)停止氧化劑氣體的供給，在燃料電池的起動時，在第一流量控制裝置(設(shè)備)開始燃料氣體的供給之后第二流量控制裝置(設(shè)備)開始氧化劑氣體的供給。
根據(jù)該構(gòu)成，在燃料電池的停止時，能夠使燃料氣體的流量在與氧化劑氣體的關(guān)系中比正常需求減少，能夠進(jìn)行陽極側(cè)的催化劑的再生處理。另一方面，在燃料電池的起動時，能夠使氧化劑氣體的流量在與燃料氣體的關(guān)系中比正常需求減少，能夠進(jìn)行陰極側(cè)的催化劑的再生處理。因此，在對燃料電池材料等的耐久性不造成惡劣影響的、燃料電池的接下來的額定運(yùn)行時，能夠使陰極側(cè)以及陽極側(cè)的兩方的催化劑的再生處理適當(dāng)?shù)赝瓿伞?br> 另外，本發(fā)明的方法，它是一種用于控制向燃料電池供給的燃料氣體以及氧化劑氣體的供給流量、恢復(fù)燃料電池的催化劑的低下活性的方法，包括通過使氧化劑氣體的流量在與燃料氣體的關(guān)系中比正常需求減少，使燃料電池的單格電壓低于規(guī)定電壓，從而再生燃料電池的陰極側(cè)的催化劑的工序。
本發(fā)明的其他的方法，它是一種用于控制向燃料電池供給的燃料氣體以及氧化劑氣體的供給流量、恢復(fù)燃料電池的催化劑的低下活性的方法，包括通過使燃料氣體的流量在與氧化劑氣體的關(guān)系中比正常需求減少，使燃料電池的單格電壓低于規(guī)定電壓，從而再生燃料電池的陽極側(cè)的催化劑的工序。
在這些情況下，優(yōu)選上述的再生工序是在燃料電池的起動時、額定運(yùn)行時以及停止時中的至少一個時間進(jìn)行的。
本發(fā)明的另外其他的方法，它是一種用于控制向燃料電池供給的燃料氣體以及氧化劑氣體的供給流量、恢復(fù)燃料電池的催化劑的低下活性的方法，包括在燃料電池的停止時，在停止燃料氣體的供給之后停止氧化劑氣體的供給的工序；和在前一工序后的燃料電池的起動時，在開始燃料氣體的供給之后開始氧化劑氣體的供給的工序。
根據(jù)以上說明的本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，能夠適當(dāng)?shù)貙﹃帢O側(cè)或者陽極側(cè)的催化劑進(jìn)行再世處理，從而能夠適當(dāng)?shù)鼐S持燃料電池的輸出性能。


圖1是表示燃料電池系統(tǒng)得主要部分的構(gòu)成的構(gòu)成圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照說明書附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說明。
如圖1所示，例如搭載在燃料電池汽車上的燃料電池系統(tǒng)1，具有適宜車載的固體高分子電解質(zhì)型的燃料電池2和統(tǒng)合地控制系統(tǒng)全體的控制裝置3。燃料電池2由層疊多個單格電池電池的堆疊構(gòu)造構(gòu)成，接受作為氧化劑氣體的氧(空氣)和作為燃料氣體的氫的供給而產(chǎn)生電力。另外，在將燃料電池2設(shè)為固定使用式的情況下，最好是固體高分子電解質(zhì)型或者磷酸型。即便在固定使用式燃料電池系統(tǒng)中，也具有同樣的燃料電池2以及同樣的控制裝置3。
燃料電池2的單格電池是在由離子交換膜構(gòu)成的電解質(zhì)膜11的兩側(cè)配置陰極12(空氣極)以及陽極13(燃料極)而構(gòu)成的。陰極12是在例如由多孔質(zhì)的碳材料構(gòu)成的擴(kuò)散層上將鉑作為催化劑粘合而構(gòu)成的。同樣地，陽極13是在例如由多孔質(zhì)的碳材料構(gòu)成的擴(kuò)散層上將鉑作為催化劑粘合而構(gòu)成的。
向陽極13供給氫，通過陽極13的鉑催化劑促進(jìn)式(1)所表示的反應(yīng)。向陰極12供給氧，通過陰極12的鉑催化劑促進(jìn)式(2)所表示的反應(yīng)。作為燃料電池2的單格電池全體，發(fā)生式(3)所表示的起電反應(yīng)。
H2→2H++2e-...(1)(1/2)O2+2H++2e-→H2O... (2)H2+(1/2)O2→H2O...(3)
將氧化劑氣體由壓縮機(jī)21通過供給管路22向燃料電池2的陰極12供給。將從燃料電池2排出的氧化劑氣體(沒有反應(yīng)的氧化劑氣體)，通過排出管路23向外部排出。設(shè)置在排出管路23上的閥24，被構(gòu)成得能夠調(diào)整向陰極12供給的氧化劑氣體的流量。另外，通過作為氧化劑氣體供給機(jī)替代壓縮機(jī)21而使用鼓風(fēng)機(jī)，也可將氧化劑氣體向燃料電池加壓輸送。
燃料氣體貯留在高壓罐等的氣體供給源31中，通過供給管路32而向燃料電池2的陽極13供給。氣體供給源31也可以貯留純粹的氫氣，或者在例如車輛或固定使用式系統(tǒng)中改性為氫氣的情況下也可以貯留天然氣或汽油。在后者的情況下，在供給管路32上設(shè)置改性器，將由改性器改性的氫氣(改性氣體)向陽極13供給。
在供給管路32上設(shè)置有能夠調(diào)整向陽極13供給的燃料氣體的流量的閥33。另外，從燃料電池2將燃料氣體(沒有反應(yīng)的燃料氣體)向外部排出的排出管路34上，設(shè)置有能夠調(diào)整向陽極13供給的燃料氣體的流量的閥35。另外，可以使排出管路34與供給管路32合流，通過泵等使燃料氣體向燃料電池2循環(huán)供給。
這些閥24、33、35被構(gòu)成得能夠調(diào)整在各管路23、32、34的通路上的閥的開度。例如，這些閥24、33、35可以由能夠與燃料電池2的輸出相對應(yīng)地適當(dāng)設(shè)定閥的開度的調(diào)壓閥或流量控制閥構(gòu)成。另外，這些閥24、33、35也可以由截止各管路的通路的截止閥構(gòu)成。這些閥24、33、35與控制裝置3相連接，與壓縮機(jī)21共同作為流量控制裝置(流量控制設(shè)備)發(fā)揮作用。
即，閥33以及閥35，分別或者協(xié)動而構(gòu)成控制向陽極13供給的燃料氣體的流量的第一流量控制裝置。也就是說，閥33以及閥35中的至少一方相當(dāng)于第一流量控制設(shè)備。同樣地，壓縮機(jī)21以及閥24，分別或者協(xié)動而構(gòu)成控制向陰極14供給的氧化劑氣體的流量的第二流量控制裝置。也就是說，壓縮機(jī)21以及閥24中的至少一方相當(dāng)于第二流量控制設(shè)備。通過這兩個流量控制裝置(流量控制設(shè)備)發(fā)揮作用，控制向燃料電池2供給的反應(yīng)氣體(燃料氣體以及氧化劑氣體)的供給流量，適當(dāng)?shù)乜刂迫剂想姵?的起動、停止以及額定運(yùn)行。另外，如后所述，兩個流量控制裝置(流量控制設(shè)備)，通過被協(xié)調(diào)控制，作為控制向燃料電池2供給的反應(yīng)氣體的供給流量，進(jìn)行恢復(fù)燃料電池2的催化劑的低下活性的再生處理的再生反應(yīng)裝置而發(fā)揮作用。
但是，因?yàn)槿剂想姵?的長期運(yùn)行，燃料電池2的陰極12側(cè)的催化劑(鉑)活性降低，其主要原因是，在陰極12上除了上述的式(2)以外，在催化劑上同時發(fā)生式(4)所示的水的氧化反應(yīng)或空氣中的雜質(zhì)的氧化反應(yīng)而造成的。
Pt+H2O→PtOH+H++e-...(4)該二次反應(yīng)的結(jié)果是，生成PtOH等反應(yīng)物，由于在催化劑上附著的雜質(zhì)導(dǎo)致催化劑的氧化還原反應(yīng)的活性降低。這不僅是陰極12側(cè)的催化劑，關(guān)于陽極13側(cè)的催化劑(鉑)也同樣活性降低。因?yàn)檫@樣的催化劑的活性的降低，導(dǎo)致燃料電池2的輸出性能隨著時間經(jīng)過而降低。
在此，作為在陰極12側(cè)的催化劑上附著的雜質(zhì)，除硫(S)或氮氧化物(NOX)等之外，在例如車輛在海邊附近行駛時可以列舉氯(Cl)。另外，作為在陽極13側(cè)的催化劑上附著的雜質(zhì)，尤其是在使用改性器的燃料電池系統(tǒng)1的情況下，可以列舉甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、硫氧化物(SOX)等。
本實(shí)施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)1，通過兩個流量控制裝置即再生處理裝置(以壓縮機(jī)21、閥24、閥33以及閥35為主要構(gòu)成要素)，能夠進(jìn)行使催化劑活性化的催化劑的再生處理。催化劑的再生處理是將外部負(fù)載41(模擬電阻)與燃料電池2連接而進(jìn)行的。作為外部負(fù)載41，可以列舉二次電池、電容器等蓄電裝置，或加熱器、家用電器設(shè)備等電力使用設(shè)備等?；蛘?，外部負(fù)載41也可以是單純電阻。外部負(fù)載41，通過將開關(guān)打開(ON)，接受從燃料電池2輸出的電力的供給并將其消耗。另一方面，外部負(fù)載41，通過將開關(guān)關(guān)閉(OFF)，斷開從燃料電池2輸出的電力的供給。
以下，對于陰極12側(cè)的催化劑的再生處理、陽極13側(cè)的催化劑的再生處理、以及這兩者并行進(jìn)行的再生處理，按順序進(jìn)行說明。
陰極12側(cè)的Pt催化劑的再生處理是，通過將由上述式(4)等生成的PtOH等還原為Pt，從而對陰極12的氧反應(yīng)活性進(jìn)行再生的。該再生處理，是通過在燃料電池2與外部負(fù)載41連接的狀態(tài)(開關(guān)ON的狀態(tài))下，再生處理裝置(21、24、33、35)根據(jù)與燃料氣體(氫)的關(guān)系使氧化劑氣體的流量比正常需求減少而進(jìn)行的。因?yàn)樵撗趸瘎怏w的流量減少，所以陰極12的電位下降，導(dǎo)致單格電壓低于規(guī)定電壓。因此，使陰極12側(cè)的催化劑除去附著在其上的雜質(zhì)，從而還原為活性的催化劑。
具體而言，通過減少氧化劑氣體的流量，從而上述式(2)的反應(yīng)受到抑制。取而代之，例如在催化劑上促進(jìn)式(5)所表示的反應(yīng)，除去Pt的OH-。關(guān)于其它的雜質(zhì)，因?yàn)橐泊龠M(jìn)同樣的反應(yīng)，所以還原為活性的催化劑。
PtOH+H++e-→Pt+H2O... (5)關(guān)于這樣的再生處理在燃料電池2的起動時、額定運(yùn)行時以及停止時執(zhí)行執(zhí)行的情況，按順序進(jìn)行說明。
在起動燃料電池2時，即為了從燃料電池2取出電流而啟動燃料電池系統(tǒng)1時，在燃料電池2與外部負(fù)載41連接的狀態(tài)下，將燃料氣體比氧化劑氣體先向燃料電池2供給。具體而言，通過控制裝置3使位于燃料氣體的通路上的閥33以及閥35開閥，從而開始向燃料電池2的燃料氣體的供給。
經(jīng)過規(guī)定的時間后，在電壓變?yōu)樾∮诘扔?.3V時，開始壓縮機(jī)21的驅(qū)動，開始向燃料電池2供給氧化劑氣體。此時，雖然也可以使位于排出管路23上的閥24開閥，但優(yōu)選通過將閥24與壓縮機(jī)21協(xié)調(diào)控制，將規(guī)定流量的氧化劑氣體向燃料電池2供給。該規(guī)定流量，被控制為使得單格電壓處在適于陰極12側(cè)的催化劑的活性再生的低電壓的范圍內(nèi)。這里的低電壓范圍優(yōu)選是0.8V～0.2V或者0.8V～0.3V左右。

在燃料電池2的額定運(yùn)行中，即在燃料電池2基于輸出要求而發(fā)電時，在燃料電池2與外部負(fù)載41連接的狀態(tài)下，使向燃料電池2供給的氧化劑氣體的流量在規(guī)定的時間內(nèi)減少。具體而言，將位于排出管路23上的閥24閉閥或者將流量節(jié)流到與其接近的狀態(tài)，調(diào)整氧化劑氣體的流量，使反應(yīng)理論配比小于等于1。另外，與閥24協(xié)動或者獨(dú)立地，停止壓縮機(jī)21的驅(qū)動，或者控制壓縮機(jī)21的驅(qū)動減少排出空氣量。
燃料電池2的額定運(yùn)行時的陰極12的再生處理，只要例如每隔一小時使氧化劑氣體的流量減少即可。另外，只要單格電壓在上述的范圍內(nèi)(例如0.8V～0.2V)或者在0.7V～0.01V的范圍內(nèi)保持例如30秒，然后再向燃料電池供給正常需求的流量的氧化劑氣體即可。
在使燃料電池2停止時，即在使燃料電池系統(tǒng)1的運(yùn)行停止時，在燃料電池2與外部負(fù)載41連接的狀態(tài)下，對于氧化劑氣體使其比燃料氣體先停止向燃料電池2的供給。具體而言，停止壓縮機(jī)21的驅(qū)動，停止向燃料電池2的氧化劑氣體的供給。此時，閥24雖然可以開閥，但是優(yōu)選閉閥。經(jīng)過規(guī)定的時間后，如果單格電壓達(dá)到上述的規(guī)定電壓(例如0.8V～0.2V)，則閥33以及閥35閉閥，停止向燃料電池2的燃料氣體的供給。
陽極13側(cè)的Pt催化劑的再生處理，同樣是在燃料電池2與外部負(fù)載41連接的狀態(tài)下進(jìn)行的。該再生處理，是通過再生處理裝置(21、24、33、35)根據(jù)與氧化劑氣體的關(guān)系使燃料氣體的流量比正常需求減少，從而使陽極13的電位上升，使單格電壓低于規(guī)定電壓而進(jìn)行的。由此，陽極13側(cè)的催化劑除去附著在其上的雜質(zhì)，從而還原為活性的催化劑。關(guān)于這樣的再生處理在燃料電池2的起動時、額定運(yùn)行時以及停止時執(zhí)行的情況，按順序簡單地進(jìn)行說明。
在起動燃料電池2時，在燃料電池2與外部負(fù)載41連接的狀態(tài)下，比燃料氣體先行將氧化劑氣體向燃料電池2供給。具體而言，將閥33以及閥35閉閥、形成不向燃料電池2供給燃料氣體的狀態(tài)，開始壓縮機(jī)21的驅(qū)動，從而開始向燃料電池2的氧化劑氣體的供給?；蛘?，設(shè)為將閥33以及閥35閉閥的狀態(tài)，使位于排出管路23的閥24開閥，從而使外部空氣從排出管路23的排出口向燃料電池2自然供給。
另外，當(dāng)在從氣體供給源31起始的供給管路32上設(shè)置改性器的情況下，除了將閥33以及閥35閉閥的方法以外，還可以使天然氣體等的改性燃料的供給停止，或者也可以通過圖示省略的切換閥等的操作，使得改性為氫的改性氣體與燃料電池2分流。
接著，從氧化劑氣體的供給開始經(jīng)過規(guī)定的時間后，使閥33以及閥35開閥，開始向燃料電池2供給燃料氣體。此時，單格電壓被控制為保持適于陽極13側(cè)的催化劑的活性再生的正極性并處于低電壓的范圍內(nèi)。另外，為了避免單格電壓小于等于0.01V，在小于等于0.01V的情況下將外部負(fù)載41從燃料電池2上切斷(開關(guān)OFF)，使放電停止。
在燃料電池2的額定運(yùn)行中，在燃料電池2與外部負(fù)載41連接的狀態(tài)下，使向燃料電池2供給的燃料氣體的流量在規(guī)定的時間內(nèi)減少。具體而言，將閥33以及閥35中的至少一方閉閥或者將流量節(jié)流至與其接近的狀態(tài)，調(diào)整燃料氣體的流量。此時，使反應(yīng)理論配比變得小于等于1。在這種情況下，也要使單格電壓不會變得小于等于0.01V。
在燃料電池2停止時，在燃料電池2與外部負(fù)載41連接的狀態(tài)下，比氧化劑氣體先停止燃料氣體的供給。具體而言，首先將閥33以及閥35閉閥，從而停止向燃料電池2的燃料氣體的供給。另外，在設(shè)置有改性器的情況下，與上述同樣地進(jìn)行改性燃料的供給停止等。雖然繼續(xù)向燃料電池2供給氧化劑氣體，但此時即可以繼續(xù)壓縮機(jī)21的驅(qū)動，或者也可以停止壓縮機(jī)21的驅(qū)動，從排出管路23的排出口向燃料電池2自然供給外部空氣。
經(jīng)過規(guī)定的時間后，單格電壓開始下降，但單格電壓被控制為保持適于陽極13側(cè)的催化劑的活性再生的正極性并處于低電壓的范圍內(nèi)。與上述同樣地，在單格電壓變?yōu)樾∮诘扔?.01V的情況下將外部負(fù)載41從燃料電池2斷開(開關(guān)OFF)，使放電停止。然后，在完全停止壓縮機(jī)21的驅(qū)動的同時將閥24閉閥，停止向燃料電池2的氧化劑氣體的供給。
該再生處理是將上述的陰極12的再生處理和陽極13的再生處理組合的處理。具體而言，在燃料電池2停止時，執(zhí)行陽極13的再生處理(參照2-3.)。而且，在燃料電池2的下一次的起動時，執(zhí)行陰極12的再生處理(參照1-1.)。這些再生處理，因?yàn)槟軌蚺c上述同樣地進(jìn)行，所以在此省略詳細(xì)的說明。
通過按照這樣的順序進(jìn)行兩個再生處理，在燃料電池2的下次的運(yùn)行時，能夠預(yù)先適當(dāng)?shù)赝瓿申帢O12側(cè)的催化劑以及陽極13側(cè)的催化劑的再生處理。另外，因?yàn)樵谌剂想姵?的停止時的陽極13的再生處理中殘存的氫幾乎被消耗，所以能夠極力地抑制在系統(tǒng)停止期間中向陰極12的氫滲透。另外，可以適宜地設(shè)定在燃料電池2的停止時進(jìn)行陰極12的再生處理，在燃料電池2的下次的起動時進(jìn)行陽極13的再生處理等，陰極12的再生處理(1-1、1-2、1-3)和陽極13的再生處理(2-1、2-2、2-3)的組合。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其具備控制向燃料電池供給的燃料氣體以及氧化劑氣體的供給流量、進(jìn)行恢復(fù)該燃料電池的催化劑的低下活性的再生處理的再生處理裝置，其特征在于，所述燃料電池的陰極側(cè)的催化劑的再生處理，是通過所述再生處理裝置根據(jù)與燃料氣體的關(guān)系使氧化劑氣體的流量比正常需求減少、由此使所述燃料電池的單格電壓低于規(guī)定電壓而進(jìn)行的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在所述再生處理時，從所述燃料電池輸出的電力，向與所述燃料電池連接的外部負(fù)載供給。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述再生處理，在所述燃料電池的起動時，是通過所述再生處理裝置在開始向該燃料電池的燃料氣體的供給之后開始向該燃料電池的氧化劑氣體的供給而進(jìn)行的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述再生處理裝置，在所述單格電壓小于等于0.3V時開始向所述燃料電池的氧化劑氣體的供給。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述再生處理，在所述燃料電池的額定運(yùn)行時，是通過所述再生處理裝置使氧化劑氣體的流量在規(guī)定時間內(nèi)降低而進(jìn)行的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述再生處理，在所述燃料電池的停止時，是通過所述再生處理裝置在停止向該燃料電池的燃料氣體的供給之前停止向該燃料電池的氧化劑氣體的供給而進(jìn)行的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述再生處理裝置具備控制向所述燃料電池供給的燃料氣體的供給流量的第一流量控制裝置，和控制向所述燃料電池供給的氧化劑氣體的供給流量的第二流量控制裝置；所述第一流量控制裝置和所述第二流量控制裝置進(jìn)行控制以進(jìn)行所述再生處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一流量控制裝置包括設(shè)置在燃料氣體所流過的管路上的至少一個閥。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第二流量控制裝置包括設(shè)置在氧化劑氣體所流過的管路上的至少一個閥或者氧化劑氣體供給機(jī)。
10.一種燃料電池系統(tǒng)，其具備控制向燃料電池供給的燃料氣體以及氧化劑氣體的供給流量、進(jìn)行恢復(fù)該燃料電池的催化劑的低下活性的再生處理的再生處理裝置，其特征在于，所述燃料電池的陽極側(cè)的催化劑的再生處理，是通過所述再生處理裝置根據(jù)與氧化劑氣體的關(guān)系使燃料氣體的流量比正常需求減少、由此使所述燃料電池的單格電壓低于規(guī)定電壓而進(jìn)行的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在所述再生處理時，從所述燃料電池輸出的電力，向與所述燃料電池連接的外部負(fù)載供給。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述再生處理，在所述燃料電池的起動時，是通過所述再生處理裝置在開始向該燃料電池的氧化劑氣體的供給之后開始向該燃料電池的燃料氣體的供給而進(jìn)行的。
13.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述再生處理，在所述燃料電池的額定運(yùn)行時，是通過所述再生處理裝置使燃料氣體的流量在規(guī)定時間內(nèi)降低而進(jìn)行的。
14.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述再生處理，在所述燃料電池的停止時，是通過所述再生處理裝置在停止向該燃料電池的氧化劑氣體的供給之前停止向該燃料電池的燃料氣體的供給而進(jìn)行的。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14中任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述再生處理裝置具備控制向所述燃料電池供給的燃料氣體的供給流量的第一流量控制裝置，和控制向所述燃料電池供給的氧化劑氣體的供給流量的第二流量控制裝置，所述第一流量控制裝置和所述第二流量控制裝置進(jìn)行控制以進(jìn)行所述再生處理。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一流量控制裝置包括設(shè)置在燃料氣體所流過的管路上的至少一個閥。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第二流量控制裝置包括設(shè)置在氧化劑氣體所流過的管路上的至少一個閥或者氧化劑氣體供給機(jī)。
18.一種燃料電池系統(tǒng)，其具備控制向燃料電池供給的燃料氣體的流量的第一流量控制裝置和控制向燃料電池供給的氧化劑氣體的流量的第二流量控制裝置，其特征在于，在所述燃料電池的停止時，在所述第一流量控制裝置停止燃料氣體的供給之后，所述第二流量控制裝置停止氧化劑氣體的供給；在所述燃料電池的起動時，在所述第一流量控制裝置開始燃料氣體的供給之后，所述第二流量控制裝置開始氧化劑氣體的供給。
19.一種方法，它是用于控制向燃料電池供給的燃料氣體以及氧化劑氣體的供給流量、恢復(fù)該燃料電池的催化劑的低下活性的方法，其特征在于，包括通過根據(jù)與燃料氣體的關(guān)系使氧化劑氣體的流量比正常需求減少，從而使所述燃料電池的單格電壓低于規(guī)定電壓，對所述燃料電池的陰極側(cè)的催化劑進(jìn)行再生的工序。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述工序在所述燃料電池的起動時、額定運(yùn)行時以及停止時的至少一個時候進(jìn)行。
21.一種方法，它是用于控制向燃料電池供給的燃料氣體以及氧化劑氣體的供給流量、恢復(fù)該燃料電池的催化劑的低下活性的方法，其特征在于，包括通過根據(jù)與氧化劑氣體的關(guān)系使燃料氣體的流量比正常需求減少，從而使所述燃料電池的單格電壓低于規(guī)定電壓，對所述燃料電池的陽極側(cè)的催化劑進(jìn)行再生的工序。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述工序在所述燃料電池的起動時、額定運(yùn)行時以及停止時的至少一個時候進(jìn)行。
23.一種方法，它是用于控制向燃料電池供給的燃料氣體以及氧化劑氣體的供給流量、恢復(fù)該燃料電池的催化劑的低下活性的方法，其特征在于，包括在所述燃料電池的停止時，在停止燃料氣體的供給之后停止氧化劑氣體的供給的工序；和在前述工序后的所述燃料電池的起動時，在開始燃料氣體的供給之后開始氧化劑氣體的供給的工序。
全文摘要
本發(fā)明的課題在于提供能夠?qū)﹃帢O側(cè)或者陽極側(cè)的催化劑適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行再生處理的燃料電池系統(tǒng)。一種燃料電池系統(tǒng)，它是具備控制向燃料電池(2)供給的燃料氣體以及氧化劑氣體的供給流量、進(jìn)行恢復(fù)燃料電池(2)的催化劑的低下活性的再生處理的再生處理裝置(21、24、33、35)的燃料電池系統(tǒng)(1)，燃料電池(2)的陰極(12)側(cè)的催化劑的再生處理，是通過再生處理裝置根據(jù)與燃料氣體的關(guān)系使氧化劑氣體的流量比正常需求減少、從而使燃料電池(2)的單格電壓低于規(guī)定電壓而進(jìn)行的。陽極(13)側(cè)的催化劑的再生處理也一樣，是通過再生處理裝置根據(jù)與氧化劑氣體的關(guān)系使燃料氣體的流量比正常需求減少而進(jìn)行的。
文檔編號H01M8/10GK101048909SQ20058003701
公開日2007年10月3日 申請日期2005年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者曾一新 申請人:豐田自動車株式會社, 愛信精機(jī)株式會社