專利名稱：燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明，涉及使用燃料電池的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，更詳細(xì)地說，是涉及可簡便且高效地除去提供給燃料電池的空氣極的空氣中所含的細(xì)微的塵埃、鹽分等雜質(zhì)，防止燃料電池的輸出特性惡化，同時，通過對提供給空氣極的空氣進(jìn)行適度加濕，防止固體高分子膜的導(dǎo)電性下降的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池往往用于發(fā)電系統(tǒng)，傳統(tǒng)開發(fā)的有如圖6所示那樣的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)S由以下部分構(gòu)成由單體電池的層疊體構(gòu)成的燃料電池本體A；將純氫或?qū)⑻細(xì)浠衔锶剂细馁|(zhì)成富氫氣體提供給燃料電池本體A的燃料處理裝置C；將作為氧化劑的空氣提供給燃料電池本體A的反應(yīng)空氣供給裝置D；將燃料電池本體A的輸出直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娏鞯碾娏ψ儞Q裝置(圖中未畫)；控制這些各部分的控制裝置(圖中未畫)。
上述反應(yīng)空氣供給裝置D，具有前處理過濾器E以及空氣鼓風(fēng)機(jī)F，在前處理過濾器E中除去空氣中的塵埃，利用空氣鼓風(fēng)機(jī)F將空氣提供給燃料電池本體A的空氣極G。
當(dāng)燃料電池為固體高分子型的時候，如圖7所示那樣，單體電池H是由作為電解質(zhì)層的固體高分子膜J、在其兩側(cè)配置的空氣極G(陰極)和燃料極K(陽極)、以及在其更外的兩側(cè)配置的空氣極側(cè)流路基板L和燃料極側(cè)流路基板M構(gòu)成，在各單體電池H之間插入隔板N將多個單體電池H層疊成一體。
然而，上述傳統(tǒng)的反應(yīng)空氣供給裝置D，雖然如上述那樣除去空氣(外界氣體)中所含的塵埃進(jìn)行凈化，但實(shí)際上只除去了粗的塵埃，不能除去細(xì)微的塵埃、鹽分等雜質(zhì)。當(dāng)反應(yīng)空氣中含有細(xì)微的塵埃、鹽分等雜質(zhì)時，就這樣通過前處理過濾器E提供給了空氣極G。
這樣的空氣中的雜質(zhì)，與氧一同到達(dá)空氣極G的電極催化劑層，附著在電極催化劑層上或根據(jù)雜質(zhì)的種類不同而有的溶解到空氣極G上生成的水中。其結(jié)果，存在以下的現(xiàn)象電極催化劑層的氣體擴(kuò)散性下降，且由于溶解生成的雜質(zhì)陽離子使存在于電極催化劑層中的固體高分子或作為電解質(zhì)層的固體高分子膜J的電子傳導(dǎo)性下降，輸出特性惡化。
又，在傳統(tǒng)的固體高分子型燃料電池上，例如特開平8-64218號公報上也介紹的那樣，固體高分子膜J的導(dǎo)電性很大程度上受固體高分子膜J的濕潤性左右，因暴露在干燥空氣中而使固體高分子膜J干燥時，導(dǎo)電性下降。因此，通常必須提供用于加濕的水分。
本發(fā)明，是為了解決上述傳統(tǒng)的問題提出的，目的在于簡便且高效地除去提供給燃料電池的空氣極的空氣中所含的細(xì)微的塵埃、鹽分等雜質(zhì)，防止燃料電池的輸出特性惡化，同時，通過對提供給空氣極的空氣進(jìn)行適度加濕，防止固體高分子膜的導(dǎo)電性下降。
發(fā)明介紹作為達(dá)到該目的的技術(shù)手段，本發(fā)明，是主要在燃料電池本體的氧化劑氣體供給通道上至少1處以上設(shè)置利用水供給裝置保持濕潤狀態(tài)的濕潤過濾器的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
又，主要在于在該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)上，濕潤過濾器由具有吸水性或親水性的片狀多孔材料構(gòu)成；濕潤過濾器，由至少2層以上的具有吸水性或親水性的片狀多孔材料相距一定間隔地配置構(gòu)成；具有連通燃料電池本體的冷卻水流動通道或加濕水流動通道與加濕的濕潤過濾器的通道，利用該通道提供的水保持上述濕潤過濾器的濕潤狀態(tài)；具有用于捕集從燃料電池本體排出的未反應(yīng)空氣中的生成水的凝結(jié)裝置，將該凝結(jié)裝置捕集的水用于濕潤過濾器的加濕；將從燃料電池發(fā)電系統(tǒng)外提供的水的一部分用于濕潤過濾器的加濕；在具有對供給的燃料進(jìn)行改質(zhì)生成富氫氣體的燃料處理裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)上，將從上述燃料處理裝置回收的水用于濕潤過濾器的加濕；又，具有濕潤過濾器與供水裝置相互接觸的構(gòu)造；具有這樣的構(gòu)造濕潤過濾器的供水裝置與濕潤過濾器之間有一定間隔地配置，通過將該供水裝置提供的水噴霧或滴下而向上述濕潤過濾器提供水；濕潤過濾器的供水裝置，是設(shè)置在該濕潤過濾器的下方的儲水槽，通過使該儲水槽的水與上述濕潤過濾器接觸，保持濕潤過濾器的濕潤狀態(tài)。
本發(fā)明，通過在反應(yīng)空氣供給裝置中設(shè)置除去空氣中的細(xì)微的塵埃、鹽分等雜質(zhì)的雜質(zhì)除去裝置，可向燃料電池的空氣極提供不含雜質(zhì)的清潔的空氣。其結(jié)果，可防止因雜質(zhì)所引起的氣體擴(kuò)散性下降或固體高分子膜的導(dǎo)電性下降，提高電池的輸出特性。
又，作為濕潤過濾器，通過采用例如吸水性強(qiáng)的片狀多孔材料，提供的水可將濕潤過濾器大致均勻地浸透保持濕潤狀態(tài)，在增大對空氣中的雜質(zhì)的捕捉能力的同時，通過利用濕潤空氣對固體高分子膜適度加濕可望提高導(dǎo)電性。并且，通過在氧化劑氣體供給通道上設(shè)置濕潤過濾器可使空氣在加濕的狀態(tài)下提供給燃料電池本體，這樣，可維持固體高分子膜的濕潤狀態(tài)，保證固體高分子膜的導(dǎo)電性良好。
附圖的簡單說明

圖1是顯示本發(fā)明的采用反應(yīng)空氣供給裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施形式的構(gòu)成圖。
圖2是顯示本發(fā)明的采用另一反應(yīng)空氣供給裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施形式的構(gòu)成圖。
圖3是顯示濕潤過濾器的供水裝置的1例的局部剖開的簡要立體圖。
圖4是顯示濕潤過濾器的另一供水裝置的說明圖。
圖5是實(shí)驗(yàn)得到的電池電壓隨時間變化的坐標(biāo)圖。
圖6是顯示采用傳統(tǒng)的反應(yīng)空氣供給裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖7是顯示燃料電池發(fā)電系統(tǒng)上的燃料電池本體的構(gòu)成的分解立體圖。
實(shí)施發(fā)明的最佳形式下面，根據(jù)圖面對本發(fā)明的燃料電池用反應(yīng)空氣供給裝置的實(shí)施形式進(jìn)行說明。在此，為了便于理解本發(fā)明，與傳統(tǒng)形式中同一的構(gòu)件采用同一符號。在圖1中，1是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)S中的反應(yīng)空氣供給裝置，具有前處理過濾器E、空氣鼓風(fēng)機(jī)F、利用水進(jìn)行潤濕的濕潤過濾器2。
上述濕潤過濾器2，由具有吸水性或親水性的片狀多孔材料構(gòu)成，例如圖3所示那樣，在周圍安裝框體3，并在箱體4內(nèi)以直立的狀態(tài)支撐。這時，由片狀多孔材料構(gòu)成的過濾器本體為單層構(gòu)造，但往往也設(shè)計為將2層以上以適當(dāng)?shù)拈g隔配置的多層構(gòu)造。
上述箱體4，在背面?zhèn)劝惭b反應(yīng)空氣的空氣導(dǎo)入管5，該空氣導(dǎo)入管5連接在上述空氣鼓風(fēng)機(jī)F上，空氣鼓風(fēng)機(jī)F提供的反應(yīng)空氣，通過空氣導(dǎo)入管5流入箱體4內(nèi)。并且，在箱體4的正面?zhèn)劝惭b反應(yīng)空氣的排氣管6，該排氣管6連接到上述燃料電池本體A的空氣極側(cè)流路基板L上用于提供反應(yīng)空氣。這樣，導(dǎo)入箱體4內(nèi)的反應(yīng)空氣經(jīng)過上述濕潤過濾器2之后，提供給空氣極G。
又，從箱體4的側(cè)面上部至內(nèi)部沿水平方向安裝水導(dǎo)入管7，在該水導(dǎo)入管7位于箱體4內(nèi)的部分上且與上述濕潤過濾器2相對的一側(cè)并排設(shè)計多個噴嘴8或小孔，管端部封閉。因此，通過水導(dǎo)入管7導(dǎo)入箱體4內(nèi)的水可從噴嘴8或小孔進(jìn)行噴霧，使上述濕潤過濾器2保持大致均勻的濕潤狀態(tài)。雖然沒有圖示，但有時也設(shè)計成將水導(dǎo)入管7配置在濕潤過濾器2的上方，從在下側(cè)開設(shè)的多個小孔滴水的構(gòu)成。
另一方面，在箱體4的側(cè)面下部安裝排液管9，使從上述濕潤過濾器2流下的雜質(zhì)溶解水能排到箱體4外。該排液管9與上述水導(dǎo)入管7，如圖1所示那樣，分別連接在向燃料電池本體A的冷卻部P提供冷卻水的冷卻水流動通道Q上形成循環(huán)式的旁通通道。這時，為了使從箱體4的排液管9排出的污水不混入冷卻水流動通道Q內(nèi)，在中間設(shè)置水處理裝置10進(jìn)行水凈化。
作為濕潤過濾器2的供水裝置，另外可考慮例如以下的各種方法可利用向燃料極側(cè)流路基板M提供水用于加濕上述固體高分子膜J的加濕水流動通道(圖中未畫)，或者利用冷凝裝置(圖中未畫)捕集從燃料電池本體A排出的未反應(yīng)空氣中的生成水，或者利用從燃料電池發(fā)電系統(tǒng)S外提供的水的一部分等。
又，如圖2所示那樣，也可以利用從燃料電池發(fā)電系統(tǒng)S的燃料處理裝置C回收的水。作為從燃料處理裝置C回收的水，可以利用在燃料處理裝置C中使用的冷卻水或?qū)⑷剂咸幚硌b置C的燃燒廢氣中所含的水蒸氣冷凝后的冷凝水等。
不限于上述那樣的間接的給水方式，也可采用使?jié)駶欉^濾器2與供水裝置接觸的直接給水方式，其中的1例如圖4所示那樣，在濕潤過濾器2的下方設(shè)置儲水槽11，儲水槽11內(nèi)的水直接接觸濕潤過濾器2的下端部。濕潤過濾器2利用過濾器本體的毛細(xì)管現(xiàn)象將水吸上來呈大致均勻的濕潤狀態(tài)。這時，向儲水槽11提供水使水面保持大致一定的高度，并且經(jīng)過濕潤過濾器2流下的含有雜質(zhì)的污水最好流到儲水槽11外。因?yàn)椴槐赜杏糜诩訚裼玫奶貏e的機(jī)器類設(shè)備，所以，供水裝置的構(gòu)造極其簡單。
在圖1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)S中，通過向燃料處理裝置C提供碳?xì)浠衔锶剂细馁|(zhì)成富氫氣體同時提供給燃料電池本體A的燃料極K，從外界氣體吸入的空氣經(jīng)過前處理過濾器E以及濕潤過濾器2后提供給空氣極G，在燃料電池本體A內(nèi)進(jìn)行發(fā)電。即，在燃料極K上富氫氣體分解為氫離子和電子，氫離子穿過固體高分子膜J移動到空氣極G，電子通過外部電路流到空氣極G，它們與提供給空氣極G的空氣中的氧進(jìn)行反應(yīng)生成水。
這時，在從外界氣體吸入的空氣中，包含塵埃、鹽分等雜質(zhì)，經(jīng)過前處理過濾器E的時候除去了粗的塵埃，利用空氣鼓風(fēng)機(jī)F送風(fēng)經(jīng)過濕潤過濾器2的時候，去除在上述前處理過濾器E中未除去的細(xì)微的塵埃、鹽分等雜質(zhì)。濕潤過濾器2，因?yàn)槿缟鲜瞿菢颖３执笾戮鶆虻臐駶櫊顟B(tài)，所以，可以高效地除去雜質(zhì)。
這樣，因?yàn)橄蚩諝鈽OG提供清潔的空氣，所以空氣中的雜質(zhì)不會附著在空氣極G上或溶解到空氣極G上生成的水中，因此，可防止以下不利現(xiàn)象氣體擴(kuò)散性下降，由于溶解生成雜質(zhì)陽離子而使固體高分子或作為電解質(zhì)層的固體高分子膜J的導(dǎo)電性下降，輸出特性惡化。
從上述冷卻水流動通道Q分出的水，經(jīng)水導(dǎo)入管7從噴嘴8或小孔向濕潤過濾器2噴霧，含有細(xì)微的塵埃、鹽分等雜質(zhì)的污水從濕潤過濾器2流下再從排液管9排出箱體4外，在水處理裝置10中凈化后匯入冷卻水流動通道Q。這樣，冷卻水沿著循環(huán)旁通通道被循環(huán)再利用。
又，因?yàn)樘峁┙o空氣極G的清潔的反應(yīng)空氣經(jīng)過濕潤過濾器2的時候被適度加濕，所以，上述固體高分子膜J不會暴露在干燥的反應(yīng)空氣中，可防止固體高分子膜J干燥而導(dǎo)電性下降的現(xiàn)象。
在圖2的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)S中，也同樣，向燃料處理裝置C提供碳?xì)浠衔锶剂细馁|(zhì)成富氫氣體同時提供給燃料電池本體A的燃料極K，從外界氣體吸入的空氣經(jīng)過前處理過濾器E以及濕潤過濾器2后提供給空氣極G，在燃料電池本體A內(nèi)如上述那樣進(jìn)行發(fā)電。
這時也同樣，從外界氣體吸入的空氣，經(jīng)過前處理過濾器E的時候除去粗的塵埃，利用空氣鼓風(fēng)機(jī)F送風(fēng)經(jīng)過濕潤過濾器2的時候，除去在前處理過濾器E中未除去的細(xì)微的塵埃和鹽分等雜質(zhì)。這時，濕潤過濾器2因?yàn)楸３执笾戮鶆虻臐駶櫊顟B(tài)，所以，可以高效地除去雜質(zhì)。
因?yàn)橄蚩諝鈽OG提供清潔的空氣，所以空氣中的雜質(zhì)不會附著在空氣極G上或溶解到空氣極G上生成的水中，因此，可防止氣體擴(kuò)散性下降，防止固體高分子或作為電解質(zhì)層的固體高分子膜J的導(dǎo)電性下降、以及輸出特性惡化。
從上述燃料處理裝置C獲取的水，經(jīng)水導(dǎo)入管7從噴嘴8或小孔向濕潤過濾器2噴霧，含有雜質(zhì)的污水從濕潤過濾器2流下再從排液管9排出箱體4外，在水處理裝置10中凈化后匯入冷卻水流動通道Q。
這時也同樣因?yàn)樘峁┙o空氣極G的清潔的反應(yīng)空氣經(jīng)過濕潤過濾器2的時候被適度加濕，所以，上述固體高分子膜J不會被干燥，導(dǎo)電性不會下降。
為了驗(yàn)證圖1以及圖2所示的濕潤過濾器2的性能，使含有重量百分比為5％的作為雜質(zhì)氣體成分的鹽水的模擬反應(yīng)空氣流到反應(yīng)空氣供給裝置中，檢測得到的反應(yīng)空氣中的鹽水濃度。其結(jié)果，在圖1、圖2的任何一種情況下，在濕潤過濾器2中處理后的空氣的鹽分濃度都降到了鹽分濃度檢測裝置的檢出界限以下。并且，證實(shí)對包含細(xì)微塵埃的氣體同樣也具有充分的除去性能。
又，向圖1(實(shí)施例)以及圖5(比較例)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)提供含有重量百分比為5％的鹽水的模擬反應(yīng)空氣和純氫氣體進(jìn)行運(yùn)行的結(jié)果，得到的電池電壓隨時間的變化情況示于圖5。從圖中表明的那樣，如果采用本實(shí)施例的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，可抑制電池電壓隨著運(yùn)行時間的延長而下降，可提供可靠性好的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
發(fā)明效果如以上說明的那樣，本發(fā)明，在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的反應(yīng)空氣供給裝置上，因?yàn)樵O(shè)計為具有作為除去空氣中包含的雜質(zhì)的雜質(zhì)除去裝置的被加濕的空氣過濾器的構(gòu)成，所以，可使在前處理過濾器中未被除凈的細(xì)微的塵埃、鹽分等雜質(zhì)有效附著除去，可將清潔的反應(yīng)空氣提供給燃料電池本體的空氣極。這樣，可防止傳統(tǒng)的由于將含有雜質(zhì)的反應(yīng)空氣提供給空氣極而產(chǎn)生的氣體擴(kuò)散性下降，并阻止由于溶解生成的雜質(zhì)陽離子的影響而引起的固體高分子膜的導(dǎo)電性下降，從而消除因這些原因引起的燃料電池的電池性能下降的問題。
又，反應(yīng)空氣的加濕，還有經(jīng)過濕潤過濾器時進(jìn)行的所謂二次效果，可阻止因固體高分子膜的干燥使導(dǎo)電性下降，也可消除燃料電池的電壓降低的問題，可望在提高燃料電池的可靠性的同時延長使用壽命。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，可簡便且高效地除去提供給燃料電池的空氣極的空氣中含有的細(xì)微的塵埃、鹽分等雜質(zhì)，在防止燃料電池的輸出特性惡化的同時，通過對提供給空氣極的空氣進(jìn)行適度加濕，可防止固體高分子膜的導(dǎo)電性下降，因此，在產(chǎn)業(yè)上是有用的。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于在燃料電池本體的氧化劑氣體供給通道上至少1處以上設(shè)置利用水供給裝置保持濕潤狀態(tài)的濕潤過濾器。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于濕潤過濾器，由具有吸水性或親水性的片狀多孔材料構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于濕潤過濾器，由至少2層以上的具有吸水性或親水性的片狀多孔材料相距一定間隔地配置構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于具有連通燃料電池本體的冷卻水流動通道或加濕水流動通道與被加濕的濕潤過濾器的通道，利用該通道提供的水保持上述濕潤過濾器的濕潤狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于具有用于捕集從燃料電池本體排除的未反應(yīng)空氣中的生成水的凝結(jié)裝置，將該凝結(jié)裝置捕集的水用于濕潤過濾器的加濕。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于將從燃料電池發(fā)電系統(tǒng)外提供的水的一部分用于濕潤過濾器的加濕。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于在具有將供給燃料改質(zhì)成富氫氣體的燃料處理裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)上，將從上述燃料處理裝置回收的水用于濕潤過濾器的加濕。
8.如權(quán)利要求1、4、5、6或7所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于具有濕潤過濾器與供水裝置相互接觸的構(gòu)造。
9.如權(quán)利要求1、4、5、6或7所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于向濕潤過濾器供水的裝置與該濕潤過濾器之間有一定間隔地配置、通過利用該供水裝置將水噴霧或滴下而向上述濕潤過濾器提供水的構(gòu)造。
10.如權(quán)利要求1、4、5、6或7所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于向濕潤過濾器的供水裝置，是設(shè)置在該濕潤過濾器的下方的儲水槽，通過使該儲水槽的水與上述濕潤過濾器接觸，保持濕潤過濾器的濕潤狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，通過在燃料電池本體的氧化劑氣體供給通道上至少1處以上設(shè)置利用水供給裝置保持濕潤狀態(tài)的濕潤過濾器，可向燃料電池的空氣極提供不含雜質(zhì)的清潔的空氣。其結(jié)果，可防止因雜質(zhì)而引起的氣體擴(kuò)散性下降或固體高分子膜的導(dǎo)電性下降，提高電池的輸出特性。并且，作為濕潤過濾器，通過采用例如吸水性強(qiáng)的片狀多孔材料，供給的水可使?jié)駶欉^濾器大致均勻地浸濕保持濕潤狀態(tài)，在增大捕捉空氣中的雜質(zhì)的能力的同時，通過利用濕潤空氣使固體高分子膜適度加濕，可望提高導(dǎo)電性。又，通過在氧化劑氣體供給通道上設(shè)置濕潤過濾器，使空氣在加濕的狀態(tài)下提供給燃料電池本體，這樣，可維持固體高分子膜的濕潤狀態(tài)，保證固體高分子膜的導(dǎo)電性良好。
文檔編號H01M8/06GK1434986SQ00818963
公開日2003年8月6日 申請日期2000年12月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月24日
發(fā)明者畑山龍次, 濱田陽 申請人:三洋電機(jī)株式會社