專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池系統(tǒng)及其運(yùn)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，特別是涉及固體高分子型燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，由于二氧化碳造成的地球溫室化和酸雨等的影響，導(dǎo)致人們對(duì)地球的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越關(guān)心。因此在電源開(kāi)發(fā)研究領(lǐng)域，高效率、而且不排放二氧化碳的能夠?qū)崿F(xiàn)綠色能量變換的燃料電池系統(tǒng)受到人們的關(guān)注。于是，即使是種類(lèi)繁多的燃料電池系統(tǒng)中，固體高分子型燃料電池系統(tǒng)也很受注意，由于工作溫度低而且輸出密度高，被期待能夠作為民用電源和汽車(chē)動(dòng)力用的電源。
在這里參照附圖對(duì)已有的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)例子進(jìn)行大概說(shuō)明。
圖9是已有的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的一結(jié)構(gòu)例的示意方框圖。
如圖9所示，固體高分子型燃料電池系統(tǒng)300由下述部件構(gòu)成，即固體高分子型燃料電池1、將城市煤氣等原料改性，生成富氫燃料氣體的改性器2、將改性器2加熱到改性反應(yīng)需要的溫度的燃燒器3、對(duì)于提供給固體高分子型燃料電池1的燃料氣體加濕的燃料側(cè)加濕器4、從固體高分子型燃料電池1排出的燃料氣體中所包含的水蒸汽回收水的燃料側(cè)水回收器5、將空氣(以下稱(chēng)為“氧化劑氣體”)輸送給固體高分子型燃料電池1的空氣供給裝置6、對(duì)提供給固體高分子型燃料電池1的氧化劑氣體加濕的氧化劑側(cè)加濕器7、從固體高分子型燃料電池1排出的氧化劑氣體中包含的水蒸汽回收水的氧化劑側(cè)水回收器8、貯存燃料側(cè)水回收器5和氧化劑側(cè)水回收器8回收的水的蓄水箱9、將蓄水箱9中貯存的水分別送到燃料側(cè)加濕器4和氧化劑側(cè)加濕器7的燃料側(cè)水泵10、以及氧化劑側(cè)水泵11。又，該固體高分子型燃料電池系統(tǒng)300具備用于將在工作中放熱的固體高分子型燃料電池1維持于規(guī)定的溫度下的冷卻水貯存用的蓄水箱12、使蓄水箱12中貯存的所述冷卻水在固體高分子型燃料電池1內(nèi)部循環(huán)的冷卻用水泵14、以及使所述冷卻水的熱量向固體高分子型燃料電池系統(tǒng)300外部放出的冷卻用的放熱器13。
下面參照附圖對(duì)已有的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)作的一個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。
在圖9所示結(jié)構(gòu)的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)300中，利用改性器2形成為富氫氣體的燃料氣體，燃料側(cè)加濕器4利用由燃料側(cè)泵10從蓄水箱9提供的水加濕之后被提供給固體高分子型燃料電池1。另一方面，氧化劑氣體借助于空氣供給裝置6提供給氧化劑側(cè)加濕器7，利用由氧化劑側(cè)泵11從蓄水箱9提供的水加濕之后被提供給固體高分子型燃料電池1。于是，在固體高分子型燃料電池1中，就利用所提供的燃料氣體和氧化劑氣體進(jìn)行發(fā)電。于是，從固體高分子型燃料電池1排出的，發(fā)電中未被使用的燃料氣體，在利用燃料側(cè)水回收器5除濕之后被提供給燃燒器3。又，從固體高分子型燃料電池1排出的發(fā)電中未使用的氧化劑氣體在利用氧化劑側(cè)水回收器8除濕之后，被提供給空氣供給裝置6。還有，為了使發(fā)電中放熱的固體高分子型燃料電池1的溫度維持于一定值，使冷卻用水泵14工作，使蓄水箱12內(nèi)的冷卻水在固體高分子型燃料電池1內(nèi)部循環(huán)。以此將固體高分子型燃料電池1的溫度維持于一定值。這時(shí)，溫度上升的冷卻水利用冷卻用放熱器13冷卻。
作為將氧化劑氣體加溫、加濕到規(guī)定的溫度和濕度的方法，有例如在從燃料電池排出的溫度上升的冷卻水與氧化劑氣體之間進(jìn)行總熱交換的方法(參照例如專(zhuān)利文獻(xiàn)1、2)。
又，作為去除氧化劑氣體中包含的含氮氧化物或含硫氧化物等或其它有機(jī)化合物等雜質(zhì)的方法，有例如在空氣供給裝置的前后設(shè)置去除上述雜質(zhì)去除用過(guò)濾器等的方法(參照例如專(zhuān)利文獻(xiàn)3)。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1特開(kāi)2002-231282號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)2特開(kāi)2000-3720號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)3特開(kāi)平8-138703號(hào)公報(bào)在期待固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的時(shí)候，為了將固體高分子型燃料電池系統(tǒng)在民用電源和汽車(chē)動(dòng)力電源這樣的用途上實(shí)用化，實(shí)現(xiàn)達(dá)到效率的進(jìn)一步提高和優(yōu)異的電池壽命成了重要課題。于是，為了解決這些課題，對(duì)氧化劑氣體中包含的含氮氧化物或含硫氧化物等或其它有機(jī)化合物等的雜質(zhì)進(jìn)入固體高分子型燃料電池內(nèi)部(的千卡)進(jìn)行抑制是有效的手段。
但是，如果要采用在空氣供給裝置前后設(shè)置用于去除上述有機(jī)化合物等雜質(zhì)的雜質(zhì)去除用過(guò)濾器等以去除上述在氧化劑氣體中包含的所述有機(jī)化合物等雜質(zhì)的方法，則上述空氣供給裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，進(jìn)而固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也復(fù)雜化。這個(gè)問(wèn)題妨礙了固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的廉價(jià)化，其結(jié)果是，使民用電源和汽車(chē)用電源等用途的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)難于實(shí)用化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述存在問(wèn)題而作出的，其目的是，提供能夠有效去除空氣中包含的有機(jī)化合物等雜質(zhì)，具有優(yōu)異的電學(xué)特性和壽命特性，并且具有與以往相同的結(jié)構(gòu)的廉價(jià)的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)。
為了解決上述課題，本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，具備得到燃料氣體和氧化劑氣體的供應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池、以及利用所述燃料電池排出的熱量和水，對(duì)所述供應(yīng)的氧化劑氣體進(jìn)行加熱和加濕的總熱交換器，而且，所述總熱交換器形成能夠去除所述氧化劑中包含的雜質(zhì)的結(jié)構(gòu)(相應(yīng)于權(quán)利要求1)。
采用這樣的結(jié)構(gòu)，氧化劑氣體的加溫和加濕、氧化劑氣體中包含的含氮氧化物或含硫氧化物等或其它有機(jī)化合物等的雜質(zhì)去除可以同時(shí)進(jìn)行。其結(jié)果是，能夠提供具有與以往相同結(jié)構(gòu)，具備優(yōu)異的電學(xué)特性和壽命特性的廉價(jià)的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)。
也可以是所述總熱交換器具備能夠使所述去除的雜質(zhì)分解或脫離的加熱裝置(權(quán)利要求2)。
通過(guò)采用這樣的結(jié)構(gòu)，利用加熱裝置對(duì)總熱交換器進(jìn)行加熱，使殘留于總熱交換器內(nèi)部的雜質(zhì)分解或脫離，可以使總熱交換器恢復(fù)雜質(zhì)去除能力。其結(jié)果是，能夠提供具有與以往相同結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期具備優(yōu)異的電學(xué)特性和壽命特性的廉價(jià)的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)。
也可以是，所述總熱交換器具有利用總熱交換進(jìn)行所述加熱和加濕的總熱交換膜，該總熱交換膜的與所述氧化劑氣體接觸的一側(cè)的主面上形成去除所述雜質(zhì)的雜質(zhì)去除層(權(quán)利要求3)。
通過(guò)采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠利用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)去除空氣中包含的含氮氧化物或含硫氧化物等或其它有機(jī)化合物等的雜質(zhì)。其結(jié)果是，不必設(shè)置去除雜質(zhì)用的雜質(zhì)去除用過(guò)濾器。
又，也可以將所述燃料電池排出的氧化劑氣體使用于所述供應(yīng)的氧化劑氣體的所述加熱和加濕(權(quán)利要求4)。
通過(guò)采用這樣的結(jié)構(gòu)，由于燃料電池排出的氧化劑氣體具有加熱提供的氧化劑氣體用的足夠的熱量和加濕用的足夠的水分，能夠?qū)⑺┙o的氧化劑氣體調(diào)整到規(guī)定的狀態(tài)。
又，也可以將所述燃料電池排出的冷卻水使用于所述供應(yīng)的氧化劑氣體的所述加熱和加濕(權(quán)利要求5)。
采用這樣的結(jié)構(gòu)，也由于燃料電池排出的被加熱過(guò)的冷卻水具有加熱提供的氧化劑氣體用的足夠的熱量和加濕用的足夠的水分，能夠?qū)⑺┙o的氧化劑氣體調(diào)整到規(guī)定的狀態(tài)。
又，所述雜質(zhì)去除層也可以利用多孔性吸附劑構(gòu)成(權(quán)利要求6)。
通過(guò)采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠有效地去除空氣中包含的含氮氧化物或含硫氧化物等或其它有機(jī)化合物等的雜質(zhì)。其結(jié)果是，能夠有效地改善固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電學(xué)特性和壽命特性。
又，也可以是所述雜質(zhì)去除層利用承載過(guò)渡金屬的多孔性吸附劑構(gòu)成(權(quán)利要求7)。
通過(guò)采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠更有效地去除空氣中包含的氮氧化物或硫磺(的)氧化物等或其它有機(jī)化合物等的雜質(zhì)。其結(jié)果是，能夠進(jìn)一步有效地改善固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電學(xué)特性和壽命特性。
又，也可以是所述過(guò)渡金屬為鉑、鈀、銠、釕、銥、鎳、鐵、銅、銀中的至少一種(權(quán)利要求8)。
通過(guò)采用這樣的結(jié)構(gòu)，由于這些過(guò)渡金屬可能比較容易得到，而且比較便宜，形成于總熱交換膜上的雜質(zhì)去除層能夠以較低成本做成。其結(jié)果是，能夠以比較便宜的價(jià)格構(gòu)成總熱交換膜。
又，也可以是所述雜質(zhì)去除層利用承載金屬氧化物的多孔性吸附劑構(gòu)成(權(quán)利要求9)。
即使是采用這樣的結(jié)構(gòu)，也能夠更有效地去除空氣中包含的含氮氧化物或含硫氧化物等或其它有機(jī)化合物等的雜質(zhì)。其結(jié)果是，能夠更加有效地改善固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電學(xué)特性和壽命特性。
又，也可以是所述金屬氧化物為氧化鋁、二氧化硅、氧化鋅、二氧化錳、氧化鐵、氧化銅、氧化鈣、及氧化鎂中的至少一種(權(quán)利要求10)。
即使是采用這樣的結(jié)構(gòu)，這些金屬氧化物也比較容易得到，而且比較便宜，因此能夠以比較便宜的價(jià)格構(gòu)成在總熱交換膜上形成的雜質(zhì)去除層。其結(jié)果是，能夠以比較便宜的價(jià)格構(gòu)成總熱交換膜。
又，也可以是所述雜質(zhì)去除層利用承載沸石的多孔性吸附劑構(gòu)成(權(quán)利要求11)。
即使是采用這樣的結(jié)構(gòu)，也能夠更有效地去除空氣中包含的含氮氧化物或含硫氧化物等或其它有機(jī)化合物等的雜質(zhì)。其結(jié)果是，能夠更加有效地改善固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電學(xué)特性和壽命特性。
又，也可以是所述沸石為絲光沸石、A型沸石、MF型沸石、β型沸石、八面沸石(faujasite)中的至少一種(權(quán)利要求12)。
即使是采用這樣的結(jié)構(gòu)，這些沸石也比較容易得到，而且比較便宜，因此能夠以比較便宜的價(jià)格構(gòu)成在總熱交換膜上形成的雜質(zhì)去除層。其結(jié)果是，能夠以比較便宜的價(jià)格構(gòu)成總熱交換膜。
又，也可以是所述多孔性吸附劑由活性碳或硅凝膠構(gòu)成(權(quán)利要求13)。
通過(guò)采用這樣的結(jié)構(gòu)，由于活性碳和硅凝膠可能比較容易得到，而且比較便宜，因此能夠以更加便宜的價(jià)格構(gòu)成在總熱交換膜上形成的雜質(zhì)去除層。其結(jié)果是，能夠以更加便宜的價(jià)格構(gòu)成總熱交換膜。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)用方法，是使用得到燃料氣體和氧化劑氣體的供應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池和利用所述燃料電池排出的熱量和水，對(duì)所述供應(yīng)的氧化劑氣體進(jìn)行加熱和加濕的總熱交換器的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)用方法，用所述總熱交換器去除所述氧化劑中包含的雜質(zhì)，使用能夠使所述雜質(zhì)分解或脫離的加熱裝置，對(duì)在所述燃料電池發(fā)電開(kāi)始之前或發(fā)電停止之前去除所述雜質(zhì)的總熱交換器進(jìn)行加熱，利用所述加熱將所述去除的雜質(zhì)從所述總熱交換器排出(權(quán)利要求14)。
通過(guò)采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠定期地使殘留在總熱交換器內(nèi)部的雜質(zhì)分解或脫離，因此能夠逐步恢復(fù)總熱交換器的雜質(zhì)去除能力。其結(jié)果是，固體高分子型燃料電池系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的電學(xué)特性和壽命特性。


圖1是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意方框圖。
圖2是本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)的雜質(zhì)去除型總熱交換器的工作原理的概念說(shuō)明用的示意圖。
圖3是本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)的雜質(zhì)去除型總熱交換器的一結(jié)構(gòu)例的立體示意圖。
圖4是實(shí)施例1的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電池壽命試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。
圖5是實(shí)施例2的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電池壽命試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。
圖6是實(shí)施例3的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電池壽命試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。
圖7是實(shí)施例4的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電池壽命試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。
圖8是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)2的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意方框圖。
圖9是已有的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)(結(jié)構(gòu))之一例的結(jié)構(gòu)的示意方框圖。
符號(hào)說(shuō)明1......固體高分子型燃料電池1a......冷卻水用通道1b......氧化劑氣體用通道1c......燃料氣體用通道2......改性器3......燃燒器4......燃料側(cè)加濕器5......燃料側(cè)水回收器6......空氣供給裝置7......氧化劑側(cè)加濕器8......氧化劑側(cè)水回收器9......蓄水箱10......燃料側(cè)水泵
11......氧化劑側(cè)水泵12......蓄水箱13......冷卻用放熱器14......冷卻用水泵15......雜質(zhì)去除型總熱交換器(總熱交換器)15a、15b、15c、15d......雜質(zhì)去除型總熱交換單元15e、15f......雜質(zhì)去除層再生用加熱器16......三通閥100、200、300......固體高分子型燃料電池系統(tǒng)a、b、c、d......配管連接部A......雜質(zhì)去除層B......氫離子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)膜C......引入用通道D......排出用通道具體實(shí)施方式
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說(shuō)明。
實(shí)施形態(tài)1圖1是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意方框圖。
首先，參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)100具備固體高分子型燃料電池1、將城市煤氣等原料改性，生成富氫燃料氣體的改性器2、將改性器2加熱到改性反應(yīng)需要的溫度的燃燒器3、對(duì)于提供給固體高分子型燃料電池1的燃料氣體加濕的燃料側(cè)加濕器4、從固體高分子型燃料電池1排出的燃料氣體中所包含的水蒸汽回收水的燃料側(cè)水回收器5、將氧化劑氣體輸送給固體高分子型燃料電池1的空氣供給裝置6、對(duì)提供給固體高分子型燃料電池1的氧化劑氣體加濕、加溫，并且去除氧化劑氣體中包含的雜質(zhì)的雜質(zhì)去除型總熱交換器15、從雜質(zhì)去除型總熱交換器15排出的氧化劑氣體中包含的水蒸汽回收水的氧化劑側(cè)水回收器8、貯存燃料側(cè)水回收器5和氧化劑側(cè)水回收器8回收的水的蓄水箱9、將蓄水箱9中貯存的水送到燃料側(cè)加濕器4的燃料側(cè)水泵10。
又，該固體高分子型燃料電池系統(tǒng)100具備用于將在工作中發(fā)熱的固體高分子型燃料電池1維持于規(guī)定的溫度下的冷卻水貯存用的蓄水箱12、使蓄水箱12中貯存的所述冷卻水在固體高分子型燃料電池1內(nèi)部循環(huán)的冷卻用水泵14、以及使所述冷卻水的熱量向固體高分子型燃料電池系統(tǒng)100外部放出的冷卻用放熱器13。
又如圖1所示，在雜質(zhì)去除型總熱交換器15的下述配管連接部b與固體高分子型燃料電池1的下述氧化劑氣體用通道1b之間的連接配管的中途設(shè)置三通閥16。該三通閥16為了把雜質(zhì)去除型總熱交換器15排出的氧化劑氣體的供給目的地切換到固體高分子型燃料電池1和固體高分子型燃料電池系統(tǒng)100的外部，配設(shè)于上述位置。也就是說(shuō)，圖1所示的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)100形成通過(guò)操作三通閥16能夠?qū)㈦s質(zhì)去除型總熱交換器15排出的氧化劑氣體放出到固體高分子型燃料電池系統(tǒng)100的外部(大氣中)的結(jié)構(gòu)。
在這里，對(duì)賦予本發(fā)明以特征的雜質(zhì)去除型總熱交換器15的工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。
首先，對(duì)賦予本發(fā)明以特征的雜質(zhì)去除型總熱交換器15的工作原理進(jìn)行說(shuō)明。
圖2是本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)的雜質(zhì)去除型總熱交換器15的工作原理的概念說(shuō)明用的示意圖。為了說(shuō)明方便，如畫(huà)面所示定義圖2所示的左右方向。
如圖2所示，在雜質(zhì)去除型總熱交換器15的內(nèi)部設(shè)置使空氣供給裝置送入的氧化劑氣體在這里從左至右通過(guò)的引入用通道C、以及從固體高分子型燃料電池1排出的氧化劑氣體在這里從右到左通過(guò)的排出用通道D。而且，引入用通道C和排出用通道D利用氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜B(總熱交換膜)隔離。該氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜B的靠引入用通道C一側(cè)表面上，形成去除氮化物或硫化物等或其它有機(jī)化合物等雜質(zhì)的雜質(zhì)去除層A。該雜質(zhì)去除層A利用活性碳或硅凝膠等多孔性吸附劑、或承載鉑、鈀、銠、釕、銥、鎳、鐵、銅、銀等過(guò)渡金屬中的至少一種的所述多孔性吸附劑、或承載氧化鋁、二氧化硅、氧化鋅、二氧化錳、氧化鐵、氧化鈣、氧化銅、氧化鎂等金屬氧化物中的至少一種的所述多孔性吸附劑、或承載絲光沸石、A型沸石、MF型沸石、β型沸石、以及八面沸石(faujasite)等沸石中的至少一種的所述多孔性吸附劑構(gòu)成。具有這樣構(gòu)成的圖1所示的雜質(zhì)去除型總熱交換器15，通過(guò)使從圖1所示的空氣供給裝置6輸入的氧化劑氣體接觸雜質(zhì)去除層A，將該氧化劑氣體中所含的雜質(zhì)吸附于雜質(zhì)去除層A加以去除。又，在引入用通道C的內(nèi)部的氧化劑氣體與排出用通道D的內(nèi)部的氧化劑氣體之間進(jìn)行總熱交換，其結(jié)果是，引入用通道C的內(nèi)部的氧化劑氣體被調(diào)整到規(guī)定的溫度和濕度。然后，將雜質(zhì)被去除而且被調(diào)整到規(guī)定的溫度和濕度的氧化劑氣體提供給圖1所示的固體高分子型燃料電池1。又，在排出用通道D的內(nèi)部被使用于總熱交換的氧化劑氣體被送往圖1所示的氧化劑側(cè)水回收器8。而且，對(duì)圖1所示的空氣供給裝置6送來(lái)的氧化劑氣體的雜質(zhì)去除處理和總熱交換處理等處理在固體高分子型燃料電池系統(tǒng)100的動(dòng)作中是連續(xù)進(jìn)行的。
下面對(duì)該雜質(zhì)去除型總熱交換器15的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。
圖3是本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)的雜質(zhì)去除型總熱交換器15的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的立體示意圖。
如圖2和圖3所示，雜質(zhì)去除型總熱交換器15具備對(duì)供給的空氣分別進(jìn)行雜質(zhì)去除和總熱交換等處理的雜質(zhì)去除型總熱交換單元15a～15d、利用加熱使在雜質(zhì)去除層A上吸附的雜質(zhì)分解或脫離的，使雜質(zhì)去除層A的功能得到恢復(fù)用的雜質(zhì)去除層再生用加熱器15e、15f、以及配管連接部a～d。在雜質(zhì)去除型總熱交換單元15a～15d的各自的內(nèi)部，如圖2的示意圖所示，在這里未圖示的規(guī)定形狀(蜿蜒曲折的形狀)繞行的引入用通道和排出用通道利用具有未圖示的雜質(zhì)去除層的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜隔開(kāi)形成。而且，雜質(zhì)去除型總熱交換單元15a～15d形成所述引入用通道和排出用通道分別串聯(lián)連接的疊層結(jié)構(gòu)。而且，多個(gè)連接的引入用通道引入側(cè)一端連接于配管連接部a。又，引入用通道的排出側(cè)的端部連接于配管連接部b。而且，多個(gè)連接的排出用通道的引入側(cè)的端部連接于配管連接部c。又，排出用通道的排出側(cè)的端部連接于配管連接部d。雜質(zhì)去除型總熱交換器15通過(guò)這些配管連接部a～d與外部設(shè)備連接。又在雜質(zhì)去除型總熱交換單元15a～15d的兩端面上安裝雜質(zhì)去除層再生用加熱器15e和15f。雜質(zhì)去除型總熱交換單元15a～15d以及雜質(zhì)去除層再生用加熱器15e和15f如上所述疊層如上所述疊層，借助于此，雜質(zhì)去除型的總熱交換器15形成能夠發(fā)揮規(guī)定的功能的結(jié)構(gòu)。
下面對(duì)參照附圖本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的基本動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。
如圖1所示構(gòu)成的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)100，利用改性器2將例如城市用的煤氣改性生成富氫的燃料氣體。該燃料氣體在燃料側(cè)加濕器4利用燃料側(cè)水泵10從蓄水箱9送來(lái)的水進(jìn)行加濕之后，被送入固體高分子型燃料電池1。被送入固體高分子型燃料電池1的燃料氣體通過(guò)設(shè)置于固體高分子型燃料電池1內(nèi)部的燃料氣體用通道1c，然后被送入燃料側(cè)水回收器5。被送入燃料側(cè)水回收器5，從固體高分子型燃料電池1排出的發(fā)電中未使用的燃料氣體，利用燃料側(cè)水回收器5除濕。利用燃料側(cè)水回收器5從燃料氣體中得到的水，被貯存于蓄水箱9。又，除濕過(guò)的燃料氣體，在這里被提供給燃燒器3，用于在燃燒器3的燃燒。
另一方面，氧化劑氣體利用空氣供給裝置6通過(guò)配管連接部a被送入雜質(zhì)去除型總熱交換器15的，在這里未圖示的引入用通道。被送入雜質(zhì)去除型總熱交換器15的所述氧化劑氣體，用設(shè)置于雜質(zhì)去除型總熱交換器15的，在這里未圖示的雜質(zhì)去除層去除雜質(zhì)，并且在其后通過(guò)與從固體高分子型燃料電池1排出的氧化劑氣體的總熱交換進(jìn)行加溫和加濕之后，通過(guò)配管連接部b與三通閥16被送入固體高分子型燃料電池1。而三通閥16被切換為，平常時(shí)間以固體高分子型燃料電池1為氧化劑氣體供給目的地。被送入固體高分子型燃料電池1的氧化劑氣體通過(guò)設(shè)置于固體高分子型燃料電池1內(nèi)部的氧化劑氣體用通道1b。這時(shí)，通過(guò)氧化劑氣體用通道1b的氧化劑氣體和通過(guò)燃料氣體用通道1c的燃料氣體被使用于進(jìn)行發(fā)電。通過(guò)氧化劑氣體通道1b，從固體高分子型燃料電池1排出的發(fā)電中未使用的氧化劑氣體，通過(guò)配管連接部c，被送入雜質(zhì)去除型總熱交換器15的，在這里未圖示的排出用通道。被送入雜質(zhì)去除型總熱交換器15，未在總熱交換中使用的氧化劑氣體被送入氧化劑側(cè)水回收器8。然后，上述氧化劑氣體由氧化劑側(cè)水回收器8除濕。含有，由氧化劑側(cè)水回收器8得到的水貯存于蓄水箱9。又，除濕過(guò)的氧化劑氣體在這里返回空氣供給裝置6。
又，在固體高分子型燃料電池1中進(jìn)行發(fā)電期間，固體高分子型燃料電池1發(fā)熱。因此，為了將固體高分子型燃料電池1維持于一定的溫度，使冷卻用水泵14工作，使蓄水箱12中貯存的冷卻水通過(guò)設(shè)置于固體高分子型燃料電池1內(nèi)部的冷卻水用通道1a循環(huán)。也就是說(shuō)，上述冷卻水利用冷卻用水泵14的動(dòng)作通過(guò)在蓄水箱12到固體高分子型燃料電池1內(nèi)部形成的冷卻水用通道1a，然后再度返回蓄水箱12。還有，因固體高分子型燃料電池1的發(fā)熱而升高溫度后，返回蓄水箱12的冷卻水，利用冷卻用放熱器13冷卻到規(guī)定的溫度。
如上所述，固體高分子型燃料電池系統(tǒng)100利用上述動(dòng)作，在固體高分子型燃料電池1的在這里未圖示的輸出端子上發(fā)生規(guī)定的電壓。而且使用者通過(guò)將設(shè)置于固體高分子型燃料電池系統(tǒng)100的與固體高分子型燃料電池1的上述輸出端子電氣連接的外部連接端子，與電子設(shè)備等的電源端子加以電氣連接，能夠使該電子設(shè)備等正常工作。
這樣，在具有如上所述結(jié)構(gòu)的固體高分子型燃料電池100中，在工作中由空氣供給裝置6提供的氧化劑氣體，被雜質(zhì)去除型總熱交換器15加溫加濕到規(guī)定的溫度和濕度。又，同時(shí)，氧化劑氣體中包含的含氮氧化物或含硫氧化物等或其它有機(jī)化合物等雜質(zhì)被有效去除。然后，達(dá)到規(guī)定的加溫和加濕狀態(tài)并且被去除雜質(zhì)的優(yōu)質(zhì)的氧化劑氣體被提供給固體高分子型燃料電池1。另一方面，利用雜質(zhì)去除層再生用加熱器15e和15f，根據(jù)需要對(duì)雜質(zhì)去除型熱交換器15進(jìn)行加熱，能夠使殘留在其內(nèi)部的雜質(zhì)分解或脫離，也能夠使雜質(zhì)去除型熱交換器15的雜質(zhì)去除能力逐步恢復(fù)。還有，在這時(shí)候，利用加熱在雜質(zhì)去除型總熱交換器15生成的雜質(zhì)分解生成物或脫離的雜質(zhì)，利用對(duì)圖1所示的三通閥16進(jìn)行切換操作，將氧化劑氣體的提供目的地切換到固體高分子型燃料電池100系統(tǒng)的外部，以此，將其與空氣供給裝置6提供的氧化劑氣體一起排出到在固體高分子型燃料電池系統(tǒng)100外部。借助于此，可以防止加熱生成的雜質(zhì)分解生成物或脫離的雜質(zhì)混入固體高分子型燃料電池1內(nèi)部，因此，能夠有效防止固體高分子型燃料電池1的所述分解生成物或脫離的雜質(zhì)造成性能劣化的情況發(fā)生。其結(jié)果是，能夠提供與以往相同結(jié)構(gòu)的，并且能夠長(zhǎng)期保持優(yōu)異的電學(xué)性能和壽命特性的廉價(jià)的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)。
還有，在上述說(shuō)明的本實(shí)施形態(tài)1中，對(duì)總熱交換膜采用氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜的情況下的實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說(shuō)明，但是，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中采用的總熱交換膜不限于上述氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜，只要是能夠作為總熱交換膜起作用的膜，也可以采用多孔性膜。又，在上述氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜和多孔性膜之外，只要是能夠作為總熱交換膜起作用的膜，不管利用什么樣的膜都可以。在這里，所謂“作為總熱交換膜起作用的膜”，是指具有總熱交換能力的膜，而且是指使提供給固體高分子型燃料電池的氧化劑氣體的質(zhì)量不下降的膜。更具體地說(shuō)，是指使水和熱透過(guò)而不使妨礙固體高分子型燃料電池的發(fā)電動(dòng)作的化學(xué)雜質(zhì)透過(guò)，并且能夠?qū)⒃诳偀峤粨Q時(shí)向在固體高分子型燃料電池提供的氧化劑氣體的氧分壓的變動(dòng)值限制于不使固體高分子型燃料電池的發(fā)電性能下降的程度的膜。只要是具有這樣的性能的膜，不管是什么膜都可以作為總熱交換膜使用，能夠得到與本實(shí)施形態(tài)相同的效果。
實(shí)施例1圖4是實(shí)施例1的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電池壽命試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。在圖4中，曲線Va是每200小時(shí)一次用雜質(zhì)去除層再生用加熱器對(duì)雜質(zhì)去除層進(jìn)行加熱的情況，曲線Vb是表示對(duì)雜質(zhì)去除層不進(jìn)行加熱的情況下的固體高分子型燃料電池的電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化。又，曲線Vc表示不用雜質(zhì)去除層的情況下的固體高分子型燃料電池的電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化。
首先，對(duì)本實(shí)施例中使用的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)中的固體高分子型燃料電池的制作方法進(jìn)行說(shuō)明。
本實(shí)施例的固體高分子型燃料電池中，以具有30nm的平均一次顆粒粒徑的導(dǎo)電性碳顆粒、即灶黑EC(荷蘭、AKZO Chemie公司制造)上承載重量50％的平均粒徑約30的白金顆粒作為空氣極側(cè)的催化劑承載顆粒。另一方面，將上述灶黑EC上分別承載重量25％的平均粒徑約30的白金顆粒和釕顆粒的顆粒作為燃料極側(cè)的催化劑承載顆粒。在對(duì)上述各催化劑承載顆粒分別加水之后，分別將氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)的乙醇分散液(旭硝子株式會(huì)社制造的Flemion)混入其中進(jìn)行攪拌，用上述氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)覆蓋上述各催化劑承載的表面制成催化劑層用油墨。又，上述氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)使用9重量％濃度的全氟碳磺酸的乙醇分散液。又，上述氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)的引入量是承載催化劑的導(dǎo)電性碳顆粒的重量的80重量％。又，上述加水的理由是，為了防止由于催化劑而引起氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)的溶劑的燃燒。因此，上述加水的量只要是能夠潤(rùn)濕全部催化劑即可，其量沒(méi)有必要特別規(guī)定，在這里，加水量采用催化劑重量的3倍。然后，將如上所述制作的兩極的催化劑層用油墨加以調(diào)整，使形成后的反應(yīng)電極中包含的貴金屬的重量為0.5mg/cm2，然后，用條形碼涂布器涂布于聚四氟乙烯基體上。然后，將涂布的催化劑用油墨分別熱轉(zhuǎn)印于外形尺寸為20cm×32cm的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜(杜邦公司制造的Nafion膜112)上，在用140℃進(jìn)行10分鐘的熱處理，使其附著規(guī)定于其上。利用上述操作形成具有催化劑層的氫離子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)膜。
另一方面，在制造電極中的氣體擴(kuò)散層時(shí)，首先，對(duì)氣體擴(kuò)散層基板進(jìn)行撥水處理。具體地說(shuō)，將外形尺寸為16cm×20cm，厚度為270微米的氣體擴(kuò)散層基板、即碳素基板(東麗制造的TGP-H-90)含浸于含氟樹(shù)脂的水性分散液(大金工業(yè)公司制造的Neoflon ND1)中，然后使其干燥，在用350℃加熱30分鐘，以此賦予撥水性。然后，利用修整刮板將導(dǎo)電性碳粉(電氣化學(xué)株式會(huì)社制造的乙炔碳黑)與將PTFE微粉分散的水溶液(大金工業(yè)公司制造的D-1)混合的撥水性碳層油墨涂布于被賦予撥水性的碳素基板的一個(gè)面上，再在300℃是溫度下進(jìn)行30分鐘的熱處理，以形成氣體擴(kuò)散層。
電極電解質(zhì)膜接合體(以下稱(chēng)為“MEA”)采用兩片上述氣體擴(kuò)散層，使具有撥水性的碳基板的未涂布所述撥水性碳層油墨的另一面與具有上述催化劑層的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜接觸地，從兩側(cè)利用熱壓方法壓接得出。還有，這時(shí)的所述熱壓的條件是120℃、10kg/cm2。
作成MEA之后，在該作成的MEA的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜的外圍部接合墊片，再在該墊片上形成冷卻水、燃料氣體以及氧化劑氣體通過(guò)用的集流(manifold)孔。而且準(zhǔn)備外形尺寸為20cm×32cm、厚度為2.0mm、氣體通道和冷卻水通道的深度為1.0mm的含浸樹(shù)脂的石墨板構(gòu)成的隔離板，使用兩枚這種隔離板，將在MEA的一個(gè)面上形成氧化劑氣體通道的隔離板，與另一面上形成燃料氣體通道的隔離板重疊，以此構(gòu)成單元電池。再將這種單元電池連續(xù)疊層100級(jí)，在其兩端部設(shè)置不銹鋼制造的集電板和電氣絕緣材料的絕緣板，用端板和連接桿進(jìn)行固定，以此構(gòu)成固體高分子型燃料電池。還有，利用所述連接桿進(jìn)行連接的連接壓力為隔離板的每單位面積10kg/cm2。
下面對(duì)本實(shí)施例采用的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的雜質(zhì)去除型總熱交換器的制作方法進(jìn)行說(shuō)明。
雜質(zhì)去除型總熱交換器中雜質(zhì)去除層使用纖維狀的苯酚系活性碳片(可樂(lè)麗株式會(huì)社制作的Kuractive CH)。又，氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜采用與燃料電池用的物質(zhì)相同的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜(杜邦公司制造的Nafion膜112)。而且利用熱壓方法將上述活性碳片接合在上述氫離子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)膜的單面上。還有，這時(shí)的上述熱壓的條件采用100℃、10kg/cm2。而且，具有這樣做成的雜質(zhì)去除層的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜，利用在含浸樹(shù)脂的石墨板上形成規(guī)定形狀的引入用通道和排出用通道的隔離板從兩側(cè)夾著，制作一單元的雜質(zhì)去除型總熱交換單元。雜質(zhì)去除型總熱交換器在這里通過(guò)連續(xù)將40級(jí)所述雜質(zhì)去除型熱交換單元疊層構(gòu)成。而且，在該雜質(zhì)去除型總熱交換器的整個(gè)外周部上裝設(shè)上雜質(zhì)去除層再生用加熱器。該雜質(zhì)去除層再生用加熱器，在雜質(zhì)去除層的雜質(zhì)吸收能力達(dá)到飽和附著量的情況下，或固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電運(yùn)行開(kāi)始之前或發(fā)電運(yùn)行的停止之前進(jìn)行通電，將雜質(zhì)去除型總熱交換器的溫度加熱到約120℃。通過(guò)這樣加熱，使雜質(zhì)去除層中的雜質(zhì)分解或脫離，該脫離的雜質(zhì)或雜質(zhì)的分解生成物通過(guò)三通閥排出到固體高分子型燃料電池系統(tǒng)之外。采用這樣的結(jié)構(gòu)，使雜質(zhì)去除層的雜質(zhì)去除能力得以恢復(fù)。又，能夠防止固體高分子型燃料電池因脫離的雜質(zhì)或雜質(zhì)的分解生成物而造成性能劣化。又，提供給固體高分子型燃料電池的氧化劑氣體流入上述氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜上形成的雜質(zhì)去除層一側(cè)的引入用通道，又，上述燃料電池排出的氧化劑氣體流入直接接觸上述氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜的一側(cè)的排出用通道。
在本實(shí)施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電池壽命試驗(yàn)中使用的是利用如上所述制作的固體高分子型燃料電池和雜質(zhì)去除型總熱交換器以及其他必要構(gòu)件，分別將必要的氣體集流管與配管連接得到的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)。而且，電池壽命試驗(yàn)是在這樣的情況下進(jìn)行的，即固體高分子型燃料電池的主體利用冷卻水保持于75℃，燃料氣體采用模擬改性氣體的氣體(氫濃度80％，二氧化碳濃度20％，一氧化碳濃度20ppm)，又，氧化劑氣體采用鼓風(fēng)機(jī)提供的空氣(外部氣體)。又，燃料氣體利用率(Uf)采用70％，空氣利用率(Uo)采用40％，進(jìn)行本實(shí)施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電池壽命試驗(yàn)。其結(jié)果如圖4所示，每200小時(shí)用雜質(zhì)去除層再生用加熱器對(duì)雜質(zhì)去除層進(jìn)行一次加熱的情況下的電池壽命(曲線Va)比不對(duì)雜質(zhì)去除層進(jìn)行加熱的情況下的電池壽命(曲線Vb)好。又，不使用雜質(zhì)去除層的情況下的電池壽命特性(曲線Vc)顯然比上述兩種壽命特性差。
實(shí)施例2圖5是實(shí)施例2的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電池壽命試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。在圖5中，曲線VIa是表示每200小時(shí)一次用雜質(zhì)去除層再生用加熱器對(duì)雜質(zhì)去除層進(jìn)行加熱的情況下的固體高分子型燃料電池的電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化情況。曲線VIb是表示不使用雜質(zhì)去除層的情況下的固體高分子型燃料電池的電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化。本實(shí)施例中使用的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)與實(shí)施例1的除去雜質(zhì)去除層的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)相同。從而，對(duì)于固體高分子型燃料電池的制作方法和壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)方法等說(shuō)明省略。下面對(duì)本實(shí)施例中使用的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的雜質(zhì)去除型總熱交換器中的雜質(zhì)去除層的制作方法進(jìn)行說(shuō)明。
為了形成雜質(zhì)去除層，在本實(shí)施例中，將粉末狀活性碳(可樂(lè)麗Chemical株式會(huì)社制造的Kuraraycoal)和氫離子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)的乙醇分散液(旭硝子株式會(huì)社制造的Flemion)加以混合攪拌，調(diào)制雜質(zhì)去除層用油墨(ink)。這時(shí)，氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)以相對(duì)于上述活性碳粉末的比例為50重量％的組成調(diào)制。然后，在將上述活性碳粉末的重量調(diào)整為1.0mg/cm2的情況下，用條形碼涂布器(bar coater)在聚四氟乙烯基體上進(jìn)行涂布。其后，將上述聚四氟乙烯基體上涂布的上述雜質(zhì)去除層用油墨熱轉(zhuǎn)印于氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜(杜邦公司制造的Nafion膜112)的一面上，再以140℃、10分鐘的熱處理使其固定下來(lái)。除了上面所述以外，還用與實(shí)施例1相同的方法制作雜質(zhì)去除型總熱交換器。于是，使用本實(shí)施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行電池壽命試驗(yàn)的結(jié)果如圖5所示，每200小時(shí)進(jìn)行一次用雜質(zhì)去除層再生用加熱器對(duì)雜質(zhì)去除層進(jìn)行加熱的情況下的電池壽命特性(曲線VIa)，與不使用雜質(zhì)去除層的情況下的電池壽命特性(曲線VIb)相比有飛躍的改善。
實(shí)施例3圖6是實(shí)施例3的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電池壽命試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。
在圖6中，曲線VIIa是表示每200小時(shí)一次用雜質(zhì)去除層再生用加熱器對(duì)雜質(zhì)去除層進(jìn)行加熱的情況下的固體高分子型燃料電池的電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化情況。曲線VIIb是表示不使用雜質(zhì)去除層的情況下的固體高分子型燃料電池的電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化。本實(shí)施例中也只有雜質(zhì)去除層的制作方法不同于實(shí)施例1。下面對(duì)本實(shí)施例用的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的雜質(zhì)去除型總熱交換器中的雜質(zhì)去除層的制作方法進(jìn)行說(shuō)明。
為了形成雜質(zhì)去除層，在本實(shí)施例中，將粉末狀活性碳(可樂(lè)麗Chemical株式會(huì)社制造的Kuraraycoal)、絲光沸石(Mordenite)(東曹制造HSZ-690HOA)與氫離子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)的乙醇分散液(旭硝子株式會(huì)社制造的Flemion)加以混合攪拌，調(diào)制雜質(zhì)去除層用油墨(ink)。這時(shí)，以絲光沸石(Mordenite)相對(duì)于上述活性碳粉末是重量比為30重量％的比例調(diào)制。又，以氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)以相對(duì)于上述活性碳粉末與絲光沸石(Mordenite)的總重量的比例為50重量％的組成調(diào)制。然后，在聚四氟乙烯基體上，在調(diào)整為上述活性碳粉末與絲光沸石(Mordenite)的總重量為1.4mg/cm2之后用條形碼涂布器(bar coater)進(jìn)行涂布。其后，將聚四氟乙烯基體上涂布的上述雜質(zhì)去除層用油墨熱轉(zhuǎn)印于氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜(杜邦公司制造的Nafion膜112)的一面上，再以140℃、10分鐘的熱處理使其固定下來(lái)。除了上面所述以外，還用與實(shí)施例1相同的方法制作雜質(zhì)去除型總熱交換器。于是，使用本實(shí)施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行電池壽命試驗(yàn)的結(jié)果如圖6所示，每200小時(shí)進(jìn)行一次用雜質(zhì)去除層再生用加熱器對(duì)雜質(zhì)去除層進(jìn)行加熱的情況下的電池壽命特性(曲線VIIa)，與不使用雜質(zhì)去除層的情況下的電池壽命特性(曲線VIIb)相比有飛躍的改善。
實(shí)施例4圖7是實(shí)施例4的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的電池壽命試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。
在圖7中，曲線VIIIa是表示每200小時(shí)一次用雜質(zhì)去除層再生用加熱器對(duì)雜質(zhì)去除層進(jìn)行加熱的情況下的固體高分子型燃料電池的電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化情況。曲線VIIIb是表示不使用雜質(zhì)去除層的情況下的固體高分子型燃料電池的電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化。本實(shí)施例中也只有雜質(zhì)去除層的制作方法不同于實(shí)施例1。下面對(duì)本實(shí)施例用的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的雜質(zhì)去除型總熱交換器中的雜質(zhì)去除層的制作方法進(jìn)行說(shuō)明。
在本實(shí)施例中，利用粉末狀活性碳(可樂(lè)麗Chemical株式會(huì)社制造的可樂(lè)麗coal(Curaray coal))、鉑以及氫離子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)的混合物構(gòu)成雜質(zhì)去除層。具體地說(shuō)，將氯鉑酸水溶液溶解于懸浮上述活性碳的水溶液中之后，在該懸浮液中添加堿進(jìn)行中和，以此使Pt(OH)4承載于上述活性碳粉末上。然后，對(duì)這樣調(diào)制的上述懸浮液反復(fù)進(jìn)行過(guò)濾和水洗，去除其雜質(zhì)。然后，將得到的活性碳粉末在氫氣等還原氣氛中進(jìn)行加熱處理，以此使鉑微顆粒承載于活性碳粉末上。在將承載鉑微顆粒的上述活性碳粉末與上述氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)的乙醇分散液(旭硝子株式會(huì)社制造的Flemion)混合攪拌，調(diào)制雜質(zhì)去除層用油墨。這時(shí)，調(diào)制為氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)相對(duì)于上述活性碳粉末的重量比例為50重量％的組成比。然后，在聚四氟乙烯基體上，在調(diào)整為上述活性碳粉末的重量為1.0mg/cm2之后用條形碼涂布器(bar coater)涂布上述雜質(zhì)去除層用的上述油墨。其后，將聚四氟乙烯基體上涂布的上述雜質(zhì)去除層用油墨熱轉(zhuǎn)印于氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜(杜邦公司制造的Nafion 112)的一面上，再以140℃、10分鐘的熱處理使其固定下來(lái)。除了上面所述以外，還用與實(shí)施例1相同的方法制作雜質(zhì)去除型總熱交換器。于是，使用本實(shí)施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行電池壽命試驗(yàn)的結(jié)果如圖7所示，每200小時(shí)進(jìn)行一次用雜質(zhì)去除層再生用加熱器對(duì)雜質(zhì)去除層進(jìn)行加熱的情況下的電池壽命特性(曲線VIIIa)，與不使用雜質(zhì)去除層的情況下的電池壽命特性(曲線VIIIb)相比有飛躍的改善。
實(shí)施形態(tài)2圖8是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)2的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意方框圖。
在本實(shí)施形態(tài)中，在雜質(zhì)去除型總熱交換器15中，將固體高分子型燃料電池1排出的冷卻水使用為與氧化劑氣體進(jìn)行總熱交換的對(duì)象流體。也就是說(shuō)，雜質(zhì)去除型總熱交換器15的排出用通道D(參照?qǐng)D2)的上游側(cè)的一端、即配管連接部c通過(guò)配管連接于固體高分子型燃料電池1的冷卻水用通道1a的下游側(cè)，雜質(zhì)去除型總熱交換器15的排出用通道D(參照?qǐng)D2)的下游側(cè)的一端、即配管連接部d連接于蓄水箱12。而且，固體高分子型燃料電池1氧化劑氣體通道1b的下游側(cè)的一端通過(guò)配管連接于氧化劑側(cè)水回收器8。其他要點(diǎn)與實(shí)施形態(tài)1相同。
如上所述構(gòu)成的本實(shí)施形態(tài)的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)200，在雜質(zhì)去除型總熱交換器15中，氧化劑氣體與對(duì)固體高分子型燃料電池1進(jìn)行冷卻之后的冷卻水進(jìn)行總熱交換。從而，作為對(duì)氧化劑氣體進(jìn)行加熱的熱源使用的是，在固體高分子型燃料電池1進(jìn)行的發(fā)電中發(fā)生，利用冷卻水回收的熱量，因此，能夠謀求有效利用伴隨發(fā)電產(chǎn)生的熱。
又，對(duì)雜質(zhì)去除型總熱交換器15，由于提供對(duì)從固體高分子型燃料電池1排出的氧化劑氣體進(jìn)行加濕的充分的冷卻水，由空氣供給裝置6提供的氧化劑氣體與上述冷卻水之間的總熱交換更可靠地得以進(jìn)行。
還有，在上述說(shuō)明中，敘述了雜質(zhì)去除型總熱交換器與固體高分子型燃料電池分離的形態(tài)，但是，也可以將雜質(zhì)去除型總熱交換器內(nèi)裝于固體高分子型燃料電池中，或?qū)⑵湓O(shè)置于其上。通過(guò)這樣配置，可以節(jié)省雜質(zhì)去除型總熱交換器與固體高分子型燃料電池的連接配管，其結(jié)果是能夠使固體高分子型燃料電池系統(tǒng)小型化。又，在上述說(shuō)明中，舉出一個(gè)例子對(duì)固體高分子型燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行了說(shuō)明，但是，其他形式的燃料電池系統(tǒng)也能夠?qū)嵤┗驊?yīng)用本發(fā)明。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)及其運(yùn)用方法，作為能夠有效去除空氣中包含的有機(jī)化合物等雜質(zhì)，具有優(yōu)異的電學(xué)特性和壽命特性，而且，具有與以往相同的結(jié)構(gòu)的廉價(jià)的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)及其運(yùn)行方法是有用的。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，具備得到燃料氣體和氧化劑氣體的供應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池、以及利用所述燃料電池排出的熱量和水，對(duì)所述供應(yīng)的氧化劑氣體進(jìn)行加熱和加濕的總熱交換器，其特征在于，所述總熱交換器形成能夠去除所述氧化劑中包含的雜質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述總熱交換器具備能夠使所述去除的雜質(zhì)分解或脫離的加熱裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述總熱交換器具有利用總熱交換進(jìn)行所述加熱和加濕的總熱交換膜，該總熱交換膜的與所述氧化劑氣體接觸的一側(cè)的主面上形成去除雜質(zhì)的雜質(zhì)去除層。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，將所述燃料電池排出的氧化劑氣體使用于所述供應(yīng)的氧化劑氣體的所述加熱和加濕。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，將所述燃料電池排出的冷卻水使用于所述供應(yīng)的氧化劑氣體的所述加熱和加濕。
6.如權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述雜質(zhì)去除層利用多孔性吸附劑構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述雜質(zhì)去除層利用承載過(guò)渡金屬的多孔性吸附劑構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述過(guò)渡金屬是鉑、鈀、銠、釕、銥、鎳、鐵、銅、銀中的至少一種。
9.如權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述雜質(zhì)去除層利用承載金屬氧化物的多孔性吸附劑構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬氧化物是氧化鋁、二氧化硅、氧化鋅、二氧化錳、氧化鐵、氧化銅、氧化鈣、氧化鎂中的至少一種。
11.如權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述雜質(zhì)去除層利用承載沸石的多孔性吸附劑構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述沸石是絲光沸石、A型沸石、MF型沸石、β型沸石、八面沸石(faujasite)中的至少一種。
13.如權(quán)利要求6～12中的任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述多孔性吸附劑由活性碳或硅凝膠構(gòu)成。
14.一種燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)用方法，是使用得到燃料氣體和氧化劑氣體的供應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池和利用所述燃料電池排出的熱量和水，對(duì)所述供應(yīng)的氧化劑氣體進(jìn)行加熱和加濕的總熱交換器的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)用方法，其特征在于，用所述總熱交換器去除所述氧化劑中包含的雜質(zhì)，使用能夠使所述雜質(zhì)分解或脫離的加熱裝置，對(duì)在所述燃料電池發(fā)電開(kāi)始之前或發(fā)電停止之前去除所述雜質(zhì)的總熱交換器進(jìn)行加熱，利用所述加熱將所述去除的雜質(zhì)從所述總熱交換器排出。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠有效去除空氣中包含的有機(jī)化合物等雜質(zhì)，具有優(yōu)異的電氣特性和壽命特性，而且具有與現(xiàn)有的系統(tǒng)相同結(jié)構(gòu)的廉價(jià)的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)是具備得到燃料電池和氧化劑氣體的供應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池(1)、以及利用從所述燃料電池排出的熱和水，對(duì)所述提供的氧化劑氣體和水進(jìn)行加熱和加濕的總熱交換器(15)的燃料電池系統(tǒng)(100)，所述總熱交換器形成能夠去除包含于所述氧化劑氣體中的雜質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1604373SQ200410079299
公開(kāi)日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月1日
發(fā)明者堀喜博, 吉村美貴子, 鵜飼邦弘, 脅田英延, 內(nèi)田誠(chéng) 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社