CN1890832A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种燃料电池系统和操作燃料电池系统的方法，其中，设置外部电源(4)向燃料电池(1)施加电流，该燃料电池(1)包括将聚合物电解质隔膜(21)夹在燃料电极(24A)和氧化剂电极(24B)之间的聚合物电解质隔膜－电极催化剂复合体和形成有流通道(27、29)的隔板，该通道用于将燃料和氧化剂提供给聚合物电解质隔膜－电极催化剂复合体，并且该外部电源(4)用于改变向该燃料电池(1)施加电流的方向。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及用于减轻阴极中的水过多状态的燃料电池系统。
背景技术
近来环境问题，特别是由汽车烟雾引起的空气污染和由二氧化碳和其它温室气体引起的全球变暖，需要使能够实现清洁排气和高能效的燃料电池系统。
一般而言，燃料电池是一种电化学设备，其基于在聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体中的氢气或富含氢的重整气(reformed gas)等燃料与空气等氧化剂之间的电化学反应，将燃料的化学能直接转化成电能。特别是，使用固体聚合物隔膜作为电解质、产生高功率密度的固体聚合物电解质燃料电池(固体PEFC)作为用于汽车等移动体的电源受到关注。
这种固体PEFC包括夹在被称为燃料电极的阳极电极和被称为氧化剂电极的阴极电极之间的电解质，其中，向该燃料电极提供燃料，向该氧化剂电极提供氧化剂。
在燃料电极中，氢分子分解成通过电解质移向氧化剂电极的质子和通过外部电路移向氧化剂电极的电子导致产生电力。在氧化剂电极中，所提供的空气中的氧分子与从燃料电极提供的质子和电子之间的反应产生水分子。水分子被排出到固体PEFC中。
这种固体PEFC存在以下问题：(1)在氧化剂电极中通过电化学反应产生的过多的水抑制氧化剂电极中的氧化剂气体的扩散；(2)过多的水在温度低于0℃的环境下冻结。这些问题导致具有固体PEFC的燃料电池系统的故障。
为了解决上述问题，日本特开2003-272686号公报公布了一种技术：通过向氧化剂电极提供燃料、以及通过使用外部电源沿从燃料电极到氧化剂电极的方向向电解质施加电流，使在氧化剂电极中产生的过多的水流到电解质。该技术能够减少氧化剂电极中过多水的产生，并防止在温度低于0℃的环境下过多的水冻结。
发明内容
然而，在采用该技术的燃料电池系统中，当燃料电池系统减少在氧化剂电极中产生的过多的水时，将燃料通过燃料提供线路直接提供给氧化剂电极。因此，该技术存在以下问题：如果设置到燃料提供线路的阀中发生某些意外事故，则在燃料电池系统正常运转期间，燃料可能被提供到氧化剂电极中。这样由于在氧化剂电极中的燃料与氧化剂之间的反应，导致电力产生效率和燃料电池耐久性的下降。
为了解决这样的问题，本发明的目的是提供一种燃料电池系统，其能够通过在燃料电池系统正常运转期间防止氧化剂电极中的燃料和氧化剂的混合，抑制电力产生效率和燃料电池耐久性的下降。
根据本发明的主要方面，提供一种燃料电池系统，该系统包括：燃料电池，其包括由夹在燃料电极与氧化剂电极之间的聚合物电解质隔膜组成的聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体，以及形成有通道的隔板(separator)，通过该通道将燃料和氧化剂提供给聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体；外部电源，其用于向燃料电池施加电流，并改变施加于燃料电池的该电流的方向。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的燃料电池系统的结构的框图；
图2是示出根据本发明第一实施例的固体聚合物电解质燃料电池的结构的剖视图；
图3是示出当对根据本发明第一实施例的燃料电池施加电流时水分子在燃料电池中如何移动的示意图；
图4是示出根据本发明第一实施例的燃料电池的控制程序的流程图；
图5A和5B是示出当对根据本发明第一实施例的燃料电池施加电流时水分子在燃料电池中如何移动的示意图：图5A示出当将氧化剂提供给氧化剂电极时的情况，图5B示出当燃料电池系统减少在氧化剂电极中产生的过多的水时的情况；
图6A-6D是示出根据本发明第一实施例在反转电流方向前后的时间区域内燃料电池的被控变量如何改变的图：图6A示出氧化剂电极中的燃料量，图6B示出移向燃料电极的水的量，图6C示出移向氧化剂电极的水的量，图6D示出氧化剂电极中的水的量；
图7是示出向根据本发明第二实施例的燃料电池施加电流的电流量与时间之间的关系的图；
图8是示出根据本发明第二实施例的燃料电池的控制程序的流程图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的最佳方式进行详细说明。
第一实施例
图1是示出根据本发明第一实施例的燃料电池系统的结构的框图。该燃料电池系统包括：燃料电池1，其被提供用于产生电力的燃料气体和氧化剂气体；氧化剂提供/排出线路2，通过该线路，将氧化剂提供给燃料电池1，并将燃料电池1中未反应的氧化剂排出；燃料提供/排出线路3，通过该线路，将燃料提供给燃料电池1，并将燃料电池1中未反应的燃料排出；外部电源4；燃料量检测部件5；燃料贮存罐6；阀7、8、9；压缩机10；以及控制器11。
外部电源4是在正常运转期间从燃料电池1断开，而在燃料电池1的性能恢复操作期间即当从氧化剂电极除去过多的水时运转以向燃料电池1施加电流的电源，如图5A、5B中所示，其由电源41和开关42组成。
如图5A和5B中所示，控制器11控制开关42以允许改变施加于燃料电池1的电流的方向。也就是，如图5A中所示，控制器11控制开关42以允许将电源41的正极(+电极)连接到燃料电池1的燃料电极，并将电源41的负极(-电极)连接到燃料电池1的氧化剂电极，使得电流从燃料电极流向氧化剂电极。相反，如图5B中所示，控制器11控制开关42以允许将电源41的正极(+电极)连接到燃料电池1的氧化剂电极，并将电源41的负极(-电极)连接到燃料电池1的燃料电极，使得电流从氧化剂电极流向燃料电极。
此外，控制器11控制外部电源41使得还可以根据由燃料量检测部件5检测到的信息改变提供给燃料电池1的电流值。
而且，将燃料量检测部件5设置在燃料电池1的出口(尽管入口可以满足)处的氧化剂提供/排出线路2中，以检测被提供给燃料电池1的氧化剂电极的燃料量。燃料量检测部件5由检测用作燃料气体的氢的量的氢传感器或通过检测氢的压力检测被提供给燃料电池1的氧化剂电极的氢的量的压力传感器组成。
燃料贮存罐6在靠近燃料电池1的入口的点处连接到氧化剂提供/排出线路2，并贮存将经过阀9提供给燃料电池1的氧化剂电极的燃料，其中，在燃料电池1的性能恢复操作期间可控制地打开阀9。
阀7在氧化剂提供线路连接到氧化剂提供/排出线路2；阀8在氧化剂排出线路连接到氧化剂提供/排出线路2；并且阀7和阀8在燃料电池1的正常运转期间打开，而在燃料电池1的性能恢复操作期间关闭。
控制器11用作控制燃料电池系统的整个运转的控制中心，并通过包括根据程序控制各种运转步骤的计算机所需的CPU、存储器以及输入和输出接口的微计算机来实现。控制器11用以从燃料电池系统中的燃料电池1和包括燃料量检测部件5的各种传感器中读取信号，并根据预先存储在内部的控制逻辑(软件)，将命令发送给包括外部电源4和阀7、8、9的燃料电池系统的各构成元件，以如下所述的方式控制运转/停止所需的全部操作，包括典型的燃料电池系统的性能恢复操作。
此外，控制器11包括电阻测量部件12。电阻测量部件12包括用于根据燃料电池1的电压和电流测量燃料电池1的电阻的部件，并通过测量燃料电池1的电阻，电阻测量部件12用作检测燃料电池1的氧化剂电极中的水的量的水量检测部件。可选的是：控制器11包括用于测量燃料电池1的电压的部件，以允许该电压测量部件用作检测燃料电池1的氧化剂电极中的水的量的水量检测部件。
另外，在具有图1所示的结构的燃料电池系统中，容器13可以连接到燃料电池1的氧化剂电极的出口侧，用于贮存可能在燃料电池1的性能恢复操作期间从燃料电极移出的燃料。
图2是示出图1中所示的固体聚合物电解质燃料电池1的结构的剖视图。在图2中，燃料电池1的一个单元包括：由固体聚合物膜形成的电解质隔膜21、设置在电解质隔膜21的两侧以将电解质隔膜21夹在中间的两个电极(燃料电极24A和氧化剂电极24B)、以及在隔板26、28上形成的气流通道27、29。
电解质隔膜21由氟族树脂等固体聚合物材料形成，作为具有质子传导性的膜。设置在该膜的两面上的两个电极24A、24B分别包括由铂或铂和其它金属制造的催化剂层22A、22B和气体扩散层23A、23B，且如此形成这两个电极24A、24B使得其上存在催化剂的表面保持与电解质隔膜21接触。通过位于不透气的致密性碳材料的一面或两面上的多个肋(rib)，形成气流通道27、29，以允许从各自的气体入口提供氧化剂气体和燃料气体，同时从气体出口排出使用过的气体。
图3是示出在燃料电池1的性能恢复操作期间水分子在燃料电池1中如何移动的示意图。在图3中，在将燃料气体提供给燃料电极和氧化剂电极的情况下，当启动外部电源4以使电流沿从燃料电池1的氧化剂电极向燃料电极的方向流动时，在燃料电极和氧化剂电极上发生以下反应：
氧化剂电极(阴极电极) ，
燃料电极(阳极电极) 。
然后，燃料电池1中从氧化剂电极向燃料电极移动的水分子以大于由于扩散而从氧化剂电极向燃料电极移动的水分子的量增加。因此，可以从氧化剂电极(图3中的氧化剂电极的反应面A)除去过多的水，以解决燃料电池的性能劣化的问题。
接着，将参考图4中所示的流程图说明燃料电池的性能恢复操作的基本序列。
首先，在运转中停止燃料电池系统后，根据提供关于燃料电池1的性能下降的预定指标的燃料电池1的电压或电阻的参考值，进行判断以查明是否进行燃料电池1的恢复操作(步骤S10)。即，在燃料电池1的氧化剂电极的反应面上存在过多的水的情况下，燃料电池1的电压值或电阻值降低，因此，如果发现这些值超过该参考值，则不执行性能恢复操作而终止该操作，然而，如果上述值低于该参考值，则将操作转入性能恢复操作。
然后，如果需要恢复操作，则中断向氧化剂电极提供氧化剂(步骤S11)。接着，将净化气体(purge gas)导入氧化剂提供/排出线路2和燃料提供/排出线路3(步骤S12)，使得从氧化剂提供/排出线路2和燃料提供/排出线路3排出过多的水。在此，尽管在附图中没有示出用于导入净化气体的系统，但是可以提供分别准备的惰性气体或干燥后的氧化剂气体。在随后的步骤中，将燃料导入燃料电极(步骤S13)。
接着，执行操作以关闭分别设置在氧化剂电极的入口和出口中的阀7、8，同时打开保持在关闭状态下的阀9，以允许将燃料从燃料贮存罐6导入氧化剂电极的反应面的附近(步骤S14)。在后续的操作中，如图5A中所示，将外部电源4连接到燃料电池1以向燃料电池1施加电流，从而允许电流从燃料电极流向氧化剂电极(步骤S15)。确定此时的电流值，使得如图5A中所示，伴随有经过聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体向氧化剂电极移动的燃料的被称为拖曳(Drag)的水分子的移动，以与由燃料电极与氧化剂电极之间的水的量(水分子的浓度)的不同而导致的被称为返扩散(Back Diffusion)的水分子的扩散速率相同的速率而发生。
然后，在使用燃料量检测部件5测量氧化剂电极上的燃料量时，进行辨别以查明燃料量是否超过第一给定值(步骤S16)。在辨别结果中，如果燃料量小于第一给定值，则继续操作以向燃料电池1施加电流，直到燃料量达到第一给定值为止。
这里，将第一给定值设置为用于将残留在氧化剂电极中的水分子导入聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体所需的最小值。利用第一实施例，如上所述，基于由用作检测氧化剂电极中的水的量的部件的电阻测量部件12测量到的燃料电池1的电阻值，检测水的量，并通过使用结果水量，判断将要移动的燃料量(与第一给定值相关)。另外，氧化剂电极中的水的量越高，所需的燃料量将会越大。因此，通过采用该结构来检测氧化剂电极中的水的量，可以利用最小燃料量实现恢复工作，而不使用过多的燃料和电力。
相反，在步骤S16的辨别结果中，如果氧化剂电极上的燃料量超过了第一给定值，则立即停止外部电源4，以中断向燃料电池1施加电流(步骤S17)，之后，如图5B所示，将外部电源4转变为另一方式，以与在上述阶段中电流流动的方向相反的反转方向向燃料电池1施加电流(步骤S18)。
当此发生时，可以中断正提供给燃料电极的燃料，从而使得能够保存燃料量。将以反转方向施加于燃料电池1的电流值设置为大于在上述阶段中施加于燃料电池1的电流值的值，使得如图5B所示，伴随有经过聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体向燃料电极的燃料移动的水分子的移动速率，超过由燃料电极与氧化剂电极之间的水分子的浓度不同而引起的水分子的扩散速率。
接着，进行辨别以查明提供给氧化剂电极的燃料量是否低于第二给定值(步骤S19)。在辨别结果中，如果燃料量不低于第二给定值，则继续操作以向燃料电池1施加电流，直到燃料量低于第二给定值为止。这里，将第二给定值设置为最小值，以便即使在向其施加电流期间也不会导致对燃料电池1的损坏。相反，在步骤S19的辨别结果中，如果燃料量低于第二给定值，则停止外部电源4，以中断向燃料电池1施加电流(步骤S20)。在上述一系列操作过程中，在电流方向发生反转前后，氧化剂电极中的燃料量、向燃料电极移动的水的量、向氧化剂电极移动的水的量以及氧化剂电极中的水的量如图6A到6D所示变化。
最后，关闭阀9以中断从燃料贮存罐6向燃料电池1的燃料提供，同时打开阀7、8(步骤S21)以将净化气体导入燃料电极和氧化剂电极(步骤S22)，并在从燃料电极和氧化剂电极排出未反应的燃料后，停止该操作。
如上所述，利用第一实施例，燃料电池1设有用于向燃料电池施加电流并具有可以切换的正极和负极的外部电源4，因而，当将燃料导入燃料电极，同时使得电流从氧化剂电极流向燃料电极时，通过施加从燃料电极到氧化剂电极的电流实现燃料电池1的性能恢复所需的燃料，可以经过聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体从燃料电极移动到氧化剂电极。因此，无需用于经过导管(conduit)直接将燃料从燃料电极导入氧化剂电极所需的阀，结果能够具有避免由在正常运转期间阀中可能发生的故障而引起的氧化剂电极上的燃料与氧化剂之间的混合的可能性。
此外，利用具有在施加从氧化剂电极流向燃料电极的电流后允许电流从燃料电极流向氧化剂电极的能力的外部电源4，可以使从燃料电极向氧化剂电极移动的燃料，再次返回到燃料电极。另外，如图3所示，由于氧化剂电极中存在的水分子向聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体移动，因而可以解决由氧化剂电极中的过多的水引起的燃料电池的性能劣化。
而且，由于外部电源4的改变电流大小的能力，在燃料从燃料电极向氧化剂电极移动期间使用降低的电流值，能够将伴随有从燃料电极向氧化剂电极移动的燃料的水分子的移动调整成使其以与由燃料电极与氧化剂电极之间的水分子的浓度的不同而引起的水分子的扩散速率相同的速率发生。同时，当使燃料从氧化剂电极向燃料电极移动时，使用增加的电流值允许伴随有从氧化剂电极向燃料电极移动的燃料的水分子的移动，以大于由燃料电极与氧化剂电极之间的水的量不同而引起的水分子的扩散速率发生，从而，将氧化剂电极表面上的水分子导入聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体，以使得能够有效恢复燃料电池1的性能。
而且，利用所设置的燃料量检测部件5，比较检测到的燃料量和预定的第一给定值，从而可以防止提供给氧化剂电极的燃料量的过多增加。这样将燃料电极与氧化剂电极之间的压力差抑制到最小值，从而将电力消耗、控制时间、以及由压力差引起的对聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体的损坏的发生抑制到最低限度。
另外，由于不可能发生在氧化剂电极上不存在燃料而电流流过氧化剂电极，因而可以避免氧化剂电极的腐蚀。另外，利用由安装在燃料电池1的氧化剂电极的入口和出口中的至少一个上的氢传感器或压力传感器所组成的燃料量检测部件5，可以从燃料电池1外部更精确地检测燃料量。
利用设有用于检测氧化剂电极的反应面上的水的量的部件的燃料电池系统，可以进行辨别以查明在氧化剂电极的反应面上的存在水量过多增加的情况下，是否需要执行燃料电池1的性能恢复操作。同时，如果判断为不需要执行性能恢复操作，则可以节省性能恢复操作所需的燃料量和电力消耗。
由于以下结构，在该结构中，用于检测氧化剂电极的反应面上的水的量的部件被构造为用于测量燃料电池1的电压的部件或用于检测燃料电池1的电阻的电阻测量部件12，因而无需在氧化剂电极的反应面上直接设置用于检测水的量的部件，并且可以从燃料电池1的外部容易地检测到氧化剂电极的反应面上的水的量。
利用设置在燃料电池1的上游和下游中的至少一处的氧化剂提供/排出线路2中的阀7、8，可以将在氧化剂电极中产生的燃料贮存在邻近氧化剂电极的反应面的区域中。这使得能够更有效地使用燃料，此外，还可以节省用于将燃料导入氧化剂电极中所需的电能。
通过预先将燃料量设置成将存在于氧化剂电极上的水分子导入聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体所需的最小值，可以使燃料消耗最小化，同时最终节省电力。
利用设有用于贮存从燃料电极移动来的燃料的容器的燃料电池系统，还可以将从燃料电极移动来的燃料贮存在其它区域，而不是与氧化剂电极相关的气流通道和导管。这使得能够解决在燃料电池1的性能恢复操作期间可能发生的氧化剂电极上的燃料短缺的问题。另外，即使在正常运转期间残留在用于贮存燃料的容器中的燃料泄露到氧化剂提供/排出线路，燃料电池1的下游侧的氧化剂提供/排出线路2中容器的设置，也使能够在燃料电池1的运转期间避免氧化剂电极的反应面上的燃料与氧化剂之间的混合。
第二实施例
第二实施例的燃料电池系统的特征在于：与第一实施例的燃料电池系统相比，无需图1中所示的燃料量检测部件5，并且，以另一方式从外部电源4向燃料电池1施加电流，如图7所示，预先设置该方式，以便为从氧化剂电极流向燃料电极的电流提供电流值A1和接通时间T1，为从燃料电极流向氧化剂电极的电流提供电流值A2和接通时间T2。另外，基于用于恢复燃料电池的性能所需的燃料量，计算向燃料电池1施加电流的接通时间。
在第二实施例的燃料电池中执行的性能恢复操作的基本序列采用如图8中所示的序列，其中，省略了图4所示的第一实施例的序列中的步骤S16和S19中的判断，而其它步骤与图4中所示的序列的步骤相同。另外，在图8中，省略了在步骤S14和步骤S21中的操作。
利用所采用的这些特征，使得第二实施例具有以下优点：除在第一实施例中获得的效果外，无需提供作为燃料量检测部件5的硬件，结果能够使结构小型化和简单化。
工业应用性
如上所述，利用本发明，燃料电池1设有用于向燃料电池施加电流并具有可以切换的正极和负极的外部电源4，因而，当将燃料导入燃料电极，同时使得电流从氧化剂电极流向燃料电极时，通过施加从燃料电极到氧化剂电极的电流实现燃料电池1的性能恢复所需的燃料，可以经过聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体从燃料电极移动到氧化剂电极。因此，无需用于经过导管直接将燃料从燃料电极导入氧化剂电极所需的阀，结果能够具有避免由在正常运转期间阀中可能发生的故障而引起的氧化剂电极上的燃料与氧化剂之间的混合的可能性。
提交日期为2003年12月3日的日本专利申请号2003-404365的全部内容被通过引用包含在此。
尽管以上参照本发明的特定实施例对本发明进行了说明，但是本发明不局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，根据教义，可以进行修改。参照以下权利要求限定本发明的范围。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池，其包括聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体和形成有通道的隔板，该聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体具有燃料电极、氧化剂电极和夹在该燃料电极与该氧化剂电极之间的聚合物电解质隔膜，通过该通道，将燃料和氧化剂提供给该聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体；以及
外部电源，用于向该燃料电池施加电流并改变向该燃料电池施加电流的方向。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
控制器，用于在恢复该燃料电池的性能期间，控制该外部电源以使前向电流沿从该燃料电池的燃料电极到氧化剂电极的方向流动，还控制第一阀以将燃料提供给该燃料电池的氧化剂电极，之后，反转该前向电流的方向。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
该控制器控制反转后电流的值，使其大于该前向电流的值。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
燃料量检测部件，用于检测存在于该燃料电池的氧化剂电极上的燃料量，其中
当存在于该燃料电池的氧化剂电极上的燃料量超过第一给定值时，该控制器控制该外部电源以反转该前向电流的方向。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，
当存在于该燃料电池的氧化剂电极上的燃料量降到小于该第一给定值的第二给定值以下时，该控制器控制该外部电源以停止将反转后的电流施加给该燃料电池。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，
该燃料量检测部件包括安装在该燃料电池的氧化剂电极的入口和出口中的至少一个上的传感器，以检测存在于氧化剂电极中的氢和压力中的至少一个。
7.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
水量检测部件，用于检测氧化剂电极的反应面上的水的量。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，
该水量检测部件根据该燃料电池的电压值和电阻值中的至少一个，检测氧化剂电极的反应面上的水的量。
9.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
第二阀，其被设置在该燃料电池的氧化剂电极的入口和出口中的至少一个中，以切断提供给该燃料电池的氧化剂电极的氧化剂和从该燃料电池的氧化剂电极排出的氧化剂中的至少一个。
10.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，
根据由该水量检测部件检测到的氧化剂电极中的水的量，确定提供给该燃料电池的氧化剂电极的燃料量。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
容器，其被设置在该燃料电池的氧化剂电极的出口中以贮存燃料。
12.一种操作燃料电池系统的方法，其中，该燃料电池系统包括：燃料电池，其包括由被夹在燃料电极与氧化剂电极之间的聚合物电解质隔膜组成的聚合物电解质隔膜-电极催化剂复合体；以及外部电源，其用于当恢复该燃料电池的性能时向该燃料电池施加电流，该方法包括以下步骤：
将燃料提供给该燃料电池的氧化剂电极；
启动该外部电源，以使电流沿从该燃料电池的燃料电极到氧化剂电极的方向流动；以及
切换该外部电源，使得电流沿从氧化剂电极到燃料电极的方向流动。
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