[发明专利]燃料电池系统及燃料电池的操作方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池系统及操作方法，所述燃料电池系统在没有湿气的条件或高温的条件中的至少一个条件下操作，其特征在于，燃料电池具有：燃料气体流动路径和氧化剂气体流动路径，其布置成使得燃料气体和氧化剂气体沿着相反的方向流动；判定装置，其判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量；和燃料气体控制装置，如果在该判定装置中判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则所述燃料气体控制装置通过增大燃料气体流量和/或减小燃料气体压力来增加在氧化剂气体流动路径入口附近的水量。

本申请是名称为“燃料电池系统及燃料电池的操作方法”、国际申请日为2009年3月26日、国际申请号为PCT/IB2009/005332、国家申请号为200980100116.X的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种防止水不均匀地分布在单电池的表面上的燃料电池系统以及燃料电池的操作方法。

背景技术

燃料电池通过将燃料和氧化剂供给到两个电连接在一起的电极并且电化学地氧化燃料而直接将化学能转化成电能。与热发电不同，燃料电池在转化能量方面效率高，这是因为燃料电池不受卡诺循环限制。燃料电池通常由多个单电池的堆形成，每个所述单电池都基本由膜电极组件(MEA)构成，在所述膜电极组件中电解质膜夹在一对电极之间。在燃料电池之中，把聚合物电解质膜作为电解质膜的聚合物电解质燃料电池在作为便携式的电源和用于可移动的物体的电源方面尤其有吸引力，这是因为聚合物电解质燃料电池可以容易地制造得较小并且可以在低温下操作。

在聚合物电解质燃料电池中，当氢用作燃料时，在阳极(即，燃料电极)处发生以下表达式(1)中的反应。

H₂→2H⁺+2e^- (1)

作为以上表达式(1)的结果而释放的电子穿过外电路，在所述外电路处这些电子在外载荷处做功，并且继而到达阴极(即，氧化剂极)。这里，由表达式(1)产生的质子在来自电渗的水合状态中从阳极运动通过聚合物电解质膜而到达阴极。

而且，当氧用作氧化剂时，在阴极处发生表达式(2)中的反应。

2H⁺+(1/2)O₂+2e^-→H₂O (2)

在阴极处产生的水主要穿过气体扩散层，在此之后水从燃料电池排出。这样，燃料电池是只排放水的清洁电源。

如果有过多的待排出的水(在本说明书中，术语“水”用于广泛的意义，并且从而也包括湿气和类似物)，则已经在燃料电池中冷凝的水会阻塞催化剂层或气体扩散层中的空隙，并且在极端情况下，甚至阻塞气体流动路径，并从而阻碍气体的供给，阻止用于发电的足够量的气体到达催化剂层，这将导致燃料电池的输出降低。而且，如果在燃料电池中没有足够的水，则将增大内电阻，同样导致燃料电池的输出和发电效率降低。为解决该问题，先前已经开发了以下说明的各种技术。

日本专利申请公开No.2002-352827(JP-A-2002-352827)说明了涉及一种燃料电池系统的技术，所述燃料电池系统包括：ⅰ)水量判定装置，其用于判定燃料电池中的水量过多还是不足；以及ⅱ)气体供给量控制装置，其用于基于来自水量判定装置关于燃料电池中的水量过多还是不足的判定结果，控制供给到燃料电池的氧和/或氢的气体供给量。

日本专利申请公开No.2006-210004(JP-A-2006-210004)说明了涉及一种燃料电池系统的技术，所述燃料电池系统包括：ⅰ)空气量调节装置，其用于调节在氧化剂气体流动路径中流动的空气量；ⅱ)判定装置，其用于判定电解质膜是否变干；以及ⅲ)控制装置，其用于当判定电解质膜变干时，控制在氧化剂气体流动路径中流动的空气的压力，以便使所述空气的压力高于正常操作期间中的空气的压力。