[发明专利]燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及改善发电期间产生的反应水的排水，并且保持和稳定燃料电池发电效率的燃料电池系统。

背景技术

如图14中所示，在固态聚合物燃料电池中，包括电解质膜52的组件(MEA：薄膜电极组件)自身夹在两个分离器30之间以产生作为最小单元的电池，然后通常多个这种电池堆叠在一起形成燃料电池堆(FC堆)，从而能够获得高电压，其中电解质膜52由夹在两个电极，即燃料电极50和空气电极54，之间的固态聚合物膜形成。

固态聚合物燃料电池的发电机构包括例如含氢气体的燃料气体至燃料电极(阳极侧电极)50的供给和例如主要包括氧气(O₂)的氧化气体或空气至空气电极(阴极侧电极)52的供给。含氢气体通过形成在分离器30表面内的微细管道供给至燃料电极50，电极催化剂的作用使得氢气分离成电子和氢离子(H⁺)。电子通过外电路从燃料电极50流到空气电极50，从而产生电流。其间，氢离子(H⁺)通过电解质膜52至空气电极54，并且与氧气和通过外电路的电子结合，从而产生反应水(H₂O)。使用冷却水回收氢气(H₂)、氧气(O₂)和电子之间发生结合反应时产生的热量。另外，在组件阴极侧上空气电极54产生的水(在下文中称为“反应水”)从阴极侧排出。

如图14中所示，在燃料电池运行期间(在发电期间)，在空气电极54的表面上与电解质膜52相接触的那些部分产生反应水。当燃料电池运行时，如果该反应水无法有效地从燃料电池系统排出，那么反应水会在空气电极54的扩散层与分离器30之间的空间内聚积，结果，阻止了反应气体，尤其是氧化气体的扩散，引起所谓的消光现象(flattingphenomenon)。在这种情形下，倾向于观察到燃料电池发电效率的降低。

因此，为了将反应水从燃料电池有效地排出，提出了多种装置。例如，日本专利公开No.2000-251903提出在燃料电池分离器模制的表面上提供一种涂层，尤其是亲水聚合物层，其与水的接触角不超过40度；日本专利公开No.2003-142116提出在主要由碳构成的燃料电池分离器的表面上照射真空紫外线，从而提高分离器表面的润湿性；日本专利公开No.2003-213563提出了一种燃料电池，该燃料电池使用碳纤维电极材料作为电极，该碳纤维电极材料在材料的一个表面上具有由斥水树脂和导电小颗粒组成的层，其中在该表面与水的接触角至少为108度。

但是，在日本专利公开No.2000-251903和日本专利公开No.2003-142116中提出的分离器中，当燃料电池的运行时间增加时，由于反应水的作用逐渐去除亲水表面，结果表面的亲水作用逐渐退化，从而意味着难以长时间保持燃料电池的排水性。另外，日本专利公开No.2003-213563中提出的碳纤维电极材料在燃料电池运行时，电极表面上的斥水树脂也逐渐退化，从而意味着以与上面相类似的方式，难以长时间保持燃料电池的排水性。

另一方面，日本专利公开No.Hei 07-307161提出了一种燃料电池操作方法，其中在磷酸燃料电池运行期间，如果由于阴极侧电极的催化剂层的过度湿润而引起电池输出特性退化，那么如图15中所示，在单元电池电压与预设限值之间进行比较(S200)，当单元电池的操作电压降低至低于该预设限值时，认为由于阴极侧电极的催化剂层过度湿润而引起电池输出特性降低，并且由于燃料电池仍处于升温状态而临时停止燃料电池的运行(S202)，停止将氧化气体供给至阴极侧电极，然后开始将氮气供给至阴极侧电极，从而从阴极侧电极清除氧化气体的残留氧化成分(S204)，随后使用氮气适当地清除阴极侧电极，开始供给用作亲水官能团去除气体的氢气，从而实施阴极侧电极的氢气还原处理(S206)，还原和去除了阴极侧电极催化剂层中碳载体表面产生的亲水官能团，然后重新开始将氮气供给至阴极侧电极，从而从阴极侧电极清除任何去除残留亲水官能团的氢气(S208)，然后重新开始燃料电池的运行(S210)。