[发明专利]燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，具体涉及用于基于启动时和停止时的各自的温度在所述启动时和停止时控制燃料电池的燃料电池系统。

背景技术

近年来，如蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、笔记本型个人计算机、数字照相机、以及数字摄像机之类的移动电子设备实现了多功能，并且要由各个设备处理的信息量增加，导致增加了其越来越多的功耗。

由于这个原因，强烈希望实现要被安装在那些设备上的更高能量密度的电源。

燃料电池是这样一种设备，其中，典型为氢的燃料和典型为氧的氧化剂在该设备中互相发生化学反应以获得化学能，并且所获得的化学能被直接转换为电能。

上述的燃料电池在燃料中具有更高的能量密度，从而与常规蓄电池相比，每体积和每重量的能量容量能够增大。另外，如果采用从外部空气中取得氧气的结构，就不必提供氧化剂材料，并且每体积和每重量的能量容量能够进一步提高。

在燃料电池中，聚合物电解质燃料电池(PEFC)具有使用聚合物膜作为电解质的全固体结构，使得燃料电池具有如其操作容易、结构简单、低温下工作、以及用于燃料电池的启动的时段短之类的特性。从上述特性中，可以说燃料电池适用于要安装在移动电子设备上的功率源。

聚合物电解质燃料电池基本上包括具有质子传导性的聚合物电解质膜和设置在聚合物电解质膜的两个表面上的一对电极。

每个电极包括由铂或者属于铂族的金属制成的催化剂层，以及用于提供气体并收集电流的形成在催化剂层外部的气体扩散电极。

通过将这些电极和聚合物电解膜集成为一体获得的组件被称为膜电极组件(MEA)，其中向一个电极提供燃料，向另一个电极提供氧化剂，来进行功率生成。

一对膜电极组件的理论电压是大约1.23V，并且在普通工作条件下，膜电极组件在很多情况下是在大约0.7V下被驱动的。因此在需要更高电压的情况下，多个电池单元被电气上串联地堆叠和布置以便被使用。

这种类型的堆叠结构被称为燃料电池堆，并且在这个堆中，氧化剂流路和燃料流路通常由被称为分离器的部件所隔离。

作为燃料电池的燃料给出各种燃料，并且提供燃料的方法示例包括：直接提供如甲醇之类的液体燃料的方法；提供氢的方法；以及将液体燃料改性来生成氢并将氢提供给燃料电极的方法。

在那些方法中，从高输出和小尺寸的优点来看，氢提供系统被优选地用于移动电子设备。

为了操作燃料电池系统，已经提出了通过使用连接在燃料电池的燃料电极和氧化剂电极之间的电阻器在启动时和停止时控制燃料电池的操作的方法。

在燃料电池启动时，必需尽快使聚合物电解质膜潮湿以便获得稳定的电气特性。

对于要使用的聚合物电解质膜，需要提供需求特性，如质子传导性、阻气特性、电子绝缘特性、化学和电气稳定性、阻热、以及高机械强度。

响应这些需求，基于全氟磺酸的离子交换树脂是特别优选的，并被广泛使用。

在基于全氟磺酸的离子交换树脂所形成的聚合物电解质膜中，需要附带水分(accompanying water)用于质子传导。因此在聚合物电解质膜中水分含量低的情况下，质子传导性低，而在水分含量高的情况下质子传导性高。

聚合物电解质膜的质子传导性对燃料电池的内部电阻造成很大影响，因此导致显著影响功率生成的特性。由于这个原因，设计一种方法来快速转入潮湿状态是很重要的，所述状态是当在通常具有低的水分含量的聚合物电解质膜的情况下在燃料电池启动时水分含量增大的状态。

在聚合物电解质燃料电池中，在燃料电极处生成的质子在聚合物电解质膜中向氧化剂电极移动，并且产生水分的反应发生在氧化剂电极。通过聚合物电解质膜中的浓度梯度引起的扩散，氧化剂电极处产生的水分从氧化剂电极向燃料电极移动，从而聚合物电解质膜的总的水分含量增加。为了在短的时段内增加聚合物电解质膜的总的水分含量，聚合物电解质膜薄到聚合物电解质膜能够实现如防止燃料和氧化剂交叉泄漏并且确保两个电极之间的电气绝缘特性的功能的程度是优选的。

在燃料电池启动时，为了用通过功率生成反应产生的水分快速使聚合物电解质膜潮湿并将聚合物电解质膜的质子传导性增大到稳定状态，花费时间，并且在电流密度低的情况下无法获得进一步的充分激活。因此，需要以尽可能大的电流密度将电流提供到燃料电池单元中。然而，如果电流的提供在聚合物电解质膜的低水分含量和其高的内部电阻的状态下以过大的电流密度来进行，则质子的提供变得不足并且发生极性反转，这会引起燃料电池单元的毁坏。

因此，在燃料电池启动时，在执行向电子设备的供电之前，在燃料电池的燃料电极和氧化剂电极之间执行电阻器连接。