燃料电池系统技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池系统
本专利技术涉及用于减轻阴极中的水过多状态的燃料电池系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。根据本专利技术的主要方面，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是示出根据本专利技术第一实施例的燃料电池系统的结构的框图；-->图2是示出根据本专利技术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是示出当对根据本专利技术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是示出根据本专利技术第一实施例的燃料电池的控制程序的流程图；图5A和5B是示出当对根据本专利技术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是示出根据本专利技术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是示出向根据本专利技术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是示出根据本专利技术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专利技术的最佳方式进行详细说明。第一实施例图1是示出根据本专利技术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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2003-12-3 404365/20031.一种燃料电池系统，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：各务文雄，
申请(专利权)人：日产自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]