燃料电池系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有改进的耐久性的包括高分子燃料电池的燃料电池系统，其中，高分子电解质膜的分解和降解被抑制。具体公开了一种包括高分子燃料电池的燃料电池系统，该燃料电池系统包括包含具有氢离子传导性的高分子电解质膜和配置在该高分子电解质膜两侧上的燃料电极和氧化剂电极的膜电极接合体、向燃料电极供给燃料气体并将其从中排放的第一隔板、以及向氧化剂电极供给氧化剂气体并将其从中排放的第二隔板。在该燃料电池系统中，在膜电极接合体中配置有金属离子供给装置，金属离子供给装置供给相当于高分子电解质膜的离子交换容量的１．０－４０．０％的金属离子，该金属离子在水溶液中稳定。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种包括高分子电解质燃料电池的燃料电池系统。
技术介绍
使用具有阳离子(氢离子)导电性的高分子电解质的传统高分子电解质燃料电池，通过在含有氢的燃料气体和含有氧的氧化剂气体(例如空气)之间引发电化学反应，同时产生电力和热。图7图示了传统高分子燃料电池所包括的单电池100的基本构成的例子的截面示意图。图8图示了图7所述的单电池100所包括的膜电极接合体件的基本构成的例子的截面示意图。如图8所示，在膜电极接合体101中，在选择性地传导氢离子的高分子电解质膜111的两个面上形成催化剂层112，该催化剂层112包括通过使碳粉携带电极催化剂(例如，铂类金属催化剂)而获得的催化剂主体(catalyst body)和具有氢离子传导性的高分子电解质。现在，作为高分子电解质膜111，通常使用包括全氟碳磺酸(例如，购买自E.I.du Pont de Nemours and Company的Nafion(商品名))。在催化剂层112的外表面上，使用例如其上施加了疏水处理的碳纸(carbon paper)，形成具有气体透过性和电子传导性的气体扩散层113。电极(燃料电极或氧化剂电极)114由催化剂层112和气体扩散层113组合形成。传统的单电池100包括膜电极接合体101、衬垫115和一对隔板116。为防止燃料气体和氧化剂气体泄漏到外界或混合在一起，在中间夹有高分子电解质膜的电极周围设置衬垫115。衬垫预先与电极和高分子电解质膜结合为一体。这些元件的接合体有时被称作膜电极接合体。在膜电极接合体101的外表面上，设置了一对隔板116，其用于机械地固定膜电极接合体101。在隔板116与膜电极接合体101相接触的面上，设置有气体流路117，其用于向电极供给反应气体(燃料气体或氧化剂气体)和运走含有电极反应产物或未反应的反应气体的气体。尽管气体流路117的设置可以与隔板116无关，但典型的方法是在隔板表面形成沟槽(groove)，这样，沟槽构成了图7所示的气体流路。如上所述，通过用一对隔板116来固定膜电极接合体101、将燃料气体供给到一个隔板的气体流路、并且将氧化剂气体供给到另一个隔板的气体流路，每个单电池在数十至数百mA/cm2的实际电流密度下产生大约0.7V至0.8V的电动势。但是，当使用高分子电解质燃料电池作为电源时，通常需要数伏特至数百伏特的电压。因此，在实际使用中，将必要数量的单电池串联用作电池堆。为将反应气体供给到气体流路117，必须使用歧管，歧管是一种将反应气体供给管分为对应于所使用的隔板数量的分支(branch)并将分支的一端与隔板上的气体流路直接连接的元件。将供给反应气体的外部管道与隔板直接连接的歧管类型被特别称作外部歧管。还存在另一种具有简化结构的歧管，其被称作内部歧管。内部歧管由设置在其上形成有气体流路的隔板上的通孔形成。气体流路的入口/出口与通孔相连，从而使得反应气体能够从通孔供给到气体流路。气体扩散层113具有以下三种主要功能第一，使反应气体扩散、以便将反应气体从形成于设置在气体扩散层113外部的隔板116上的气体流路均匀地供给到催化剂层112的电极催化剂的功能；第二，将通过催化剂层112中的反应而产生的水迅速地排放至气体流路的功能；以及第三，传导反应中需要的或者产生的电子的功能。因此，气体扩散层113需要具有优异的反应气体透过性、排水性和电子传导性。通常，为提供气体透过性，使用具有多孔结构的导电性基材形成气体扩散层113，该基材由具有改进结构的材料例如细碳粉、成孔剂、碳纸或碳布形成。而且，为提供排水性，将疏水聚合物(典型的例子是碳氟树脂及类似物)分散在气体扩散层113中。此外，为提供电子传导性，使用电子传导性材料例如碳纤维、金属纤维或细碳粉(carbonfine power)构成气体扩散层113。接下来，催化剂层112具有以下四种主要功能第一，将气体扩散层113供给的反应气体供给到催化剂层112的反应位点的功能；第二，传导在电极催化剂的反应中需要的或产生的氢离子的功能；第三，传导在反应中需要的或产生的电子的功能；以及第四，由于优异的催化性能及其大反应面积而促进电极反应的功能。因此，催化剂层112需要具有优异的气体透过性、氢离子传导性、电子传导性和催化性能。通常，作为催化剂层112，为提供气体透过性，使用具有改进结构的细碳粉或成孔剂来形成具有多孔结构和气体流路的催化剂层。而且，为提供氢离子渗透性，高分子电解质分散在催化剂层112的电极催化剂附近以形成氢离子网。此外，为提供电子传导性，电子传导性材料例如细碳粉或碳纤维被用作电极催化剂的载体以形成电子通道。而且，为提高催化性能，其上载有细碳粉和数纳米尺寸的微粒形式的电极催化剂的催化剂主体被高度分散在催化剂层112中。对于如上构造的高分子电解质燃料电池耐久性的下降，还涉及高分子电解质膜的分解。推测高分子电解质膜的分解是以下结果所导致的通过氧还原反应的副反应所产生的过氧化氢通过下式(1)所表示的反应而变成自由基(例如，非专利文献1)。H2O2+Fe2++H+→·OH+H2O+Fe3+…(1)而且，非专利文献1报道了金属离子例如铁离子在自由基产生中发挥催化剂的作用。非专利文献1还报道了金属离子与高分子电解质膜中的离子交换基团强烈地结合，使得氢离子从高分子电解质膜排放出来，最终导致高分子电解质膜的氢离子传导性下降以及电池电压下降。作为对策，专利文献1提出例如下述技术其中，在高分子电解质膜中配置催化剂层以减少过氧化氢和攻击高分子电解质膜的自由基的产生、以及防止气体交叉泄露。通常，由于在上述金属离子中，一些是最初作为杂质被包含在高分子电解质膜中，并且一些是在运行过程中由外部引入，因此优选减少燃料电池中含有的金属离子量以抑制上述高分子电解质膜的氢离子传导性降低和电池电压下降。考虑到上述内容，例如，专利文献2提出了下述技术使用由特别具有高耐蚀性的金属制成的隔板，因为金属离子从由金属制成的普通隔板中溶出，因此造成对膜电极接合体的伤害。非专利文献1Preliminary Report of 10thFuel Cell SymposiumLecture(第10次燃料电池讨论会演讲预稿集)，P.261专利文献1特开平6-103992号公报专利文献2特开2000-243408号公报
技术实现思路
但是，在专利文献1所公开的前述技术中，为充分防止阴极邻近的高分子电解质膜的分解，存在如下改进的空间由于该技术采用了在高分子电解质膜中配置催化剂层的构造，不能充分抑制阴极中例如过氧化氢这样的过氧化物和自由基的生成。而且，在该技术中，尤其在长时间使用的情况下，存在进一步改进的空间由于非常难以完全防止金属离子进入膜电极接合体，因此有可能在不同于阴极附近的部分(例如，在高分子电解质膜的阳极附近)，逐渐将分解反应提前。而且，在专利文献2所公开的前述技术中，尤其在长时间使用的情况下，还存在改进的空间，因为不可能完全防止金属离子进入膜电极接合体，从而导致了即使少量金属离子的进入也可能导致过氧化物和自由基的生成，因此将高分子电解质膜的分解反应提前。换句话说，即使使用专利文献1和专利文献2所公开的前述技术，也不可能充分抑制使用金属离子作为催化剂的自由基的生成、以及由所生成的自由基造成的高分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括高分子电解质燃料电池的燃料电池系统，所述的高分子电解质燃料电池包括：包括具有氢离子传导性的高分子电解质膜的膜电极接合体、以及将所述的高分子电解质膜夹在中间的燃料电极和氧化剂电极；第一隔板，其用于将燃料气体供给至所述的燃料电极并将燃料气体从所述的燃料电池中排出；以及第二隔板，其用于将氧化剂气体供给至所述的氧化剂电极并将氧化剂气体从所述的氧化剂电极中排出，该燃料电池系统的特征在于：所述的系统包括金属离子供给装置，该装置用于将在水溶液中稳定的金属离子供给到所述的膜电 解质接合体，这样使得所述的膜电极接合体中含有的所述金属离子的量相当于所述的高分子电解质膜的离子交换基团容量的１．０至４０．０％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：辻庸一郎，上山康博，尾崎祐介，古佐小慎也，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]