在高功率运行燃料电池的方法和高功率燃料电池体系技术

在高功率运行燃料电池，向燃料电池的阴极选择性地提供作为氧化剂的湿润气体和干燥气体。该方法包括（Ｓ１）：在功率保持恒定或直到功率开始下降期间，提供湿润气体；（Ｓ２）：在提供湿润气体以后，提供干燥气体以获得比步骤（Ｓ１）中的平均功率更高的功率；和（Ｓ３）：在步骤（Ｓ２）中获得预定的功率以后，当功率下降时重复提供湿润气体和此后当功率再次下降时提供干燥气体，由此来增加功率以使保持预定的功率。该方法提供一种对燃料电池的最佳运行条件，由此保证高功率。

【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在高功率运行燃料电池的方法和高功率燃料电池体系。更具体地 讲，本专利技术涉及一种在高功率运行燃料电池的方法和高功率燃料电池体系，其能防止溢流 并且在电极中保持适量的水分至最佳状态。
技术介绍
近来，由于可以预见的如石油和煤的常规能源的枯竭，对替代能源的兴趣与日俱 增。燃料电池作为替代能源之一，其优点是具有高效率，不释放如NOx和SOx的污染物并且 使用的燃料数量丰富，因此燃料电池吸引了公众的注意力。燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学反应能转化为电能的发电体系，一般使用 氢和烃(如甲醇或丁烷)作为燃料，并且典型地以氧气用作氧化剂。在燃料电池中，膜电极组件(MEA)是用于发电的基本单元，其包括电解质膜和形 成在电解质膜的相对的两侧的阳极和阴极。图1图示了燃料电池发电的原理，和化学反应 式1表示使用氢作为燃料时燃料电池的反应式。参考图1和化学反应式1，燃料的氧化反应 发生在阳极以产生氢离子和电子，并且氢离子通过电解质膜移动到阴极。氢离子穿过电解 质膜和电子在阴极与氧气(氧化剂)反应生成水，该反应使电子移动到外部电路。化学反应式1阳极H2 — 2H++2e"阴极l/202+2H++2f — H2O反应式H2+l/202— H2O图2图示了用于燃料电池的膜电极组件的总的构造。参考图2，用于燃料电池的膜 电极组件包括电解质膜201和位于电解质膜201相对的两侧的阳极电极和阴极电极。阳极 电极和阴极电极分别包括催化剂层203、205和气体扩散层208。气体扩散层包括电极基板 209a、209b和形成在电极基板上的微孔层207a、207b。对于显示高功率的燃料电池的研究变得更加活跃，这种高功率为提高具有上述多 种优点的燃料电池的相容性所必须，尤其是对能连续提供高功率的燃料电池的需求也日益 增加。 如上所述，燃料电池通过移动氢离子来发电。其中，对移动所述氢离子有帮助的是 水分，而水分也是在电极中的反应产物。然而，作为反应结果所产生的水分的量还不足以完 全保证燃料电池的离子导电性，因此通常在湿润条件下运行燃料电池。然而，如果存在过量的水分，则会发生溢流，这会阻挡催化剂层或气体扩散层上的 细孔，减少三相反应点，结果降低了燃料电池的效率。如上所述，燃料电池的电极里的水分的量是决定电极性能的因素。因此，为了从燃 料电池获得高功率，应该适当地控制引入到电极的水分或从电极产生的水分。然而，这种控制非常麻烦，迄今为止还没有提出有效的方案。因此，急需开发出能 在燃料电池的电极里保持适量的水分的技术来获得高功率。
技术实现思路
技术问题因此，本专利技术的目的是提供一种运行燃料电池的方法和一种燃料电池体系，其通 过控制溢流现象而无需提供额外的燃料和氧化剂就能提高燃料电池的功率。技术方案为了实现上述目的，本专利技术提供一种在高功率运行燃料电池的方法，其中向所述 燃料电池的阴极选择性地提供作为氧化剂的湿润气体和干燥气体，该方法包括(Si)在 功率保持恒定或直到功率开始下降期间，提供湿润气体；(S2)在提供湿润气体以后，提供 干燥气体以获得比步骤(Si)的平均功率更高的功率；和(S3)在步骤(S2)中获得预定的 功率以后，重复当功率下降时提供湿润气体和此后当功率再次下降时提供干燥气体，由此 来增加功率以使保持预定的功率。专利技术者发现在提供一定时间的湿润气体后再提供干燥气体时能极大地提高燃料 电池的功率。专利技术者还发现当此后交替地提供湿润气体和干燥气体时能保持提高的功率。 因此，根据本专利技术运行燃料电池的方法能使燃料电池产生较高的功率。在上述方法中，优选以500mA/cm2以上的电流密度运行燃料电池。并且，在步骤 (Si)和(S3)中，优选提供湿润气体20秒以下，以及，在步骤(S2)和(S3)中，优选提供干燥 气体250秒以下。然而，本专利技术并不限于此。在本专利技术的另一个实施方式中，还提供一种高功率燃料电池体系，其中向燃料电 池的阴极选择性地提供作为氧化剂的湿润气体和干燥气体，该体系包括电堆，其包括单个 的膜电极组件或包括至少两个膜电极组件和设置在该膜电极组件之间的隔板；检测器，其 连接到电堆的两端以测定电堆两端的电流或电压；控制器，其连接到检测器上，当燃料电池 开始运行时，该控制器产生湿润气体供应信号，然后在最初提供湿润气体以后，当功率保持 恒定或下降时，该控制器从检测器接受测量的电流或电压值以产生干燥气体供应信号以提 高功率，然后交替地产生湿润气体供应信号和干燥气体供应信号以保持提高的或预定的功 率；以及氧化剂供应器，其用于接受控制器的信号并根据信号选择性地提供干燥气体或湿 润气体。附图说明图1为说明燃料电池发电原理的示意图；图2为说明燃料电池膜电极组件的总的构造的示意图；图3为说明当燃料电池在运行时，在依次向阴极提供湿润气体、干燥气体和湿润 气体后,在一定的电流密度(a :300mA/cm2, b :500mA/cm2，c :700mA/cm2，d :900mA/cm2)下测 定的输出电压图；图4为说明根据本专利技术实施例1的输出电压的测量结果图；图5为说明根据本专利技术的高功率燃料电池体系的一个实施例的示意图；图6为说明根据本专利技术实施例1的输出电压的测量结果和输出电压的提高的图； 以及图7为说明根据本专利技术实施例2的输出电压的测量结果和输出电压的提高的图。具体实施例方式下文将根据其制备方法详细描述本专利技术的用于燃料电池的电极。在开始描述之 前，应该明白，说明书和所附权利要求书中使用的术语不应解释为仅限于一般的和字面的 意义，而是基于这样的原则解释基于本专利技术的技术方案所对应的意义和概念，允许专利技术人 对术语作合适的定义以最好的解释。如上所述，专利技术者发现在预定时间内向阴极提供作为氧化剂的湿润气体，当再向 燃料电池的阴极提供干燥气体时能极大地提高燃料电池的功率。在这方面，图3所示的图 显示了在下述情况下测量的电压向燃料电池的阴极提供相对湿度大约为100%的湿润气 体一定时间，然后提供相对湿度大约为0%的干燥气体，然后再提供湿润气体(a :300mA/ cm2, b :500mA/cm2, c :700mA/cm2, d :900mA/cm2)。其中，可以看出在最初提供湿润气体后再 提供干燥气体时燃料电池的功率提高了。本专利技术公开了一种高功率燃料电池体系和它的运 行方法，基于上面的观念其能保持燃料电池的高功率。下文将详细说明根据本专利技术运行燃料电池的方法。根据本专利技术运行燃料电池的方法用于运行高功率燃料电池，其中向燃料电池的阴 极选择性地提供作为氧化剂的湿润气体和干燥气体。其中，在功率保持或直到功率开始下 降期间首先向阴极提供湿润气体(Si)。如图3所示，在最初提供湿润气体的时候，燃料电池的功率没有大的变化。然而， 随着时间推移，功率保持在一定的水平或略有下降。湿润气体和干燥气体可以采用现有技术中使用的任何氧化剂。例如，湿润气体和 干燥气体可以为空气或氧气，但并不限于此。如果可提供的水分超过最低水平，湿润气体的湿度可以没有任何限制地选择。例 如，湿润气体可具有70%以上的相对湿度，但不限于此。当湿润气体的相对湿度更大时，本 专利技术所关注的湿润效果会更加优异。例如，湿润气体的相对湿度可为99. 9999%，但并不限 于此。然后，在提供湿润气体以后，向阴极提供干燥气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在高功率运行燃料电池的方法，其中向所述燃料电池的阴极选择性地提供作为氧化剂的湿润气体和干燥气体，该方法包括：（Ｓ１）：在功率保持恒定或直到功率开始下降期间，提供湿润气体；（Ｓ２）：在提供湿润气体以后，提供干燥气体以获得比步骤（Ｓ１）中的平均功率更高的功率；和（Ｓ３）：在步骤（Ｓ２）中获得预定的功率以后，当功率下降时重复提供湿润气体和此后当功率再次下降时提供干燥气体，由此来增加功率以保持预定的功率。

【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：鲁台根，李源镐，
申请(专利权)人：LG化学株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]