[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，其用于供应氢和氧以便驱动固体聚合物型燃料电池。

背景技术

近年来，解决能源和环境问题是比较重要的。因此，需要提供一种释放物质比较清洁的高能量密度的电功率源。燃料电池是发电机，其能量密度比传统电池高若干倍。燃料电池的能量效率也比较高。另外，从燃料电池中排出的废气不含氧化氮和氧化硫。或者，从燃料电池中排出的废气几乎不含氧化氮和氧化硫。因此，可以说燃料电池是一种非常有效的装置，它满足了用于下一代电功率源装置的要求。尤其是，固体聚合物型燃料电池具有良好的起动特性，因为它甚至可在不超过100℃的低温下被驱动。因此，已经积极地研制出固体聚合物型燃料电池，使得它可用作静态分散型功率源、汽车功率源以及结合在便携式装置中的功率源。

高分子型燃料电池是一种以下述方式来操作的装置，其中同时以电化学的方式来进行氢在阳极上的氧化以及氧在阴极上的还原，并且可通过电化学反应过程中阳极和阴极之间的电位差所发出的电流来得到电输出。传统的燃料电池包括：用于储存反应剂的燃料储存部分；用于将反应剂转化成燃料气体的反应部分；燃料供应通道；用于通过燃料的电化学反应来产生电力的阳极或阴极；以及用于在阳极和阴极之间传输离子的电解质。

传统上使用的阳极侧燃料的示例是：氢、酒精如甲醇或乙醇；醚；以及化学氢化物如环己醇或硼氢化钠。除了氢之外，所有上述燃料均可以液体的形式来使用，并且可通过转化装置而转化成氢气。就燃料电池而言，研究人员致力于选择可有效地取出氢并且适于运输和储存燃料的化学物质。关注上述燃料的原因是，这类燃料被认为可有效地用于燃料电池。

阴极侧上的反应剂是氧化剂。典型的氧化剂为氧。然而，在一些情况下可使用过氧化物如过氧化氢。

为了通过燃料电池来驱动会消耗电功率的装置如电气设备、便携式装置和汽车，燃料电池必须输出电功率，该电功率的密度对应于该消耗电功率的装置的负载。燃料电池的输出是由待提供给电极的反应气体如氢气或氧气的体积所决定的因子。因此，当在电极周边中存在有很大体积的反应气体时，燃料电池的输出可响应于施加给燃料电池的负载而变化。从此观点来看，当在存在于电极周围的氢和氧耗尽之前将反应气体适当地提供给电极时，燃料电池就可响应于该消耗电功率的装置的负载而操作。

在这种情况下，为了供应所需体积的反应气体，必须从上述燃料和氧化剂中得到所需体积的反应气体。因此，必须将合适体积的燃料从燃料储存部分供应至反应部分。另外，必须将合适体积的氧化剂供应至反应部分。

在供应燃料、氧化剂和反应气体时，传统上采用泵或鼓风机。根据燃料电池的输出和消耗电功率的装置的负载来控制待供应的体积。就此而言，例如可参见非专利文献1。

非专利文献1：Masahiro Ichimura的“便携式燃料电池的技术趋势”，NTT Building Technology Institute 2003中的第2至4页和图3。

然而，在任何阳极和阴极中都很难控制将供应至电极中的燃料和反应气体的体积。为了控制燃料和反应气体的体积，必须将用于控制的能量从外部或燃料电池本身输入到控制系统中。因此，由于消耗了能量以如上所述地进行控制，因此就降低了燃料电池的有效输出。

另外，在其中氢用作阳极侧上的燃料的情况下，当通过转化反应剂而发出氢时，必须根据用于阳极上的氢的体积来控制所产生的氢的体积。为了控制所产生的氢的体积，必须控制反应温度和待供应燃料的体积。因此，必须将温度控制系统如加热器、温度传感器和控制器连接在反应部分和电极上。另外，必须连接有用于控制待供应的燃料体积的阀和控制器。因此，用于控制反应的上述控制机构就进一步消耗了能量。因此就降低了燃料电池的有效输出。

同时，尤其是在燃料电池应用于小型电子装置的情况下，其中将容纳燃料的空间就会被减小了其中设有上述系统的体积。因此，该系统的体积在体积能量密度方面是非常不利的。由于存在该系统的体积，该燃料电池的体积能量密度就比传统电池的体积能量密度更低。

在其中未提供用于控制所产生氢的体积的系统的情况下，燃料电池的内部压力就因所产生的氢超过了对应于待输出电流的氢体积而升高。在这种情况下，所产生的氢穿过固体高分子电解质膜而横向泄漏至阴极侧，并且阴极的输出减少。

当氢如上所述地泄漏时，就不能有效地利用氢。因此，能量密度下降。