[发明专利]燃料电池系统和燃料电池的活化方法

说明书

技术领域

本发明涉及包括燃料电池的燃料电池系统，所述燃料电池通过分 别向设置于聚合物电解质膜(polymer electrolyte membrane)的一个 表面的氧电极和向设置于其另一表面的燃料电极供给氧化剂和燃料， 执行发电。

背景技术

聚合物电解质燃料电池(polymer electrolyte fuel cell)主要包括 具有质子传导性的聚合物电解质膜和布置在所述聚合物电解质膜的 两个表面上的一对电极。每个电极包括主要由铂或铂族金属催化剂制 成的催化剂层，和在催化剂层的外表面上形成的、用于供给气体和收 集电流的气体扩散电极。通过结合电极和聚合物电解质膜而形成的主 体被称为膜电极组件(MEA)。燃料(氢)被供给电极之一，氧化剂(氧) 被供给另一个电极，从而执行发电。

在被供给氢作为燃料的燃料电极中，发生由下面的(化学式1) 表示的反应，由氢产生质子和电子。此外，在被供给氧作为氧化剂的 氧化剂电极中，发生由下面的(化学式2)表示的反应，由氧、质子和 电子产生水。这种情况下，质子穿过聚合物电解质膜从燃料电极移动 到氧化剂电极。此外，电子穿过外部负载从燃料电极移动到氧化剂电 极。在该过程中，获得电能。

燃料电极：H₂→2H⁺+2e^-             (化学式1)

氧化剂电极：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O    (化学式2)

燃料电池的理论电压约为1.23伏，不过在通常运转状态下，燃 料电池常在0.7伏电压下使用。与燃料电池中的各种损耗(极化)相关 地产生压降。

对于聚合物电解质膜来说，广泛使用由Nafion(DuPont的商标) 代表的全氟磺酸(perfluorosulfonic acid)聚合物电解质膜。在全氟 磺酸聚合物电解质膜中，为了传导质子，一边流动一边夹带(entrain) 质子的水是必需的。因此，为了获得足够的质子传导性，必须增大聚 合物电解质膜的含水量(moisture content)。在这方面，已知当燃料 电池在含水量低的情况下运转时，燃料电池的电压降低。

此外，已知在燃料电池的氧化剂电极的电位相对于燃料电极的电 位被设为等于或大于0.8伏的高值的情况下，在用于氧化剂电极的铂 催化剂表面上形成氧化层，从而导致催化活性的退化。

为了抑制由上述原因引起的燃料电池的电压减小，并且在开始运 转之后立即使燃料电池的特性保持高而稳定的状态，在常规上提出了 燃料电池的活化方法。

这里，燃料电池的活化指的是增大聚合物电解质膜的含水量、和 通过去除在催化剂表面上形成的氧化层减少损耗(极化)的操作。

日本专利申请公开No.2005-093143公开一种通过使燃料电池的 相对电极短路来活化燃料电池的方法。

使燃料电池的电压保持约为0伏，从而还原和去除在铂催化剂表 面上形成的氧化层。此外，通过允许由燃料电池反应产生的电流的通 过，促进了水的产生，从而使聚合物电解质膜增湿。

在该活化方法中，不可能使等于或大于当稳定运转时流过的最大 电流(下面称为极限(limiting)电流)的电流流过燃料电池。

日本专利申请公开No.2006-040598公开一种方法，其中在把诸 如甲醇之类的有机燃料供给燃料电极的燃料电池中，在惰性气体被供 给氧化剂电极时，燃料电池与外部电源连接，以使燃料电极和氧化剂 电极的电位被反转，从而使聚合物电解质膜增湿。

这种情况下，在氧化剂电极中，借助从燃料电极穿过聚合物电解 质膜的质子和从外部电源供给的电子，发生由化学式3表示的氢生成 反应。

氧化剂电极：2H⁺+2e^-→H₂           (化学式3)

在上面提及的反应的过程中，随同质子的移动一起，水散布在聚 合物电解质膜中，从而执行增湿。此外，由于燃料电极和氧化剂电极 的电位被反转，因此氧化剂电极的电位被保持成低于燃料电极的电 位，从而促进形成于铂催化剂表面上的氧化层的还原和去除。