[发明专利]燃料电池系统及其驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统及其驱动方法。更具体地说，本发明涉及一种 用于使阴极催化剂还原并容易去除燃料电池内部产生的反应物和未反应物的 燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是利用燃料(例如氢或重整气)和氧化剂(例如氧或空气)以电化 学方式产生电功率的装置。即，燃料电池从外部装置连续地接收燃料(例如氢 或重整气)和氧化剂(例如氧或空气)，并将燃料和氧化剂通过电化学反应直接 转换为电能。

纯氧或富氧空气(即，含大量氧的空气)被用作燃料电池的氧化剂，纯氢 或富氢燃料(即，含大量氢的燃料)被用作燃料。富氢燃料可以是通过重整碳化 氢燃料(例如液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)和CH₃OH)来生产的燃料。

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池系统的一个示例。PEMFC 具有高输出强度和高能量转换效率，并且在低温(例如80℃以下)下可操作。 另外，PEMFC能够缩小尺寸、能够关闭并且能够密封。因此，PEMFC通常 可以在许多领域(例如，电动车、家用功率发生器、移动通信设备、军事设备 和医用设备)中用作电源。

PEMFC包括用于从燃料产生包含大量氢的重整气的重整器，以及用于从 重整气产生电功率的燃料电池堆(fuel cell stack)。燃料电池堆接收氧和重整 气，并通过氧和氢的反应来产生电功率。

以高驱动电压驱动PEMFC，能够减少燃料的使用，使得驱动效率高。然 而，PEMFC的高电压驱动导致燃料电池堆中的阴极被氧化，从而使阴极催化 剂活性劣化。在燃料电池堆的阴极中通常使用碳负载铂催化剂(即，碳颗粒中 负载有铂颗粒)作为阴极催化剂。当氧化剂被供应给燃料电池堆时，在阴极催 化剂上形成氧化膜。该氧化膜使催化剂活性劣化，并且氧化剂使碳粒子在驱 动时氧化。

另外，在反应过程中产生未反应物。如果不去除未反应物，则未反应物 堵塞堆的通道。结果，会产生淹没问题(flooding problem)。淹没问题是燃料电 池堆的寿命缩短的主要原因。

提出该背景技术部分中公开的上述信息仅仅是为了增加对本发明的理 解，因此，它可包括未形成为本领域普通技术人员已知的现有技术的部分的 信息。

发明内容

根据本发明的实施例，燃料电池系统及其驱动方法通过同时抑制燃料电 池堆的劣化并容易地去除未反应物实现了改善了的寿命。

在本发明的一个示例性实施例中，一种驱动燃料电池系统的方法包括以 下步骤：在持续地将燃料供应到燃料电池堆的同时，将第一量的氧化剂(比正 常量的氧化剂少)供应到燃料电池堆；将第二量的氧化剂(比正常量的氧化剂多) 供应到燃料电池堆；将第三量的氧化剂(正常量)供应到燃料电池堆。如在此使 用的，氧化剂的“正常量”指的是在正常驱动状态下供应的氧化剂的量，该正 常量可根据采用的燃料电池的类型及其容量而改变(这是本领域所公知的)。

在供应第一量的氧化剂的同时，燃料电池堆的电压可降低至在阴极内部 形成还原气氛的还原电压。还原电压可以从大约0.5V至0.0V。

供应到燃料电池堆的第一量的氧化剂可以是第三量(即，正常量)的大约 75％至大约85％。第一量的氧化剂可被供应大约2秒至大约5秒的时间段。 第二量的氧化剂可以是第三量的大约120％至大约150％。第二量的氧化剂可 被供应大约2秒至大约5秒的时间段。在供应第二量的氧化剂过程中，可去 除残留在燃料电池堆中的未反应物和反应物。

燃料电池系统还可包括用来控制氧化剂的供应的氧化剂泵或氧化剂控制 阀。

根据本发明的另一示例性实施例，一种燃料电池系统包括膜电极组件、 燃料电池堆、燃料供应单元、氧化剂供应单元和控制器。膜电极组件包括电 解质膜、在电解质膜一侧的阴极和在电解质膜另一侧的阳极。燃料电池堆包 括多个功率发生器，功率发生器具有在膜电极组件的两侧的分隔件。燃料供 应单元将燃料供应到燃料电池堆，氧化剂供应单元将氧化剂供应到燃料电池 堆。控制器控制燃料电池系统的组成元件，以顺序地将第一量的氧化剂供应 到燃料电池堆、将第二量的氧化剂供应到燃料电池堆、将第三量的氧化剂供 应到燃料电池堆。第一量的氧化剂是量比正常量的氧化剂少的氧化剂，第二 量的氧化剂是量比正常量的氧化剂多的氧化剂，第三量的氧化剂是正常量的 氧化剂。如上所述，氧化剂的“正常量”指的是在正常驱动状态下供应的氧化 剂的量。