[发明专利]燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及具备固态高分子电解质型燃料电池的燃料电池系统，尤其涉及使燃料电池在无加湿条件下运行的燃料电池系统，该燃料电池系统在高温运行时也可避免燃料电池内部的干燥状态来可稳定地进行发电。

背景技术

燃料电池通过向电连接的两个电极供应燃料和氧化剂以引起燃料的电化学氧化来将化学能直接转换成电能。不同于火力发电，燃料电池不受卡诺循环的限制，因此显示出高的能量转换效率。燃料电池通常通过堆叠多个单电池(cell)来构成，单电池以使用一对电极夹持电解质膜而成的膜-电极接合体作为基本构造。其中，将固态高分子电解质膜用作电解质膜的固态高分子电解质型燃料电池具有容易小型化、在低温度下工作等优点，因此尤其作为便携用、移动体用电源而备受关注。

固态高分子电解质型燃料电池中，当将氢座燃料时，在阳极电极(燃料极)进行式(A)的反应。

H₂→2H⁺+2e^-  …    (A)

在所述式(A)中产生的电子经由外部电路在外部负荷中做功之后，到达阴极电极(氧化剂极)。并且，在所述式(A)中产生的质子以水合的状态在固态高分子电解质内通过电渗透从阳极电极侧向阴极电极侧移动。

此外，当将氧作为氧化剂时，在阴极电极中进行式(B)的反应。

2H⁺+(1/2)O₂+2e^-→H₂O  …    (B)

在阴极电极中产生的水经由气体流路等向外部排出。如此，燃料电池没有水以外的排出物，是清洁的发电装置。

在固态高分子电解质型燃料电池中，根据电解质膜和电极内的水分量，其发电性能受很大影响。即，如果作为排出物的水分过剩，则在燃料电池内部中冷凝的水堵塞电极内的空隙甚至气体流路，从而阻碍反应气体(燃料气体和氧化剂气体)的供应，用于发电的反应气体无法充分遍及整个电极，因此存在浓度过电压增大、燃料电池的输出和发电效率下降的问题。另一方面，如果燃料电池内的水分不足，电解质膜和电极干燥，电解质膜和电极内的质子(H⁺)的传导性就会下降，其结果产生电阻过电压增大、燃料电池的输出以及发电效率下降的问题。

此外，在固态高分子电解质型燃料电池中，在电解质膜的平面方向(即，电极的平面方向)上会产生水的不均匀分布，即水在电解质膜的平面方向上不均匀地分布。其结果是，在电解质膜的平面方向上产生发电量的不均匀分布，进一步导致水的不均匀、进而导致燃料电池的输出以及发电效率下降。

如上所述，在固态高分子电解质型燃料电池中，为了实现高输出以及高发电效率，合适的水分管理是非常重要的。为了避免水分不足、特别是为了避免所谓的枯竭，还提出了供应经加湿的反应气体的方案，但在此情况下，更容易产生由水分过剩引起的如上所述的问题。并且，搭载加湿器，会导致燃料电池的规模变大，系统变得复杂等。

因此，进行了在不对反应气体进行加湿的无加湿条件下恰当的管理燃料电池的含水状态并获得稳定的发电性能的尝试。

例如，专利文献1公开了一种在无加湿条件和/或高温条件下运行的燃料电池系统，该系统基于燃料电池的电阻值、电压、或氧化剂气体的压力损失来判定氧化剂气体流路入口附近的干燥状态，并基于该判定来控制燃料气体的流量或燃料气体的压力，由此防止产生燃料电池的面内水分量分布。

此外，作为对燃料电池内的含水状态进行管理的技术，例如在专利文献2中公开了一种燃料电池系统，包括：电流传感器，该电流传感器测定燃料电池的输出电流值；电压传感器，该电压传感器测定燃料电池的输出电压值；以及存储部，该存储部存储作为燃料电池的运行状态为最佳运行状态时的基准的所述输出电压值与所述输出电流值的关系，其中，从所述存储部中读出与所述电流传感器所测定的测定电流值对应的最佳电压值，并在读出的所述最佳电压值与所述电压传感器所测定的测定电压值之差大于预先确定的阈值时，判定为燃料电池的水分状态为干燥状态。

此外，专利文献3公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括在燃料电池的多个测量位置进行电压测量的测量单元，并且基于所述多个测量位置间的含水量之差来估计燃料电池的水分的不均匀状况，所述多个测量位置间的含水量之差是基于所测电压中的在不同的测量位置测得的电压之差估计的。