燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及改善发电期间产生的反应水 的排水，并且保持和稳定燃料电池发电效率的燃料电池系统。
背景技术：
如图14中所示，在固态聚合物燃料电池中，包括电解质膜52的 组件(MEA:薄膜电极组件)自身夹在两个分离器30之间以产生作为 最小单元的电池，然后通常多个这种电池堆叠在一起形成燃料电池堆 (FC堆)，从而能够获得高电压，其中电解质膜52由夹在两个电极， 即燃料电极50和空气电极54，之间的固态聚合物膜形成。固态聚合物燃料电池的发电机构包括例如含氢气体的燃料气体至 燃料电极(阳极侧电极)50的供给和例如主要包括氧气(02)的氧化 气体或空气至空气电极(阴极侧电极)52的供给。含氢气体通过形成 在分离器30表面内的微细管道供给至燃料电极50，电极催化剂的作用 使得氢气分离成电子和氢离子(H+)。电子通过外电路从燃料电极50 流到空气电极50，从而产生电流。其间，氢离子(H+)通过电解质膜 52至空气电极54，并且与氧气和通过外电路的电子结合，从而产生反 应水(H20)。使用冷却水回收氢气(H2)、氧气(02)和电子之间发 生结合反应时产生的热量。另外，在组件阴极侧上空气电极54产生的 水(在下文中称为"反应水")从阴极侧排出。如图14中所示，在燃料电池运行期间(在发电期间)，在空气电 极54的表面上与电解质膜52相接触的那些部分产生反应水。当燃料 电池运行时，如果该反应水无法有效地从燃料电池系统排出，那么反 应水会在空气电极54的扩散层与分离器30之间的空间内聚积，结果，
阻止了反应气体，尤其是氧化气体的扩散，引起所谓的消光现象(flatting phenomenon)。在这种情形下，倾向于观察到燃料电池发电效率的降 低。
因此，为了将反应水从燃料电池有效地排出，提出了多种装置。 例如，日本专利公开No. 2000-251903提出在燃料电池分离器模制的表 面上提供一种涂层，尤其是亲水聚合物层，其与水的接触角不超过40 度；日本专利公开No. 2003-142116提出在主要由碳构成的燃料电池分 离器的表面上照射真空紫外线，从而提高分离器表面的润湿性；日本 专利公开No. 2003-213563提出了一种燃料电池，该燃料电池使用碳纤 维电极材料作为电极，该碳纤维电极材料在材料的一个表面上具有由 斥水树脂和导电小颗粒组成的层，其中在该表面与水的接触角至少为 108度。
但是，在日本专利公开No. 2000-251903和日本专利公开No. 2003-142116中提出的分离器中，当燃料电池的运行时间增加时，由于 反应水的作用逐渐去除亲水表面，结果表面的亲水作用逐渐退化，从 而意味着难以长吋间保持燃料电池的排水性。另外，日本专利公开No. 2003-213563中提出的碳纤维电极材料在燃料电池运行时，电极表面上 的斥水树脂也逐渐退化，从而意味着以与上面相类似的方式，难以长 时间保持燃料电池的排水性。
另一方面，日本专利公开No. Hei 07-307161提出了一种燃料电池 操作方法，其中在磷酸燃料电池运行期间，如果由于阴极侧电极的催 化剂层的过度湿润而引起电池输出特性退化，那么如图15中所示，在 单元电池电压与预设限值之间进行比较(S200)，当单元电池的操作 电压降低至低于该预设限值时，认为由于阴极侧电极的催化剂层过度 湿润而引起电池输出特性降低，并且由于燃料电池仍处于升温状态而 临时停止燃料电池的运行(S202)，停止将氧化气体供给至阴极侧电 极，然后开始将氮气供给至阴极侧电极，从而从阴极侧电极清除氧化
气体的残留氧化成分(S204)，随后使用氮气适当地清除阴极侧电极， 开始供给用作亲水官能团去除气体的氢气，从而实施阴极侧电极的氢
气还原处理(S206)，还原和去除了阴极侧电极催化剂层中碳载体表 面产生的亲水官能团，然后重新开始将氮气供给至阴极侧电极，从而 从阴极侧电极清除任何去除残留亲水官能团的氢气(S208)，然后重 新开始燃料电池的运行(S210)。
但是，在上面日本专利公开No. Hei 07-307161中提出的燃料电池 操作方法中，当需要时必须停止燃料电池的运行，以提高阴极侧电极 的催化剂层的润湿性，从而意味着可能显著地损失燃料电池的运行效 率。此外，在将氢气用作亲水官能团去除气体的情形中，必须使用氮 气进行清除而将该氢气彻底地从氧化气体管道去除，以避免氢气与运 行重新开始时供给的氧化气体相遭遇，但是该工艺进一步延长了运行 停止的时间，从而意味着可能更加恶化了燃料电池的运行效率。

发明内容
考虑到上述问题，本发明的优点是提供一种能够利于反应水从燃 料电极排出、并且保持和稳定燃料电池运行效率的燃料电池系统。
本发明的燃料电池系统具有下述特征。
(1) 一种具有通过堆叠电池形成的燃料电池的燃料电池系统，各 所述电池由在电解质膜上具有燃料电极和空气电极的组件和夹着所述 组件的一对分离器构成，其中所述燃料电池具有排水添加剂供给单元， 该排水添加剂供给单元供给用于提高电池内的排水性的排水添加剂。
(2) —种燃料电池系统，包括通过堆叠电池形成的燃料电池以及 反应气体供给单元，各所述电池由在电解质膜上具有燃料电极和空气 电极的组件和夹着所述组件的一对分离器构成，所述反应气体供给单 元向所述燃料电池供给反应气体，其中所述燃料电池系统还包括排水
添加剂供给单元，该排水添加剂供给单元向由所述反应气体供给单元 供给的所述反应气体供给用于提高电池内的排水性的排水添加剂。
通过使用上述排水添加剂，无需停止所述燃料电池的运行就可将 所述电池内的反应水从所述燃料电池有效地排出，因此不会出现消光 现象，并且可保持和稳定所述燃料电池的输出特性。
(3) 上面(1)或(2)中所述的燃料电池系统，还包括监测器， 该监测器监测所述燃料电池的使用状态，其中所述排水添加剂供给单 元根据所述监测器监测的所述燃料电池的使用状态向所述燃料电池供 给所述排水添加剂。
(4) 如上面(1)至(3)中任意一项所述的燃料电池系统，还包
括排气通路，该排气通路输送从所述燃料电池排出的排气；以及回 收单元，该回收单元设在所述排气通路内并回收所述排水添加剂。
(5) 如上面(1)至(4)中任意一项所述的燃料电池系统，其中
所述排水添加剂供给单元向所述空气电极所在的阴极侧供给所述排水
添加剂。
(6) —种燃料电池系统，具有通过堆叠电池形成的燃料电池，各
所述电池由在电解质膜上具有燃料电极和空气电极的组件和夹着所述 组件的一对分离器构成，其中所述燃料电池具有排水维持剂供给单元， 该排水维持剂供给单元供给用于维持所述电池内排水性的排水维持 剂。
在该结构中，通过使用上述排水维持剂，无需停止所述燃料电池 的运行就可将所述电池内的反应水从所述燃料电池有效地排出，因此 不会出现消光现象，并且可保持和稳定所述燃料电池的输出特性。
(7) —种燃料电池系统，包括通过堆叠电池形成的燃料电池以及 反应气体供给单元，各所述电池由在电解质膜上具有燃料电极和空气
电极的组件和夹着所述组件的一对分离器构成，所述反应气体供给单 元向所述燃料电池供给反应气体，其中所述燃料电池系统还包括排水 维持剂供给单元，该排水维持剂供给单元向由所述反应气体供给单元 供给的所述反应气体供给用于维持所述电池内排水性的排水维持剂。
通过向所述反应气体供给所述排水维持剂，从而将所述排水维持 剂与所述反应气体一起供给到所述燃料电池内部，所述反应气体的扩 散使所述排水维持剂也能够均匀地扩散在电极扩散层表面和分离器表 面上。结果，加速了存在于所述电极扩散层表面和所述分离器表面上 的反应水的排出，从而意味着可抑制所述燃料电池输出特性的任何降 低。
(8) 如上面(6)或(7)中所述的燃料电池系统，还包括监测器，
该监测器监测所述燃料电池的使用状态，其中所述排水维持剂供给单 元根据所述监测器监测的所述燃料电池的使用状态向所述燃料电池供 给所述排水维持剂。
通过使用上述监测器监测所述燃料电池的使用状态，可确定所述 燃料电池的所述电池内所述电池扩散层表面与所述分离器表面的润 湿。因此，在过度润湿表示延迟了所述反应水的排出的情形下，可向 所述燃料电池供给适量的所述排水维持剂，这意味着所述润湿性可保 持在满意的水平，从而允许保持和稳定所述燃料电池的输出特性。
(9) 如上面(6)至(8)中任意一项所述的燃料电池系统，还包 括排气通路，该排气通路输送从所述燃料电池排出的排气；以及回 收单元，该回收单元设在所述排气通路内并回收所述排水维持剂。
回收所述排水维持剂使得能够重新使用该排水维持剂，从而意味 着可提供能够更加有效地降低成本的燃料电池系统。
(10) 如上面(6)至(9)中任意一项所述的燃料电池系统，其 中所述排水维持剂为降低所述电池内产生的反应水的表面张力的表面 张力降低剂。
高度的疏水性，从而意味着所述反应 水附着在所述表面上且难以排出。因此，通过向所述燃料电池供给降 低所述反应水的表面张力的表面张力降低剂，减小了所述分离器与聚 积在所述分离器表面上的所述反应水之间的接触角，从而能够更加有 效地排出所述反应水。(11) 如上面(10)中所述的燃料电池系统，其中所述表面张力 降低剂为选自酒精和表面活性剂的至少一种试剂。上述表面张力降低剂易溶于所述反应水，能够有效地减小所述反 应水的表面张力，且比有机溶剂更加环保。(12) 如上面(6)至(11)中所述的燃料电池系统，其中所述排 水维持剂供给单元向所述空气电极所在的阴极侧供给所述排水维持 剂。如上所述，在所述燃料电池的所述电池中，在所述阴极侧产生反 应水。因此，通过向所述阴极侧供给所述排水维持剂，可有效地排出 所述反应水。(13) —种燃料电池系统，包括通过堆叠电池形成的燃料电池，各所述电池由在电解质膜上具有燃料电极和空气电极的组件和夹着所 述组件的一对分离器构成，以及将反应气体供给至所述燃料电池的反 应气体供给通路，其中所述燃料电池系统还包括斥水剂供给单元，该 斥水剂供给单元向所述燃料电池的所述电池内设置的反应气体供给通 路供给斥水剂，以给反应气体供给通路提供斥水性。通过向所述反应气体供给所述斥水剂，从而将所述斥水剂与所述 反应气体一起供应到所述燃料电池的内部，所述反应气体的扩散使所 述斥水剂也能够均匀地扩散在电极扩散层和催化剂层上。结果，无需 停止所述燃料电池的运行就可保持所述电极扩散层和催化剂层的斥水 性，因此不会降低所述反应气体的扩散效率，也不会出现消光现象， 并且能够保持和稳定所述燃料电池的输出特性。 (14) 如上面(13)中所述的燃料电池系统，其中所述斥水剂为 选自饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸、硅树脂粉末、石蜡、蜡、氟树脂粉 末和杂酚油的至少一种材料。上述斥水剂并不与所述反应气体反应，表现了极好的斥水性能， 并且易于吸附在所述燃料电池内的电极上，从而意味着可令人满意地 保持所述电池内所述电极扩散层和催化剂层的斥水性。(15) 如上面(13)或(14)中所述的燃料电池系统，其中所述 斥水剂供给单元向所述空气电极所在的阴极侧供给所述斥水剂。如上所述，在所述燃料电池的所述电池中，在所述阴极侧产生反 应水。因此，通过向所述阴极侧供给所述斥水剂，可有效地排出所述 反应水，并且可防止所述电极扩散层和催化剂层的过度润湿。(16) 如上面(13)至(15)中所述的燃料电池系统，还包括 排气通路，该排气通路输送从所述燃料电池排出的排气；以及捕集单元，该捕集单元设在所述排气通路内并捕集所述斥水剂。捕集和回收所述斥水剂使得能够重新使用该斥水剂，从而意味着 可提供能够更加有效地降低成本的燃料电池系统。(17) 如上面(13)至(15)中所述的燃料电池系统，还包括 排气通路，该排气通路输送从所述燃料电池排出的排气；第一捕集单 元，该第一捕集单元设置在所述排气通路中，并且捕集所述斥水剂； 第二捕集单元，该第二捕集单元设置在所述反应气体供给通路中，并且能够捕集所述斥水剂；以及气体通路转换单元，该气体通路转换单 元基于所述第一捕集单元和所述第二捕集单元的捕集量，将用于所述 反应气体的供给通路选择并转换为所述反应气体供给通路和所述排气 通路中的任意一个。通过利用该结构，由所述第一和第二捕集单元捕集的斥水剂可与所述反应气体一起重新供给到所述燃料电池，从而可将所述斥水剂的 补给抑制至最小，可提供能够更加有效地降低成本的燃料电池系统。


图1为示出根据本发明的燃料电池系统第一实施例的结构的功能框图；图2为示出根据本发明的燃料电池系统第二实施例的结构的功能框图；图3为描述根据本发明的燃料电池系统中排水维持剂的供给操作 的一个实例的流程图；图4为描述从添加排水维持剂之前的状态至添加排水维持剂之后 的状态，相对于分离器和扩散层的水接触角的变化的图表；图5为描述根据本发明燃料电池系统的氧化气体供给单元的一个 实例的结构的图；图6为描述根据本发明燃料电池系统的氧化气体供给单元的另一 个实例的结构的图；图7为描述根据本发明燃料电池系统的氧化气体供给单元的再一 个实例的结构的图；图8为示出根据本发明的燃料电池系统第三实施例的结构的功能框图；图9为描述图8中所示结构的燃料电池系统内的斥水剂供给操作 的一个实例的流程图；图10为示出根据本发明的燃料电池系统第四实施例的结构的功 能框图；图11为描述图10中所示燃料电池系统内的斥水剂供给操作的一 个实例的流程图；图12为描述从添加斥水剂之前的状态至添加斥水剂之后的状态， 相对于气体扩散层的水接触角的变化的图表；图13为描述根据本发明的燃料电池系统的混合供给单元的一个 实例的结构的图14为描述燃料电池内的电池的结构和发电期间的机理的图； 图15为描述燃料电池传统操作方法的一个实例的流程图。
具体实施方式
下面为基于附图的本发明实施例的说明。本发明提供了一种燃料电池系统，包括具有电池的燃料电池，所 述电池由在电解质膜上具有燃料电极和空气电极的组件和层压至所述 组件的分离器构成，其中所述燃料电池具有排水添加剂供给单元，该 排水添加剂供给单元供给用于提高电池内的排水性的排水添加剂。在下述实施例中，采用组件夹在一对分离器之间的电池为实例， 但是本发明不限于该构造，例如，还可包括分离器层压至具有两个电 池的组件的堆叠的燃料电池，其中所述两个电池具有共用的单个分离器。下面参考第一实施例和第二实施例描述了一种燃料电池，该燃料 电池通过使用排水维持剂作为上述排水添加剂来降低电池内产生反应 水的表面张力从而改善排水特性。第一实施例如图1中所示，根据该实施例的燃料电池系统包括燃料电池堆 (下文中称为"FC堆")10，其中包括由夹在两个电极之间即燃料电 极和空气电极之间的固态聚合物膜形成的电解质膜的组件(MEA:薄膜电极组件)自身夹在两个分离器之间，以产生作为最小单元的电池，然后通常将多个这种电池堆叠在一起；排水维持剂贮存容器12，该排 水维持剂贮存容器12贮存排水维持剂；流速控制器14，该流速控制器 14控制从排水维持剂贮存容器12供给的排水维持剂的流速；氧化气体供给单元16，该氧化气体供给单元16将从流速控制器14供给的排水 维持剂与氧化气体混合，然后将产生的混合物供给到FC堆10的氧化
气体供给通路；监测器18，该监测器18监测FC堆10的使用状态； 以及回收单元20，该回收单元20从FC堆10排出的反应水、排水维 持剂和排出氧化气体的混合物回收排水维持剂。下面，参考图1和图3，描述该实施例的燃料电池系统的运行。监测器18监测FC堆10的使用状态(S100)，当判断气体通路 内的反应水的排出延迟，从而引起水聚积而需要添加排水维持剂时 (S102)，监测器18根据排出的反应水的量估计反应水的量，并计算 要添加的排水维持剂的量，然后指示流速控制器14从排水维持剂!C存 容器12供给所需量的排水维持剂(S104)。当从监测器18收到该指 令时，流速控制器14从排水维持剂贮存容器12向氧化气体供给单元 16供给所需量的排水维持剂(S106)。虽然由流速控制器14进行的排 水维持剂的供给可间歇地或连续地进行，但是间歇地进行供给与连续 供给的情形相比，可降低排水维持剂的消耗量。随后，在氧化气体供 给单元16，排水维持剂与氧化气体混合，产生的混合物供给到FC堆 10的氧化气体供给通路。结果，当氧化气体扩散时，排水维持剂立刻 供给到氧化气体排出通路，空气电极(阴极侧)的过多反应水可从燃 料电池系统排出，并可保持和稳定燃料电池的输出特性。此外，从FC 堆IO的氧化气体排出通路排出的反应水、排水维持剂和排出氧化气体 通过设置在氧化气体排出通路内的回收单元20分成排水维持剂和反应 水与排出氧化气体的混合物，然后回收排水维持剂，例如，返回至排 水维持剂贮存容器12。第二实施例除了将从FC堆IO排出的反应水、排水维持剂和排出氧化气体的 一部分或全部返回至氧化气体供给单元16之外，图2中所示第二实施 例的可选燃料电池系统具有与上面图1中所示燃料电池系统相同的结 构。
下面参考图2和图3，描述该实施例的燃料电池系统的运行。监测器18监测FC堆10的使用状态(S100)，特别地，检测从 燃料电池内的电池排出的排气的湿度，当判断气体通路内的反应水的 排出延迟，从而引起水聚积而需要添加排水维持剂时(S102)，监测 器18根据排出的反应水的量估计反应水的量，并计算要添加的排水维 持剂的量，然后指示流速控制器14从排水维持剂贮存容器12供给所 需量的排水维持剂(S104)。当从监测器18收到该指令时，流速控制 器14从排水维持剂贮存容器12向氧化气体供给单元16供给所需量的 排水维持剂(S106)。虽然由流速控制器14迸行的排水维持剂的供给 可间歇地或持续地进行，但是其间歇地进行供给，与持续供给的情形 相比，可降低排水维持剂的消耗量。随后，在氧化气体供给单元16， 排水维持剂与氧化气体混合，产生的混合物供给到FC堆10的氧化气 体供给通路。结果，当氧化气体扩散时，排水维持剂立刻供给到氧化 气体排出通路，空气电极(阴极侧)的过多反应水可从燃料电池系统 排出，并可保持和稳定燃料电池的输出特性。此外，从FC堆10的氧 化气体排出通路排出的反应水、排水维持剂和排出氧化气体的一部分 或者全部返回氧化气体供给单元16，然后重新供给到FC堆10。在另 一方面，当供给到FC堆10的排水维持剂的量过多时，设置在氧化气 体排出通路内的回收单元20进行分成排水维持剂和反应水与排出氧化 气体的混合物的分离操作，然后回收排水维持剂，例如，返回至排水 维持剂贮存容器12。下面，是根据第一实施例和第二实施例的燃料电池的更加详细的 描述。上述排水维持剂(亲水维持剂)提高了电池内气体通路的亲水性， 优选地，维持了形成在分离器30内的气体通路表面的亲水性。此外， 排水维持剂(亲水维持剂)优选为降低电池内产生的反应水的表面张 力的表面张力降低剂，该表面张力降低剂优选为选自酒精和表面活性
剂的至少一种试剂。另外，酒精优选为不超过6个碳原子的酒精，最 好是乙醇。另外，表面活性剂可使用非离子表面活性剂、阴离子表面 活性剂、阳离子表面活性剂或两性表面活性剂中的任意一种，但是优 选为不含有金属离子、氮原子或磷原子的表面活性剂，更优选为非离 子表面活性剂，最好是链长度短的非离子表面活性剂。可使用车辆内 的洗涤液作为排水维持剂。在这种情形下，无需提供单独的排水维持 剂贮存容器12，从而使燃料电池系统能够更加紧凑。如图4中所示，排水维持剂优选为将分离器30的表面处的反应水 的表面张力从6s降至es'的试剂，其中es'的值优选不超过90度，此外，即使反应水在电池内电极的气体扩散层40的表面的表面张力从eGDL降至0 GDL，， 0 GDL，的值仍为至少90度。通过将9 s，和9 001/值保持在上述范围内，吸附在分离器上并抑制气体扩散的反应水可从燃料 电池有效地排出，同时在电极的气体扩散层保持令人满意的斥水性水 平。另外，排水维持剂优选为不会渗入电极扩散层的试剂。另外，监测器18检测燃料电池的使用状态，例如，燃料电池使用的时间长度、燃料电池的发电状态、燃料电池内的电池温度，或判断 燃料电池的发电特性是否表明出现消光现象。在更详细的描述中，在利用"燃料电池使用(运行)的时间长度"的情形中，监测器18包括时钟功能，当达到预先测量的设定为表示燃料电池内的电极扩散层变得过度湿润的"使用(运行)时间极限"时，监测器指示流速控制器14供给足够量的排水维持剂以处理估计出到电极扩散层达到过度湿润状态时已产生的反应水量。另外，在利用"燃料电池的发电状态"的情形中，监测器18包括 测量燃料电池电流输出的电流表功能，因为可基于电流值估计反应水 的量，所以当认为反应水的量达到过度湿润状态时，监测器指示流速 控制器14供给足以处理反应水量的排水维持剂的量。
另外，在利用"燃料电池内的电池温度"的情形中，监测器18包括温度测量功能，当例如8(TC的正常电池运行温度降低到低于例如30 "c的阈值电池温度时，监测器基于电池温度与预先测量的反应水量之 间的相互关系，指示流速控制器14供给足以处理估计出到温度低于阈 值电池温度时已产生的反应水量的排水维持剂的量。另外，在利用"判断燃料电池的发电特性是否表明出现消光现象" 的情形中，监测器18包括电压测量功能，预先进行测量，以确定燃料 电池内出现消光现象的点的电压值，并将该测量的电压值设为阈值电 压，当达到该阈值电压时，监测器指示流速控制器14供给足以处理估 计由消光现象已产生的反应水量的排水维持剂的量。在该实施例中，监测器18优选具有电流测量功能、电池温度测量 功能、以及能够测量供给的反应气体量的功能，通过使用电流值和反 应气体流速，能够更加精确地估计产生的反应水的量，而电池温度可 用来计算电池内聚积的反应水的量。因此，能够供给更加精确符合聚 积的反应水量的排水维持剂的量。监测器18不限于该构造，其它可能构造包括能够基于内部电池 环境，例如，电池温度、外部温度、电池负载、化学计量比及其运行 历史，来估计反应水量的监测器；含有绘制上述内部电池环境的测绘 信息、并能够基于该测绘信息估计反应水量的监测器；以及测量伴随 FC堆内水聚积的压力损失、然后基于该压力损失估计反应水量的监测器。另外，优选排水维持剂的添加量相对于需要排出的反应水量的重 量比在0至15%范围内。通常，如果添加的排水维持剂量相对于需要 排出的反应水量的重量比超过50%，那么虽然改善了分离器的润湿性， 并改善了反应水的排出，但是降低了水相对于电极扩散层的接触角，
由于这会引起扩散层斥水性的恶化、增加燃料电池输出减小的可能性、 以及增加排水维持剂渗入电极扩散层的可能性，所以不是所希望的。下面参考图5至图7，详细描述上述第一和第二实施例的氧化气 体供给单元。图5示出了用作氧化气体供给单元的喷射式氧化气体供给单元 16a的一个实例。如图5中所示，氧化气体供给单元16a设有以细雾的 形式喷射从流速控制器供给的排水维持剂的喷嘴22、沿垂直于排水维 持剂喷射方向的方向将氧化气体送入氧化气体供给单元16a内部的氧 化气体入口24。因此，所需量的排水维持剂从喷嘴22喷射，并以细雾 的形式扩散，由于氧化气体被引入该扩散雾的区域，所以雾状排水维 持剂由氧化气体流携带，并以均匀分散的状态供给到FC堆10。结果， 雾状排水维持剂溶解在反应水中，从而减小了反应水相对于分离器的 接触角，并改善了反应水的排出。图6示出了用作氧化气体供给单元的汽化器式氧化气体供给单元 16b的一个实例。如图6中所示，氧化气体供给单元16b设有将从流速 控制器供给的排水维持剂引入氧化气体供给单元16b内部的排水维持 剂入口 32、和调节氧化气体压力并通过氧化气体入口 24将氧化气体引 入氧化气体供给单元16b内部的压力调节阀28。因此，通过使用压力 调节阀28调节引入氧化气体供给单元16b内部的氧化气体压力，由于 与氧化气体移动速度有关的负压，所以从氧化气体供给单元16b内的 排水维持剂液体表面吸取了所需量的排水维持剂，使得能够将其中均 匀分散有排水维持剂的氧化气体供给到FC堆10。结果，均匀分散在 氧化气体内的排水维持剂溶解在反应水中，从而减小了反应水相对于 分离器的接触角，并因此改善了反应水的排出。图7示出了用作氧化气体供给单元的起泡式氧化气体供给单元 16c的一个实例。如图7中所示，氧化气体供给单元16c设有将从流速
控制器供给的排水维持剂引入氧化气体供给单元16C内部的排水维持剂入口 32、调节氧化气体压力并通过氧化气体入口 24将一部分氧化气 体引入氧化气体供给单元16c内部的压力调节阀28、和调节氧化气体 压力并通过氧化气体入口 34将一部分氧化气体引入氧化气体供给单元 16c内部的压力调节阀38。此外，氧化气体入口 34设在氧化气体供给 单元16c的底面内。因此，经过压力调节阀38的压力调节的氧化气体 通过氧化气体入口 34引入、通过氧化气体入口 34，并被引入包括排水 维持剂的液体中，氧化气体供给单元16c内贮存有一定量的该液体，当 该氧化气体的气泡上升到液体表面并破裂时，产生的雾状排水维持剂 由从压力调节阀28引入氧化气体供给单元16c的氧化气体流携带，并 与氧化气体一起以均匀分散的状态供给到FC堆10。结果，均匀分散 在氧化气体内的排水维持剂溶解在反应水中，从而减小了反应水相对 于分离器的接触角，并因此改善了反应水的排出。下面参考图1，对第一和第二实施例的燃料电池系统内的回收单 元20进行描述。回收单元20包括耐压容器内的加热单元，如果需要，还可包括降 压单元。当从FC堆10向回收单元20引入反应水、排水维持剂和排出 氧化气体的混合物时，该混合物在25t:的温度下贮存预定周期，并分 离成液态和气态，再排出气态中含有的氧化气体。然后，通过加热单 元将回收单元20内剩余的液态加热至排水维持剂汽化的温度，使得， 例如在使用乙醇作为排水维持剂的情形下，在甲醇的情形下温度至少 上升至64'C但不超过IO(TC，或者在乙醇的情形下温度至少上升至78 "C但不超过10(TC，从而蒸馏掉排水维持剂并能够从水分离并回收。如 果使用降压单元，那么可降低加热单元的加热温度。在使用表面活性 剂或洗涤液作为排水维持剂的情形下，将其从水分离比上述乙醇的情 形更加困难，因而如图2中所示的从FC堆IO排出的反应水、排水维 持剂和排出氧化气体的混合物返回至氧化气体供给单元16并循环的方 法更加有效。 另外，因为乙醇和洗涤液具有极低的毒性，所以在使用乙醇或洗 涤液作为排水维持剂的情形中，在某些情况下还可允许将排水维持剂 从燃料电池系统向外排出，而不是通过回收单元20回收。上面的说明主要集中在将排水维持剂引入产生反应水的阴极侧，但是本发明不限于该构造，燃料气体供给单元以与图1和2中所示方式相同的方式将排水维持剂引入到阳极侧的构造也是可能的。下面，使用第三实施例和第四实施例描述使用斥水剂作为上述排 水添加剂，通过给电池内的反应气体供给通路提供斥水剂来改善反应 水从电池内排出的燃料电池系统。第三实施例根据本发明优选实施例的燃料电池系统包括，例如燃料电池堆(下文中称为"FC堆")10，其中包括由夹在两个电极之间即燃料电 极和空气电极之间的固态聚合物膜形成的电解质膜的组件(MEA:薄膜电极组件)自身夹在两个分离器之间，以产生作为最小单元的电池，然后通常将多个这种电池堆叠在一起，如图8中所示；斥水剂^:存容器42，该斥水剂贮存容器42贮存斥水剂；流速控制器44，该流速控 制器44控制从斥水剂贮存容器42供给的斥水持剂的流速；混合供给 单元46，该混合供给单元46将从流速控制器44供给的斥水剂与氧化 气体混合，然后将产生的混合物供给到FC堆10的氧化气体供给通路； 阴极侧泵56，该阴极侧泵56将氧化气体供给至混合供给单元46;监 测器48，该监测器48监测从FC堆10排出的斥水剂的量；以及回收 单元58，该回收单元58用作从自FC堆10排出的反应水、斥水剂和 排出氧化气体的混合物捕集和回收斥水剂的捕集单元。可使用能够检测斥水剂的分析装置作为监测器48，例如气相色谱 装置或液相色谱装置。
下面，参考图8和图9，描述该实施例的燃料电池系统的运行。使用监测器48进行监测(S110)，当监测器48检测到斥水剂正 从FC堆10排出时(S112)，监测器48指示流速控制器44供给所需 量的斥水剂。当从监测器48收到该指令时，流速控制器44从斥水剂 贮存容器42向混合供给单元46供给所需量的斥水剂(S114)。虽然 该斥水剂的供给可由流速控制器44间歇地或连续地进行，但是间歇地 进行供给与持续供给的情形相比，可降低斥水剂的消耗量。随后，氧 化气体从阴极侧泵56供给到混合供给单元46，斥水剂与氧化气体在混 合供给单元46内混合在一起，并供给到FC堆10内的氧化气体供给通 路。结果，当氧化气体扩散时，斥水剂立刻供给到氧化气体排出通路， 空气电极(阴极侧)的过多反应水可从燃料电池系统排出，可防止燃 料电池内电极的扩散层和催化剂层的过度湿润，并可保持反应气体的 扩散效率，从而意味着可稳定燃料电池的输出特性。此外，从FC堆 10的氧化气体排出通路排出的反应水、斥水剂和排出氧化气体通过设 置在氧化气体排出通路内的回收单元58分离成斥水剂和反应水与排出 氧化气体的混合物，然后回收斥水剂，例如，返回斥水剂贮存容器42。在该实施例中，所有能够检测斥水剂的装置都可用作监测器48， 但是本发明不限于该结构，例如，监测器48还可测量燃料电池的使用 状态，例如，燃料电池使用(运行)的时间长度、燃料电池的发电状 态、燃料电池内的电池温度、或判断燃料电池的发电特性是否表明出 现消光现象。在更详细的描述中，在利用"燃料电池使用(运行)的时间长度" 的情形下，监测器48包括时钟功能，当达到预先测量的设定为表示燃 料电池内的电极扩散层变得过度湿润的"使用(运行)时间极限"时， 监测器指示流速控制器44供给足以处理估计出到电极扩散层达到过度 湿润状态时已产生的反应水量的斥水剂的量。
另外，在利用"燃料电池的发电状态"的情形中，监测器48包括 测量燃料电池电流输出的电流表功能，因为可基于电流值估计反应水 的量，所以当认为反应水的量达到过度湿润状态时，监测器指示流速控制器44供给足以处理反应水量的斥水剂的量。另外，在利用"燃料电池内的电池温度"的情形下，监测器48包 括温度测量功能，当例如8(TC的正常电池运行温度降低到低于例如30 t:的阈值电池温度时，监测器基于电池温度与预先测量的反应水量之 间的相互关系，指示流速控制器44供给足以处理估计出到温度低于阈 值电池温度时已产生的反应水量的斥水剂的量。另外，在利用"判断燃料电池的发电特性是否表明出现消光现象" 的情形下，监测器48包括电压测量功能，预先进行测量，以确定燃料 电池内出现消光现象的点的电压值，并将测量的该电压值设为阈值电 压，当达到该阈值电压时，监测器指示流速控制器44供给足以处理估 计由消光现象已产生的反应水量的斥水剂的量。在该实施例中，优选该监测器48具有电流测量功能、电池温度测 量功能和能够测量供给的反应气体量的功能，通过使用电流值和反应 气体流速，可更加精确地估计产生的反应水的量，而电池温度可用来 计算电池内聚积的反应水的量。因此，能够供给更加精确符合聚积的 反应水量的斥水剂的量。监测器48还可包括能够基于内部电池环境，例如，电池温度、 外部温度、电池负载、化学计量比及其运行历史，来估计反应水量的 监测器；含有绘制上述内部电池环境的测绘信息、并能够基于该测绘 信息估计反应水量的监测器；以及检测伴随FC堆内水聚积的压力损 失、然后基于该压力损失估计反应水量的监测器。
在以上述方式使用监测器监测燃料电池使用状态的情形下，监测 器48可用来监测燃料电池内的使用状态，当认为燃料电池的输出特性 降低时，那么监测器估计反应水的量，计算处理反应水的排出量应当添加的斥水剂的量，然后指示流速控制器44从斥水剂贮存容器42供给所需量的斥水剂。 第四实施例另外，图IO示出了根据第四实施例的另一燃料电池系统的实例。 与图S和9描述的燃料电池系统相同的构造具有相同的附图符号，并 省略其描述。图10中所示该实施例的可选燃料电池系统包括，例如燃料电池堆(下文中称为"FC堆")10，其中包括由夹在两个电极之间即燃料 电极和空气电极之间的固态聚合物膜形成的电解质膜的组件(MEA: 薄膜电极组件)自身夹在两个分离器之间，以产生作为最小单元的电池，然后通常将多个这种电池堆叠在一起，如图10中所示；斥水剂贮存容器42，该斥水剂贮存容器42贮存斥水剂；流速控制器44，该流 速控制器44控制从斥水剂贮存容器42供给的斥水剂的流速；混合供 给单元46，该混合供给单元46将从流速控制器44供给的斥水剂与氧 化气体混合，然后将产生的混合物供给到FC堆10的氧化气体供给通 路；阴极侧泵56，该阴极侧泵56向混合供给单元46以及气体通路转 换单元60供给氧化气体，该气体通路转换单元60转换用于从阴极侧 泵56供给的氧化气体的通路；三通联接阀62、 64，该三通联接阀62、 64根据气体通路转换单元60的指令打开和关闭，并且当其通路设定至 排出侧时，能够将从FC堆IO排出的氧化气体和反应水向外排出；以 及捕集器66、 68，该捕集器66、 68用作捕集从FC堆10排出的斥水 剂的第一和第二捕集单元。在上述实施例中，气体通路转换单元60不只转换反应气体通路， 还预先测量由捕集器66、 68能够捕集的斥水剂的量，以及反应水供给
时间和与排出氧化气体一起的从FC堆10排出的斥水剂量之间的关系，并且基于这两个结果计算对应于捕集器66、 68能够捕集的最大斥水剂 量的反应气体供给时间，然后将该时间存储为预定时间Tr。此外，气 体通路转换单元60还具有时钟功能，并计算反应气体供给时间T。下面参考图10和11，描述第四实施例的该可选燃料电池系统的 运行。首先，气体通路转换单元60向联接阀62输出指令以"打开"混 合供给单元46与捕集器66之间的连接并"关闭"外部排出，向联接 阀64输出指令以"关闭"气体通路转换单元60与捕集器68之间的连 接并"打开"外部排出。随后，气体通路转换单元60使用其内置时钟 功能从O开始计算反应气体供给时间T。同时，通过气体通路转换单元 60从阴极侧泵56向混合供给单元46供给氧化气体，而流速控制器44 从斥水剂贮存容器42向混合供给单元46供给所需量的斥水剂。然后， 在混合供给单元46内混合在一起的斥水剂与氧化气体通过联接阀62 和捕集器66，并供给到FC堆IO。与氧化气体一起供给到燃料电池内 各电池的氧化气体通路的斥水剂吸附在空气电极的扩散层和催化剂层 上。从FC堆10排出的排出氧化气体、反应水和一部分斥水剂的混合 物输送至捕集器68，捕集器68只捕集斥水剂，反应水和排出氧化气体 通过联接阀64向外排出。随后，气体通路转换单元60确定反应气体供给时间T是否超过上 述预定时间Tr (S120)。如果气体通路转换单元60确定反应气体供给 时间T超过了预定时间Tr，那么气体通路转换单元60向联接阀62输 出指令以"关闭"混合供给单元46与捕集器66之间的连接并"打开" 外部排出，向联接阀64输出指令以"打开"气体通路转换单元60与 捕集器68之间的连接并"关闭"外部排出(S122)。随后，气体通路 转换单元60使用其内置时间功能将反应气体供给时间T重置为"0" (S124)，重新开始该计时过程(S126)。同时，通过气体通路转换
单元60和联接阀64从阴极侧泵56向捕集器68供给氧化气体。吸附 在捕集器68内的斥水剂被供给的氧化气体的流速引开，并与氧化气体 一起供给到FC堆10。与氧化气体一起供给到燃料电池内各电池的氧 化气体通路的斥水剂吸附在空气电极的扩散层和催化剂层上。从FC堆 10排出的氧化气体、反应水和一部分斥水剂的混合物输送至捕集器66， 捕集器66只捕集斥水剂，反应水和排出氧化气体通过联接阀62向外 排出。然后，气体通路转换单元60以类似的方式确定反应气体供给时间 T是否超过上述预定时间Tr (S120)。如果气体通路转换单元60确定 反应气体供给时间T超过了预定时间Tr，那么气体通路转换单元60向 联接阀62输出指令以"打开"混合供给单元46与捕集器66之间的连 接并"关闭"外部排出，向联接阀64输出指令以"关闭"气体通路转 换单元60与捕集器68之间的连接并"打开"外部排出(S122)。随 后，气体通路转换单元60使用其内置时间功能将反应气体供给时间T 重置为"0" (S124)，重新开始该计时过程(S126)。这样，没有新 的斥水剂从流速控制器44供给到混合供给单元46。同时，通过气体通 路转换单元60和联接阀62从阴极侧泵56向捕集器66供给氧化气体。 吸附在捕集器66内的斥水剂被供给的氧化气体的流速引开，并与氧化 气体一起供给到FC堆10。与氧化气体一起供给到燃料电池内各电池 的氧化气体通路的斥水剂吸附在空气电极的扩散层和催化剂层上。从 FC堆10排出的排出氧化气体、反应水和一部分斥水剂的混合物输送 至捕集器68，捕集器68只捕集斥水剂，反应水和排出氧化气体通过联 接阀64向外排出。通过以上述方式转换气体通路，能够将斥水剂的补给抑制至最小。在燃料电池的输出特性因为重新利用燃料电池系统内的斥水剂而 开始恶化的情形下，优选地，使用图中未示出的监测器来监测燃料电 池的使用状态，并通过流速控制器44从斥水剂贮存容器42向混合供
给单元46供给适量的新斥水剂。另外，下面对第三和第四实施例的燃料电池进行更加详细的描述。上述斥水剂可为能够保持电极扩散层和催化剂层相对于电池内产 生的反应水的亲水性、表现对于扩散层和催化剂层的高度吸附性、不 具备与反应气体(尤其是氧化气体)发生反应的可能性、并在燃料电池的运行温度，例如，在从70至80。C的范围内的温度，能够以液态或固态存在的任意物质，优选为选自饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸、硅树 脂粉末、石蜡、蜡、氟树脂粉末和杂酚油中的至少一种材料，其中， 更加优选对人体基本无害的饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸和硅树脂粉末，并且最好为C17或更高的不饱和脂肪酸，例如，油酸、反油酸、亚油 酸、亚麻酸、硬脂酸和花生四烯酸。特别地，如图12中所示，优选地，斥水剂将电池内电极的气体扩散层70的表面处的反应水的表面张力从ec^增大至ecDL'，并且e (3Di/的值优选为至少90度。通过将e GM'值保证在上述范围内，可防止 过度湿润，并且吸附在气体扩散层70上并抑制气体扩散的反应水可从燃料电池有效地排出，同时在电极的气体扩散层保持令人满意的湿润 水平。另外，优选斥水剂的添加量相对于需要排出的反应水量的重量比通常在0至0.01%的范围内，优选为从0.0001至0.005%的范围内。即使供给的斥水剂量超过上述范围，不希望进一步增加斥水性。下面参考图13，对上述第三和第四实施例内的混合供给单元进行详细的描述。图13示出了用作混合供给单元的喷射式混合供给单元46a的一个 实例。如图13中所示，混合供给单元46a设有以细雾的形式喷射从流
速控制器供给的斥水剂的喷嘴72、沿垂直于斥水剂喷射方向的方向将氧化气体引入混合供给单元46a内部的氧化气体入口 74。因此，所需 量的斥水剂从喷嘴72喷射，并以细雾的形式扩散，由于氧化气体被引 入该分散的雾的区域，所以雾状斥水剂由氧化气体流携带，并以均匀 分散的状态供给到FC堆10。结果，雾状斥水剂溶解在反应水中，从 而减小了反应水相对于分离器的接触角，并改善了反应水的排出。混合供给单元46a还可包括加热单元，在所选斥水剂在室温(25 °C)为固态的情形下，在将斥水剂供给到喷嘴72之前，优选将其加热 至足以将该斥水剂转变为液态的温度，然后从喷嘴72喷射产生的液态 斥水剂。相反，在斥水剂在室温为液态的情形下，虽然并不强制需要 使用加热单元进行加热，但是如果液态斥水剂的粘度过高，使得难以 喷射，那么优选使用加热单元来降低斥水剂的粘度。另外，图8中所示的回收单元58和图10中所示的捕集器66、 68 可使用多孔、并具有对斥水剂的高度吸附性的任意材料，可使用的适 当材料的实例包括蜂窝结构陶瓷、多孔石墨和多孔碳纳米管。此外，回收单元58和捕集器66、 68还可包括附加的加热单元。 当回收单元58捕集的斥水剂返回到斥水剂贮存容器42时，优选使用 附加的加热单元来加热回收单元58，从而将回收单元内捕集的斥水剂 转变为更有流动性的液态或气态。另外，当捕集器66、 68捕集的斥水 剂重新供给到FC堆时，优选使用附加的加热单元加热捕集器66、 68， 从而将捕集器内捕集的斥水剂转变为更有流动性的液态。上面的说明主要集中在将斥水剂引入产生反应水的阴极侧，但是 本发明不限于该构造，燃料气体供给单元以与图1和3中所示方式相 同的方式将斥水剂引入到阳极侧的构造也是可能的。上面已经详细描述了本发明，但是本发明的范围不受上面描述的限制。另外，本申请要求于2005年3月29日提交的日本专利申请No. 2005-096426和于2005年3月29日提交的日本专利申请No. 2005-096428的优先权，其全部内容作为参考并入本申请。工业应用性本发明的燃料电池系统在使用燃料电池的所有应用中都有效，并 且尤其适用于车辆中使用的燃料电池。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括具有电池的燃料电池，所述电池由在电解质膜上具有燃料电极和空气电极的组件和层压至所述组件的分离器构成，其中所述燃料电池具有排水添加剂供给单元，该排水添加剂供给单元供给用于提高电池内的排水性的排水添加剂。
2. —种燃料电池系统，包括具有电池的燃料电池，所述电池由在电解质膜上具有燃料电极和空气电极的组件和层压至所述组件的分离 器构成，以及反应气体供给单元，该反应气体供给单元向所述燃料电池供给反 应气体，其中所述燃料电池系统还包括排水添加剂供给单元，该排水添加剂供 给单元向由所述反应气体供给单元供给的所述反应气体供给用于提高 电池内的排水性的排水添加剂。
3. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，还包括监测器，该监 测器监测所述燃料电池的使用状态，其中所述排水添加剂供给单元根据所述监测器监测的所述燃料电池的 使用状态向所述燃料电池供给所述排水添加剂。
4. 如权利要求1至3中任意一项所述的燃料电池系统，还包括 排气通路，该排气通路输送从所述燃料电池排出的排气；以及 回收单元，该回收单元设在所述排气通路内并回收所述排水添加剂。
5. 如权利要求1至4中任意一项所述的燃料电池系统，其中所述排水添加剂供给单元向所述空气电极所在的阴极侧供给所述 排水添加剂。
6. 如权利要求1至5中任意一项所述的燃料电池系统，其中 所述排水添加剂为维持所述电池内的所述排水性的排水维持剂；以及所述排水添加剂供给单元为供给所述排水维持剂的排水维持剂供给单元。
7. 如权利要求6所述的燃料电池系统，其中所述排水维持剂为降低所述电池内产生的反应水的表面张力的表 面张力降低剂。
8. 如权利要求7所述的燃料电池系统，其中 所述表面张力降低剂为选自酒精和表面活性剂的至少一种试剂。
9. 如权利要求1至5中任意一项所述的燃料电池系统，其中 所述排水添加剂为供给至设置在所述燃料电池的所述电池内部的反应气体供给通路的斥水剂，以给所述反应气体供给通路提供斥水性；以及所述排水添加剂供给单元为供给所述斥水剂的斥水剂供给单元。
10. 如权利要求9所述的燃料电池系统，其中 所述斥水剂为选自饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸、硅树脂粉末、石蜡、蜡、氟树脂粉末和杂酚油的至少一种材料。
11. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，其中 所述斥水剂供给单元向所述空气电极所在的阴极侧供给所述斥水剂。
12. 如权利要求9至11中任意一项所述的燃料电池系统，其中 所述回收单元为设置在所述排气通路内并捕集所述斥水剂的捕集单元。
13.如权利要求9至11中任意一项所述的燃料电池系统，其中所 述回收单元包括第一捕集单元，该第一捕集单元设置在所述排气通路中，并且捕集所述斥水剂；第二捕集单元，该第二捕集单元设置在所述反应气体供给通路中， 并且能够捕集所述斥水剂；以及气体通路转换单元，该气体通路转换单元基于所述第一捕集单元 和所述第二捕集单元的捕集量，将用于所述反应气体的供给通路选择 并转换为所述反应气体供给通路和所述排气通路中的任意一个。
全文摘要
一种燃料电池系统，特别是对旨在提高发电期间产生的反应水的排出并保持和稳定燃料电池发电效率的燃料电池的改进。监测器(48)监测FC堆(10)的使用状态，并通过判断反应水的排出是否达到气体流动通路产生排水堵塞的地步，不仅估计反应水的量，而且计算对应于反应水的排出量的要添加的排水维持剂的量，指示流速控制器(44)从斥水剂贮存容器(42)供给所需量的斥水剂。根据监测器(48)的指示，流速控制器(44)从斥水剂贮存容器(42)向混合供给单元(46)供给所需量的斥水剂。氧化气体从阴极侧泵(56)供给到混合供给单元(46)，然后斥水剂与氧化气体在混合供给单元(46)内混合在一起，并供给到FC堆(10)内的氧化气体供给通路。从FC堆(1)的氧化气体排出通路排出的反应水、斥水剂和排出氧化气体通过回收单元(58)分离成斥水剂和反应水与排出氧化气体的混合物，然后回收斥水剂。
文档编号H01M8/04GK101151758SQ20068001050
公开日2008年3月26日 申请日期2006年3月29日 优先权日2005年3月29日
发明者滨田仁, 荻野温 申请人:丰田自动车株式会社