[發明專利]燃料電池系統

有效

• 申請號: 200880013237.6
• 申請日: 2008-03-07
• 公開（公告）號: CN101669242A
• 公開（公告）日: 2010-03-10
• 發明（設計）人: 久米井秀之;加藤學
• 申請（專利權）人: 豐田自動車株式會社
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所
• 代理人: 馬江立;柴智敏

技術領域

本發明涉及燃料電池系統。

背景技術

常規地，燃料電池由串聯連接的多個單元電池形成。每個單元電池由 被供給到陽極的含氫的燃料氣體和被供給到陰極的含氧的氧化劑氣體發 電。每個單元電池所需的反應氣體(即，燃料氣體或氧化劑氣體)的供給 量取決于需要生成的電流(即，負載電流)。因此，在燃料電池系統中， 根據負載電流控制反應氣體的供給量以免使反應氣體供給量不充足。

但是，出于一些原因，在一個或多個單元電池中的反應氣體的供給量 有時可能相對于所需量不足。這種情況的示例包括單元電池中的氣體通路 被由于發電而生成的水阻塞的情況，或者水在氣體通路中凍結且因此阻塞 氣體通路的情況。如果反應氣體的供給量相對于所需的量變得不足，僅通 過反應氣體的發電反應(即，正常發電反應)不能實現所需的電流流動。 但是，由于單元電池串聯連接，所以，即使是反應氣體的供給不足的單元 電池也需要造成與其它正常單元電池相同電流量的流動。因此，當強制電 流在反應氣體的供給不足的單元電池中流動時，可能發生以下的異常化學 反應。

盡管缺乏氫，燃料氣體的供給不足的單元電池仍需要從陽極提取電子。 結果，發生水的氧化反應(2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-)、碳的氧化反應 (C+2H₂O→CO₂+4H⁺+4e^-)和Pt的溶出反應/洗脫反應(Pt→Pt²⁺+2e^-)以 及電解質成分的氧化反應等等。另一方面，盡管缺乏氧，氧化劑氣體的供 給不足的單元電池仍需要在陰極接收電子。結果，出現這樣的現象，即質 子從陽極側通過電解質膜移動到陰極側，并且與電子重新結合。即，發生 所謂的“氫泵現象”。

特別地，由于燃料氣體的供給短缺導致的異常化學反應造成MEA(膜 電極組件)的損壞和劣化。因此，在燃料電池系統中，重要的是在早期檢 測燃料氣體的供給短缺。這種檢測可通過測量每個單元電池的電壓來實現。 燃料氣體的供給不足的單元電池的陽極電位響應于異常化學反應而增加， 并且變得高于陰極電位。即，出現所謂的“逆電位現象”。因此，經由每 個單元電池的電壓(即，逆電位)監測，可確定燃料氣體的供給是否不足。

根據現有技術的燃料電池系統，如果任何單元電池的電池電壓降到預 先設定的閾值電壓之下，則執行預定電壓恢復處理；例如，將負載電流設 定為較低的值，或者臨時停止發電。例如，日本專利申請公報第 2006-1471178號(JP-A-2006-147178)、日本專利申請公報第11-67254號 (JP-A-11-67254)、日本專利申請公報第2004-30979號 (JP-A-2004-30979)、日本專利申請公報第2006-73501號 (JP-A-2006-73501)、日本專利申請公報第2006-49259號 (JP-A-2006-49259)以及日本專利申請公報第2004-241236號 (JP-A-2004-241236)描述了與燃料電池的逆電位有關的技術。

當燃料電池在低溫下起動、特別地在低于凝固點的溫度下起動時，氣 體通路可能被冰或水阻塞，從而燃料氣體可能被不充足地供給到燃料電池。 為了除去阻塞氣體通路的冰或水，可利用燃料電池的自發熱。為了增加燃 料電池的自發熱，有效地使氧化劑氣體的供給量處于短缺狀態。從而，通 過供給少于從負載電流得出的所需的氧化劑氣體量的氧化劑氣體，可增加 陰極的過電壓，從而可加速燃料電池的自發熱。

當氧化劑氣體被不充足地供給時，陰極電位從穩定工作電位顯著降低。 此外，MEA的阻抗在低溫下變得較大，從而由于MEA的阻抗造成的壓力 損失也變得明顯。結果，如同燃料氣體的供給短缺的情況，電池電壓有時 會變為負的。但是，不同于由于燃料氣體的供給短缺造成的陽極電位的增 加，由于氧化劑氣體的供給短缺造成的陰極電位的減小是容許的。如果這 不被容許，則燃料電池的預熱不能被加速，從而在低溫下的燃料電池的可 起動性將變差。