專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池系統(tǒng)和燃料電池的活化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池通過(guò)分
別向i殳置于聚合物電解質(zhì)膜(polymer electrolyte membrane)的一個(gè)
表面的氧電極和向設(shè)置于其另一表面的燃料電極供給氧化劑和燃料， 執(zhí)行發(fā)電。
背景技術(shù)：
聚合物電解質(zhì)燃料電池(polymer electrolyte fuel cell)主要包括 具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的聚合物電解質(zhì)膜和布置在所述聚合物電解質(zhì)膜的 兩個(gè)表面上的一對(duì)電極。每個(gè)電極包括主要由鉑或柏族金屬催化劑制 成的催化劑層，和在催化劑層的外表面上形成的、用于供給氣體和收 集電流的氣體擴(kuò)散電極。通過(guò)結(jié)合電極和聚合物電解質(zhì)膜而形成的主 體被稱(chēng)為膜電極組件(MEA)。燃料(氬)被供給電極之一，氧化劑(氧) 被供給另一個(gè)電極，從而執(zhí)行發(fā)電。
在被供給氫作為燃料的燃料電極中，發(fā)生由下面的(化學(xué)式1) 表示的反應(yīng)，由氫產(chǎn)生質(zhì)子和電子。此外，在被供給氧作為氧化劑的 氧化劑電極中，發(fā)生由下面的(化學(xué)式2)表示的反應(yīng)，由氧、質(zhì)子和 電子產(chǎn)生水。這種情況下，質(zhì)子穿過(guò)聚合物電解質(zhì)膜從燃料電極移動(dòng) 到氧化劑電極。此外，電子穿過(guò)外部負(fù)載從燃料電極移動(dòng)到氧化劑電 極。在該過(guò)程中，獲得電能。
燃料電極H2 —2H++2e- (化學(xué)式1)
氧化劑電極l/202+2H++2e- —H20 (化學(xué)式2) 燃料電池的理論電壓約為1.23伏，不過(guò)在通常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，燃 料電池常在0.7伏電壓下使用。與燃料電池中的各種損耗(極化)相關(guān) 地產(chǎn)生壓降。對(duì)于聚合物電解質(zhì)膜來(lái)說(shuō)，廣泛使用由Nafion(DuPont的商標(biāo)) 代表的全氟磺酸(perfluorosulfonic acid)聚合物電解質(zhì)膜。在全氟 磺酸聚合物電解質(zhì)膜中，為了傳導(dǎo)質(zhì)子， 一邊流動(dòng)一邊夾帶(entrain) 質(zhì)子的水是必需的。因此，為了獲得足夠的質(zhì)子傳導(dǎo)性，必須增大聚 合物電解質(zhì)膜的含水量(moisture content)。在這方面，已知當(dāng)燃料 電池在含水量低的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃料電池的電壓降低。
此外，已知在燃料電池的氧化劑電極的電位相對(duì)于燃料電極的電 位被設(shè)為等于或大于0.8伏的高值的情況下，在用于氧化劑電極的鈿 催化劑表面上形成氧化層，從而導(dǎo)致催化活性的退化。
為了抑制由上述原因引起的燃料電池的電壓減小，并且在開(kāi)始運(yùn) 轉(zhuǎn)之后立即使燃料電池的特性保持高而穩(wěn)定的狀態(tài)，在常規(guī)上提出了 燃料電池的活化方法。
這里，燃料電池的活化指的是增大聚合物電解質(zhì)膜的含水量、和 通過(guò)去除在催化劑表面上形成的氧化層減少損耗(極化)的操作。
日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No.2005-093143公開(kāi)一種通過(guò)使燃料電池的 相對(duì)電極短路來(lái)活化燃料電池的方法。
使燃料電池的電壓保持約為0伏，從而還原和去除在鉑催化劑表 面上形成的氧化層。此外，通過(guò)允許由燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生的電流的通 過(guò)，促進(jìn)了水的產(chǎn)生，從而使聚合物電解質(zhì)膜增濕。
在該活化方法中，不可能使等于或大于當(dāng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)流過(guò)的最大 電流(下面稱(chēng)為極限(limiting)電流)的電流流過(guò)燃料電池。
日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No.2006-040598公開(kāi)一種方法，其中在把諸 如曱醇之類(lèi)的有機(jī)燃料供給燃料電極的燃料電池中，在惰性氣體被供 給氧化劑電極時(shí)，燃料電池與外部電源連接，以使燃料電極和氧化劑 電極的電位被反轉(zhuǎn)，從而使聚合物電解質(zhì)膜增濕。
這種情況下，在氧化劑電極中，借助從燃料電極穿過(guò)聚合物電解 質(zhì)膜的質(zhì)子和從外部電源供給的電子，發(fā)生由化學(xué)式3表示的氬生成 反應(yīng)。
氧化劑電極2H++2e- —H2 (化學(xué)式3)在上面提及的反應(yīng)的過(guò)程中，隨同質(zhì)子的移動(dòng)一起，水散布在聚 合物電解質(zhì)膜中，從而執(zhí)行增濕。此外，由于燃料電極和氧化劑電極 的電位被反轉(zhuǎn)，因此氧化劑電極的電位被保持成低于燃料電極的電 位，從而促進(jìn)形成于鉑催化劑表面上的氧化層的還原和去除。
不過(guò)，執(zhí)行日本專(zhuān)利申請(qǐng)乂^開(kāi)No.2006-040598中描述的活化是 為了使聚合物電解質(zhì)膜增濕，就增強(qiáng)燃料電池在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使用的整 個(gè)電流區(qū)中的特性來(lái)說(shuō)仍然不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)和燃料電池的活化方法，其中執(zhí)行 活化處理，以使允許大于極限電流的電流流過(guò)，從而能夠增強(qiáng)燃料電 池在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使用的整個(gè)電流區(qū)中的特性。
本發(fā)明提供一種具有下述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)和燃料電池的活 化方法。
即，本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，包括
燃料電池，所述燃料電池通過(guò)分別向設(shè)置在聚合物電解質(zhì)膜的一 個(gè)表面上的氧化劑電極供給氧化劑、以及向設(shè)置在聚合物電解質(zhì)膜的 另一個(gè)表面上的燃料電極供給燃料，執(zhí)行發(fā)電；和
電壓施加電路，用于在氧化劑電極和燃料電極之間施加反極性的 電壓，所述電壓足以用于在保持向燃料電極供給燃料的狀態(tài)的同時(shí)在 氧化劑電極中引起氫生成反應(yīng)，且用于使比在燃料電池穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn) 生的最大電流大的電流通過(guò)。
此外，本發(fā)明涉及一種燃料電池的活化(activation)方法，所 述燃料電池通過(guò)分別向設(shè)置在聚合物電解質(zhì)膜的一個(gè)表面上的氧化 劑電極供給氧化劑、以及向設(shè)置在聚合物電解質(zhì)膜的另一個(gè)表面上的 燃料電極供給燃料，執(zhí)行發(fā)電，
所述活化方法包括
執(zhí)行活化處理，所述活化處理包括在氧化劑電極和燃料電極之間 施加反極性的電壓，所述電壓足以用于在保持向燃料電極供給燃料的狀態(tài)的同時(shí)在氧化劑電極中引起氫生成反應(yīng)，且用于使比在燃料電池 穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的最大電流大的電流通過(guò)。
在本發(fā)明的燃料電池的活化方法中，允許比極限電流大的電流通 過(guò)燃料電池，從而能夠增強(qiáng)在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使用的整個(gè)電流區(qū)域中的發(fā) 電特性。


圖1是示出按照本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2是示出按照本發(fā)明的實(shí)施例，相對(duì)于燃料電池中的氧化劑濃 度的擴(kuò)散極限電流的示圖。
圖3是示出按照本發(fā)明的實(shí)施例，相對(duì)于通過(guò)電流的燃料電池的 特性的示圖。
圖4是示出按照本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池在極性反轉(zhuǎn)時(shí)的行 為的示圖。
圖5是示出按照本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池在極性反轉(zhuǎn)測(cè)試之 后的特性的示圖。
圖6是示出按照本發(fā)明的實(shí)施例，燃料電池的內(nèi)電阻和由于氫的 產(chǎn)生而流過(guò)的電流之間的關(guān)系的示圖。
圖7是示出按照本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池的活化例程的流程圖。
圖8是示出按照本發(fā)明的例1的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。 圖9是示出按照本發(fā)明的例1的燃料電池單元的結(jié)構(gòu)的示意圖。 圖IO是示出按照本發(fā)明的例1的燃料電池單元在活化后的特性 的示圖。
圖11是示出按照本發(fā)明的例2的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。 圖12是示出按照本發(fā)明的例2的燃料電池系統(tǒng)的另一結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖13是示出按照本發(fā)明的例3的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖14是示出按照本發(fā)明的例3的燃料電池系統(tǒng)的氧化劑量調(diào)節(jié) 單元的結(jié)構(gòu)的示圖。
圖15是示出按照本發(fā)明的例3的燃料電池系統(tǒng)的氧化劑量調(diào)節(jié) 單元的另一種結(jié)構(gòu)的示圖。
圖16是示出按照本發(fā)明的例4的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖17是示出按照本發(fā)明的例5的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在常規(guī)上，對(duì)于活化燃料電池來(lái)說(shuō)，更充分地使聚合物電解質(zhì)膜 增加水分和保持氧化劑電極的電位低于燃料電極的電位被認(rèn)為是有 效的。
不過(guò)，作為本發(fā)明的發(fā)明人對(duì)活化處理過(guò)程的研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn) 了下面的內(nèi)容。為了進(jìn)一步活化燃料電池，通過(guò)電流的大小是重要的。
即，發(fā)現(xiàn)在活化處理時(shí)在燃料電池中通過(guò)的電流的大小與在活 化處理之后燃料電池特性的增強(qiáng)程度之間存在相關(guān)性。
相關(guān)性的原因被認(rèn)為是在活化處理時(shí)已通過(guò)聚合物電解質(zhì)膜的 質(zhì)子對(duì)聚合物電解質(zhì)膜的質(zhì)子通道(channel)的某種影響。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，為了增強(qiáng)燃料電池在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使用的整 個(gè)電流區(qū)中的特性(例如，以恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)的電壓值)，使與穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn) 時(shí)通過(guò)的最大電流相等或更大的電流通過(guò)是有效的。
因此，本發(fā)明的術(shù)語(yǔ)"活化"指的是增大常規(guī)的聚合物電解質(zhì)膜的 含水量，通過(guò)消除在催化劑表面上形成的氧化層減少損耗(極化)，以 及增強(qiáng)關(guān)于質(zhì)子傳導(dǎo)性的特性。
注意按照本發(fā)明的術(shù)語(yǔ)"穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，，指的是在運(yùn)轉(zhuǎn)條件的波動(dòng)范 圍內(nèi)連續(xù)執(zhí)行發(fā)電的運(yùn)轉(zhuǎn)，所述運(yùn)轉(zhuǎn)條件由從燃料電池看來(lái)的負(fù)載的 阻抗和氧化劑的供給量表示。
通常，在使用燃料電池的時(shí)候，燃料電池被單獨(dú)使用或者和另一 個(gè)燃料電池組合使用，其被連接有各種負(fù)載。此外，取決于運(yùn)轉(zhuǎn)條件， 負(fù)載的條件可不同地變化。于是，由燃料電池看來(lái)的負(fù)載的阻抗并不
8恒定，并且可能大大地變化。因此，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)取出的電流的值可能 隨條件而大大地變化。希望在此時(shí)的電流值下，更有效地取出電能。在按照本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，希望燃料電池系統(tǒng)包括電壓施 加電路，用于施加足以在保持向燃料電極供給燃料的狀態(tài)的同時(shí)在氧 化劑電極中引起氫生成反應(yīng)、以及使比在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的最大電流 大的電流通過(guò)的反極性電壓。此外，由包括活化處理步驟的制造方法制備的燃料電池在使用的 整個(gè)電流區(qū)中具有增強(qiáng)的特性，從而是所希望的。 (實(shí)施例1)下面，參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1是示出通過(guò)按照本發(fā)明的實(shí)施例1的燃料電池的活化方法運(yùn) 轉(zhuǎn)的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。燃料電池系統(tǒng)1包括具有膜電極組件的燃料電池單元5，或者具 有其中相互堆疊多個(gè)燃料電池單元的結(jié)構(gòu)的燃料電池組，所述膜電極 組件具有其中燃料電極7和氧化劑電極8被設(shè)置在聚合物電解質(zhì)膜6 的兩側(cè)的結(jié)構(gòu)。燃料電池系統(tǒng)l還包括向燃料電極7供給燃料的燃料 流路3、和向氧化劑電極8供給氧化劑的氧化劑流路4。燃料電池系 統(tǒng)l還包括與燃料電極7和氧化劑電極8連接的外部電源10，所述外 部電源是本發(fā)明的電壓施加電路。盡管諸如純氬和甲醇之類(lèi)的各種燃料可以用作按照本發(fā)明的實(shí) 施例1的燃料電池單元5的燃料，不過(guò)希望使用在燃料電極中發(fā)生小 的極化的氫作為燃料。通過(guò)燃料流路，例如，從燃料罐2向燃料電極7供給氬燃料?？?以使用任何部件作為燃料罐7，只要?dú)迦剂夏軌虮惶峁┙o燃料電池， 并且可合適地使用保持以高壓充入的氫或保存在貯氫材料中的氫的 部件。此外，可以采用其中諸如甲醇或乙醇之類(lèi)的液體燃料被保持在 燃料罐2中、并且液體燃料被允許通過(guò)轉(zhuǎn)化器(reformer)，從而具 有氫氣的形式并被供給燃料電池的系統(tǒng)。例如，借助自然擴(kuò)散，向氧化劑電極8供給空氣。此外，通過(guò)使9用諸如風(fēng)扇之類(lèi)的輔助設(shè)備，可向氧化劑電極8供給空氣。此外，可 向氧化劑電極8供給充入并裝在獨(dú)立罐中的氧氣。全氟磺酸鹽(perfluorosulfonate )質(zhì)子交換樹(shù)脂膜可被用作聚合 物電解質(zhì)膜6。要求在開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，聚合物電解質(zhì)膜被快速增濕，從 而聚合物電解質(zhì)膜可以是盡可能薄的膜。當(dāng)考慮聚合物電解質(zhì)膜的機(jī) 械強(qiáng)度、阻氣特性等時(shí)，聚合物電解質(zhì)膜的厚度可以約為50微米。例如，如下所述地制造聚合物電解質(zhì)燃料電池的膜電極組件。首先，混合諸如鉑黑或載鉑碳之類(lèi)的催化劑攜載顆粒、聚合物電 解質(zhì)溶液、和諸如異丙醇之類(lèi)的有機(jī)溶劑，從而制備催化劑墨。隨后， 例如通過(guò)噴涂、絲網(wǎng)印刷或刮刀等，把催化劑墨沉積在由聚四氟乙烯 (PTFE)等制成的聚合物膜、由導(dǎo)電多孔材料制成的碳電極基板等上， 從而形成催化劑層。隨后，借助熱轉(zhuǎn)印等，把獲得的催化劑層壓力接合到聚合物電解 質(zhì)膜，而使其催化劑攜載側(cè)與聚合物電解質(zhì)膜的兩個(gè)表面接觸，從而 獲得膜電極組件。此外，作為催化劑材料，除了鉑之外，可以使用貴金屬催化劑或 合金催化劑。此外，可以使用諸如電鍍或?yàn)R射之類(lèi)的沉積工藝來(lái)形成催化劑層。燃料流路3和燃料電極7具有其中為了防止從燃料罐2供給的燃外圍^置i封件的結(jié)構(gòu)。、 、 J 、燃料電池單元5與獨(dú)立于作為外部負(fù)載的電子設(shè)備9的外部電源IO連接，發(fā)電產(chǎn)生的輸出被供給電子設(shè)備9。外部電源10控制負(fù)載，以使在燃料電池的活化處理時(shí)，在燃料電池的氧化劑電極中執(zhí)行氫生成反應(yīng)。具體地說(shuō)，執(zhí)行所述控制，以使相對(duì)于燃料電極的電位，氧化劑電極的電位為負(fù)。外部電源10可以是諸如二次電池或電容器之類(lèi)的電源，并且可通過(guò)使電源的正極和燃料電極連接、使輔助電源的負(fù)極與氧化劑電極連接，控制負(fù)載。
這里，詳細(xì)描述外部電源IO執(zhí)行的控制。
圖2和3是分別示出在活化處理時(shí)允許流過(guò)的電流的大小如何影 響燃料電池的特性的示圖。
在圖2中，關(guān)于在待供給的氧化劑的氧濃度方面彼此不同的燃料 電池，示出了對(duì)于每一個(gè)氧濃度，當(dāng)燃料電池單元的相對(duì)電極之間的 電位差被控制為0伏時(shí)，允許流過(guò)的電流的大小隨著時(shí)間的變化。其 中流過(guò)的電流最大的用符號(hào)(a)表示的那一個(gè)指示在和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)條件 相同的條件下供給空氣的情況下的數(shù)據(jù)。符號(hào)(b)-(e)表示的是在按照 所陳述的順序逐漸降低氧化劑的氧濃度的情況下獲得的數(shù)據(jù)。氧的濃 度越變得小于空氣的氧濃度，燃料電池的極限電流就變得越低。因此， 了解到氧化劑的不足抑制極限電流。
圖3示出當(dāng)在執(zhí)行和圖2的數(shù)據(jù)(a)-(e)的情況相同的處理之后向 氧化劑電極供給空氣時(shí)燃料電池單元的電流-電壓特性。了解到其中 在活化處理時(shí)流過(guò)較大電流的燃料電池單元具有較有利的特性。此 外，了解到當(dāng)其中在活化處理時(shí)流過(guò)最大電流的數(shù)據(jù)(a)的燃料電池 單元被用作基準(zhǔn)時(shí)，在所述特性方面造成差異的電流值幾乎和在活化 處理時(shí)流過(guò)的電流的大小相同。
依據(jù)上述了解，發(fā)現(xiàn)了為了在燃料電池穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的整個(gè)電流 區(qū)中獲得燃料電池的活化處理的效果，要求流過(guò)值等于或大于燃料電 池穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最大電流值的電流。
此外，圖4是示出在以50毫伏/秒的掃描速率把燃料電池的電壓 從開(kāi)路電壓降到負(fù)側(cè)的情況下電流值的變化的示圖。圖4中，數(shù)據(jù)(a) 示出向燃料電池的燃料電極供給氫、并且向燃料電池的氧化劑電極供 給空氣的情況下的特性。在電壓從開(kāi)路電壓變到0伏的期間中，在燃 料電極中發(fā)生下述(化學(xué)式l)的反應(yīng)，在氧化劑電極中發(fā)生下述(化學(xué) 式2)的反應(yīng)。這些反應(yīng)是所謂的燃料電池反應(yīng)。
燃料電極H2 —2H++2e- (化學(xué)式1)
氧化劑電極l/202+2H++2e- —H20 (化學(xué)式2)此外，當(dāng)電池電壓為o伏時(shí)，由于氧化劑的不足，極限電流受到限制。
當(dāng)燃料電池的電壓進(jìn) 一 步從0伏降低到負(fù)側(cè)時(shí)，氧化劑電極的電 位和燃料電極的電位的電平(level)被反轉(zhuǎn)。這種情況下，在燃料電 極中，執(zhí)行由上面提及的(化學(xué)式1)表示的反應(yīng)，在氧化劑電極中， 新開(kāi)始下面(化學(xué)式3)的反應(yīng)。
氧化劑電極2H++2e、H2 (化學(xué)式3)
在由(化學(xué)式3)表示的氫生成反應(yīng)中，允許流過(guò)和從燃料電極 移動(dòng)通過(guò)聚合物電解質(zhì)膜的質(zhì)子的量對(duì)應(yīng)的電流。因此，在其中由于 氧化劑的不足而達(dá)到擴(kuò)散極限電流的燃料電池中，當(dāng)聚合物電解質(zhì)膜 包含足夠的水分時(shí)，因氫生成反應(yīng)的緣故，能夠允許從其流過(guò)比燃料 電池的極限電流大的電流。
在這種情況下，氧化劑存在于數(shù)據(jù)(a)的燃料電池的氧化劑電極 中。因此，認(rèn)為在電位反轉(zhuǎn)之后的氧化劑電極中，同時(shí)發(fā)生由(化學(xué) 式2)和(化學(xué)式3)表示的反應(yīng)。
在圖4中，數(shù)據(jù)(b)是示出在向燃料電極供給氫、向氧化劑電極 供給高濃度氮的情況下的特性的示圖。氧化劑的供給實(shí)質(zhì)上為零，因 此對(duì)于從開(kāi)路電壓到0伏的電壓，在氧化劑電極中幾乎不發(fā)生(化學(xué) 式2)的反應(yīng)。因此，與其中供給空氣的數(shù)據(jù)(a)相比，極限電流極小。 不過(guò)，當(dāng)電壓達(dá)到約0.1伏時(shí)，開(kāi)始發(fā)生(化學(xué)式3)的反應(yīng)。在電 位的反轉(zhuǎn)之后，能夠允許流過(guò)比其中供給空氣的數(shù)據(jù)(a)的燃料電池反 應(yīng)中的極限電流大的電流。
即，即使在由于氧化劑的不足，極限電流受到抑制的燃料電池中， 當(dāng)聚合物電解質(zhì)膜充分含水時(shí)，借助氫生成反應(yīng)，也能夠允許從其流 過(guò)比燃料電池的極限電流大的電流。
這種情況下，在其中供給氧化劑的數(shù)據(jù)(a)和其中不供給氧化劑 的數(shù)據(jù)(b)中，相對(duì)于燃料電池的燃料電極的電位，氧化劑電極的電位 指示-0.5伏~-0.7伏附近的電流峰值。這可能因?yàn)?，在燃料電極中， 幾乎達(dá)到發(fā)生水的電解的電位，或者質(zhì)子的移動(dòng)量是大的，從而聚合物電解質(zhì)膜中夾帶的水變得不足。
因此，發(fā)現(xiàn)在氫生成反應(yīng)中可允許流過(guò)的電流的范圍是等于或小 于氫生成所允許流過(guò)的電流的最大峰值的范圍。
此外，圖4的數(shù)據(jù)(c)示出在向燃料電極供給氮、向氧化劑電極 供給空氣的情況下的特性。由于不存在氫(即質(zhì)子)的供給，因此幾 乎不發(fā)生燃料電池反應(yīng)和氫生成反應(yīng)，并且不存在電流的流動(dòng)。不過(guò)， 當(dāng)相對(duì)于燃料電極的電位，燃料電池的氧化劑電極的電位被改變到相 對(duì)于約-0.7伏的負(fù)側(cè)時(shí)，在燃料電極中發(fā)生由下面的(化學(xué)式4)表 示的水的電解反應(yīng)，從而允許電流從其流過(guò)。
燃料電極H20—l/202+2H++2e- (化學(xué)式4)
在數(shù)據(jù)(a)和(b)部分所示的情況下，在燃料電極中也發(fā)生(化學(xué) 式4)的反應(yīng)。當(dāng)在向燃料電極供給燃料的狀態(tài)下，在燃料電極中產(chǎn) 生由水的電解反應(yīng)產(chǎn)生的氧時(shí)，發(fā)生催化燃燒(combustion )，從而 引起燃料電池組件的劣化。因此，活化處理時(shí)氧化劑電極和燃料電極
之間的電位差必須被控制在在燃料電極中發(fā)生水的電解反應(yīng)之前的 范圍內(nèi)。
圖5是示出對(duì)于發(fā)生催化燃燒的歷史的存在或不存在，當(dāng)對(duì)燃料 電池施加恒定電流時(shí)特性隨著時(shí)間的變化的示圖。圖5的數(shù)據(jù)(a)是示 出其中通過(guò)反復(fù)施加從0伏到-1.5伏的電壓，在燃料電極中發(fā)生水的 電解，從而發(fā)生催化燃燒的燃料電池的特性的示圖。另一方面，圖5 的數(shù)據(jù)(b)是示出其中反復(fù)施加0伏到-0.7伏的電壓，以使在燃料電極 中不發(fā)生水的電解的燃料電池的特性的示圖。
在其中發(fā)生水的電解的數(shù)據(jù)(a)的情況下，所述特性大大降低。 這可能起因于由在氫氣氛中產(chǎn)生的氧和氫的催化燃燒引起的劣化。另 一方面，在其中以在燃料電極中不發(fā)生水電解的電平反復(fù)施加電壓的 數(shù)據(jù)(b)的情況下，在氧化劑電極中可能產(chǎn)生氫，從而與空氣中的氧發(fā) 生催化燃燒。不過(guò)，如數(shù)據(jù)(b)的特性所示，了解到其影響是小的。
因此，發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)氫生成反應(yīng)的控制而獲得的有利的電壓范圍對(duì) 應(yīng)于在燃料電極中發(fā)生水的電解反應(yīng)之前的范圍。
13外部電源10的控制可以是使燃料電池單元的電壓保持恒定的恒
壓控制，或者可以是使燃料電池單元的電流保持恒定的恒流控制。此 外，可執(zhí)行控制，以使電池單元電壓被逐漸減小到負(fù)側(cè)，或者使電池 單元電流逐漸增大到大于極限電流，從而反轉(zhuǎn)燃料電極和氧化劑電極 的電位的電平。
通過(guò)外部電源10的控制對(duì)燃料電池單元施加的電壓的范圍是從 O伏到發(fā)生在燃料電極中發(fā)生的水的電解反應(yīng)的電位差的范圍，即，0 伏~-1.23伏的電池單元電壓。按照?qǐng)D4的測(cè)試結(jié)果，在約-0.7伏的電 壓下，在燃料電極中發(fā)生水的電解，從而所述范圍理想地是0伏~-0.7 伏的電池單元電壓的范圍。此外，按照?qǐng)D4的極性反轉(zhuǎn)測(cè)試的結(jié)果， 通過(guò)氫的產(chǎn)生而允許流過(guò)的電流的峰值約為-0.5伏，從而所述范圍更 理想地是0伏 -0.5伏的電池單元電壓的范圍。此外，通過(guò)外部電源 10的控制允許流過(guò)燃料電池單元的電流的范圍是等于或大于燃料電 池因氧化劑的不足而表現(xiàn)出的按照化學(xué)式2的極限電流、并且等于或 小于通過(guò)氫的產(chǎn)生而允許流過(guò)的電流所表現(xiàn)出的按照(化學(xué)式3)的 最大峰值的范圍。
此外，上面提及的電壓和電流的條件都必須被滿足。
此外，在外部電源10是諸如二次電池之類(lèi)的輔助電源并且輔助 電源的電壓超過(guò)上述范圍的情況下，例如通過(guò)使用諸如DC/DC轉(zhuǎn)換 器之類(lèi)的電壓調(diào)節(jié)單元，使得能夠進(jìn)行控制。
或許由于質(zhì)子的移動(dòng)量大，通過(guò)氫生成而允許流過(guò)的電流表現(xiàn)出 峰值，從而聚合物電解質(zhì)膜中夾帶的水變得不足。
因此，通過(guò)使用通過(guò)氫生成而允許流過(guò)的電流從其初始量的減小 量作為閾值，能夠更理想地控制外部電源。
此外，為了通過(guò)氫生成反應(yīng)，允許等于或大于極限電流的電流通 過(guò)燃料電池單元，聚合物電解質(zhì)膜必須充分含水。
圖6示出燃料電池單元的內(nèi)阻和通過(guò)氫的產(chǎn)生而允許流過(guò)的電 流的峰值之間的關(guān)系。聚合物電解質(zhì)膜的含水量越大，就展示越小的 內(nèi)阻。此外，按照?qǐng)D6,內(nèi)阻越小，通過(guò)氬的產(chǎn)生而允許流過(guò)的電流的最大峰值就越大。這表明氫生成反應(yīng)主要受質(zhì)子的移動(dòng)量的調(diào)節(jié)。
此外，發(fā)現(xiàn)為了相對(duì)于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氧化劑的供給量，允許比燃料電 池表現(xiàn)出的極限電流大的電流通過(guò)氫生成反應(yīng)而流動(dòng)，聚合物電解質(zhì) 膜必須含水到一定程度。為了使聚合物電解質(zhì)膜增加水分，例如，可 以使用增濕單元，所述增濕單元用于供給通過(guò)經(jīng)過(guò)起泡器(bubbler) 等而被增濕的燃料氣體。
此外，更理想的是，在活化處理之前，通過(guò)燃料電池反應(yīng)在氧化 劑電極中產(chǎn)生足量的水，并且聚合物電解質(zhì)膜被充分增濕，隨后執(zhí)行 活化處理。這種情況下，即使聚合物電解質(zhì)膜中夾帶的水因氫生成反 應(yīng)而被減少，氧化劑電極側(cè)的產(chǎn)物水也反向擴(kuò)散，并且也使聚合物電 解質(zhì)膜增濕。
此外，當(dāng)在向氧化劑電極供給氧化劑的狀態(tài)下執(zhí)行活化處理時(shí)， 在氧化劑電極中，同時(shí)發(fā)生由(化學(xué)式2)表示的水生成反應(yīng)和由(化 學(xué)式3)表示的氫生成反應(yīng)。這種情況下，由于在氧化劑電極中產(chǎn)生 的產(chǎn)物水的反向擴(kuò)散，聚合物電解質(zhì)膜能夠被增濕。
此外，希望降低活化處理時(shí)氧化劑的供給量，因?yàn)槟軌驕p少由通 過(guò)在氧化劑電極中產(chǎn)生的氫與氧的催化燃燒引起的不必要發(fā)熱。
此外，圖7示出按照本實(shí)施例的燃料電池的活化處理的例程。
(5701)
在活化處理的開(kāi)始，獲得向燃料電池單元充分供給燃料的狀態(tài)。
(5702)
隨后，確定燃料電池單元的聚合物電解質(zhì)膜是否需要被增濕。 如圖6中所示，在按照本發(fā)明的活化方法中，希望聚合物電解質(zhì)
膜被充分增濕。這里，例如，通過(guò)用AC阻抗計(jì)測(cè)量燃料電池的內(nèi)阻，
可確定聚合物電解質(zhì)膜的含水狀態(tài)。
(5703)
當(dāng)確定內(nèi)阻高且需要增濕時(shí)，通過(guò)與外部負(fù)載連接等，在燃料電 池中執(zhí)行發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)自增濕。當(dāng)內(nèi)阻降低時(shí)，可結(jié)束增濕。當(dāng)然， 當(dāng)一開(kāi)始內(nèi)阻就足夠小時(shí)，增濕不是必需的。此外，可以采用這樣一種結(jié)構(gòu)，其中不執(zhí)行增濕的確定，總是使某一負(fù)載與之連接，通過(guò)執(zhí)
行一定的發(fā)電而產(chǎn)生的水被用于增濕聚合物電解質(zhì)膜。這種情況下， 與聚合物電解質(zhì)膜的含水狀態(tài)無(wú)關(guān)，需要一定量的燃料和時(shí)間來(lái)增 濕。不過(guò)，不需要測(cè)量?jī)?nèi)阻的機(jī)構(gòu)，從而該結(jié)構(gòu)可被用于特別要求小 型化的燃料電池。此外，增濕方法可以是供給通過(guò)起泡器等而被增濕 的氣體的方法，或者通過(guò)提供獨(dú)立的供水單元而直接增濕聚合物電解 質(zhì)膜的方法。
(5704)
需要時(shí)，限制氧化劑的供給。
在本發(fā)明的活化方法中，不需要積極地供給氧化劑。在需要減少 燃料電池單元的發(fā)熱量的情況下，可降低氧化劑的供給量。此外，當(dāng) 在供給氧化劑的狀態(tài)下執(zhí)行活化時(shí)，在氧化劑電極中，同時(shí)發(fā)生水生 成反應(yīng)和氬生成反應(yīng)。因此，還存在使生成的水能夠用于增濕的效果。
(5705)
控制燃料電池的電池單元電壓，以使在氧化劑電極中發(fā)生氫生成
反應(yīng)o
對(duì)于活化處理時(shí)的電壓控制，使用外部電源。例如，使用的外部
電源可以是包括二次電池或電容器、以及包括DC/DC轉(zhuǎn)換器的電壓 調(diào)節(jié)單元的輔助電源。外部電源的正極與燃料電極連接，外部電源的 負(fù)極與氧化劑電極連接，從而執(zhí)行活化處理。
(5706)
當(dāng)在活化處理時(shí)減少氧化劑的供給量時(shí)，執(zhí)行控制，以使以和穩(wěn) 定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的量對(duì)應(yīng)的量供給氧化劑。
(5707)
在活化結(jié)束之后，終止外部電源對(duì)燃料電池的控制。
隨后允許燃料電池開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
(實(shí)施例2)
在實(shí)施例2中，描述按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的大氣開(kāi)放式燃 料電池單元的活化處理的例子，其中供給氫作為燃料，通過(guò)自然擴(kuò)散攝入空氣作為氧化劑。圖11是示出本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 的示意圖。此外，本實(shí)施例的燃料電池單元的結(jié)構(gòu)和實(shí)施例1的相同。
圖11中示出了燃料電池單元20，燃料電極21，聚合物電解質(zhì)膜 22，氧化劑電極23，燃料罐24，外部負(fù)載26，開(kāi)關(guān)27， Li離子電池 28和DC/DC轉(zhuǎn)換器29。
燃料電池單元20和Li離子電池28通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器29互連。 Li離子電池28被構(gòu)造成在燃料電池的活化處理時(shí)，使正極與燃料電 極連接，使負(fù)極與氧化劑電極連接。
燃料電池單元20被安裝在被控制成具有25 。C的溫度和50%的 濕度的環(huán)境測(cè)試設(shè)備中。環(huán)境氣氛中的空氣通過(guò)自然擴(kuò)散被供給氧化 劑電極23。干燥的氫被供給燃料電極21。
首先，通過(guò)使燃料電池單元20與外部負(fù)栽26連接，驅(qū)動(dòng)燃料電 池單元20,從而通過(guò)在氧化劑電極23中產(chǎn)生的水的反向擴(kuò)散特征， 增濕聚合物電解質(zhì)膜22。
接下來(lái)，為了執(zhí)行活化，控制開(kāi)關(guān)27，以使燃料電池單元20的 氧化劑電極23與Li離子電池28的負(fù)極連接，燃料電池單元20的燃 料電極21與Li離子電池28的正極連接?？刂艱C/DC轉(zhuǎn)換器29，以 使相對(duì)于燃料電池單元的燃料電極21的電位，燃料電池單元的氧化 劑電極23的電位為-0.5伏。作為具有低輸出電壓的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換 器，提供例如由Aivaka US制造的AV2102。
在氧化劑電極23中，和水生成反應(yīng)一起，發(fā)生氫生成反應(yīng)。因 此，通過(guò)氫的生成，流過(guò)和燃料電池反應(yīng)的極限電流相等或更大的電 流。
當(dāng)在執(zhí)行活化1分鐘之后測(cè)量燃料電池單元20的電流-電壓特性 時(shí)，與未對(duì)其執(zhí)行活化的燃料電池單元相比，能夠在寬的電流范圍內(nèi)
增強(qiáng)燃料電池單元的特性。
此外，在圖11中，示出了其中包括Li離子電池28和DC/DC轉(zhuǎn) 換器29的輔助電源只被用于活化的結(jié)構(gòu)。不過(guò)，可以使用如圖12中 所示的混合結(jié)構(gòu)。圖12示出燃料電池單元20,燃料電極21，聚合物電解質(zhì)膜22，氧化劑電極23，燃料罐24，外部負(fù)載26,開(kāi)關(guān)27， Li 離子電池28和電壓調(diào)節(jié)器30。
這種情況下，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)27被轉(zhuǎn)向A側(cè)，從而允 許燃料電池單元20和Li離子電池28相互并行地向外部負(fù)載26供給 輸出。當(dāng)Li離子電池28的電壓不同于燃料電池單元20的電壓時(shí)， 只要通過(guò)諸如DC/DC轉(zhuǎn)換器之類(lèi)的電壓調(diào)節(jié)器30執(zhí)行降壓就足夠 了。
在燃料電池單元20的活化處理時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)27纟皮轉(zhuǎn)向B側(cè)。 結(jié)果，使燃料電池單元20的氧化劑電極23與Li離子電池的負(fù)極連 接，燃料電池單元20的燃料電極21與Li離子電池28的正極連接。 此外，施加于燃料電池單元20的電壓的大小由電壓調(diào)節(jié)器30調(diào)節(jié)。
此時(shí)，包括Li離子電池28和電壓調(diào)節(jié)器30的輔助電源可保持 與外部負(fù)載26連接，或者可與外部負(fù)載26斷連。例如，可以采用這 樣的結(jié)構(gòu)，其中在輔助電源和外部負(fù)載26之間插入開(kāi)關(guān)，而開(kāi)關(guān)通 常處于接通狀態(tài)，從而保持輔助電源和外部負(fù)栽26之間的連接，在 燃料電池的活化處理時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，從而取消輔助電源和外部負(fù)載26 之間的連接。
上面提及的結(jié)構(gòu)使得能夠進(jìn)行燃料電池單元的活化。 (實(shí)施例3)
在實(shí)施例3中，描述按照本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的大氣開(kāi)放式燃 料電池單元的活化處理的例子，其中供給氫作為燃料，攝入空氣作為 氧化劑。圖13是示出按照本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。 此外，按照本實(shí)施例的燃料電池單元的結(jié)構(gòu)和實(shí)施例1的相同。
圖13中示出了燃料電池單元20,燃料電極21，聚合物電解質(zhì)膜 22,氧化劑電極23，燃料罐24,外部負(fù)載26，開(kāi)關(guān)27， Li離子電池 28, DC/DC轉(zhuǎn)換器29和氧化劑量調(diào)節(jié)器31。
氧化劑量調(diào)節(jié)器31具有使在燃料電池單元20的活化處理時(shí)的氧 化劑的供給量小于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的供給量的機(jī)構(gòu)。作為該機(jī)構(gòu)，提供如 圖14或15中示出的結(jié)構(gòu)。在圖14中，風(fēng)扇32充當(dāng)氧化劑量調(diào)節(jié)器31。風(fēng)扇32被安裝在 發(fā)泡金屬46的側(cè)面上，所述發(fā)泡金屬46的側(cè)面構(gòu)成燃料電池單元20 的空氣攝入面。在燃料電池單元20穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，與沒(méi)有風(fēng)扇的情況 相比，通過(guò)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇32，向氧化劑電極23供給較大量的空氣。此外， 當(dāng)風(fēng)扇32未被驅(qū)動(dòng)時(shí)，風(fēng)扇32阻止空氣的攝入，從而使空氣的攝入 量小于無(wú)風(fēng)扇情況下的攝入量。注意，集電器(燃料電極)用附圖標(biāo)記 40表示，集電器(氧化劑電極)用附圖標(biāo)記47表示。
此外，在均具有如圖15中所示的通風(fēng)孔35的兩個(gè)通風(fēng)板中，在 發(fā)泡金屬46的每個(gè)側(cè)面可布置一個(gè)固定的通風(fēng)板33和另 一個(gè)可活動(dòng) 的通風(fēng)板34。通過(guò)滑動(dòng)可活動(dòng)的通風(fēng)板34，改變通風(fēng)孔的打開(kāi)/關(guān)閉 程度，從而改變空氣攝入面的面積。由于空氣攝入面的面積的改變， 氧化劑的供給量被改變。
類(lèi)似于實(shí)施例2，燃料電池單元20通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器29與Li 離子電池28連接。Li離子電池28被構(gòu)造成在燃料電池的活化處理時(shí)， 使正極與燃料電極連接，以及使負(fù)極與氧化劑電極連接。
燃料電池單元20被安裝在被控制為具有25 。C的溫度和50%的 濕度的環(huán)境測(cè)試設(shè)備中。環(huán)境氣氛中的空氣通過(guò)自然擴(kuò)散被供給到氧 化劑電極23。干燥的氫被供給燃料電極21。
首先，和例1的情況一樣地驅(qū)動(dòng)燃料電池單元20，從而通過(guò)氧 化劑電極23中產(chǎn)生的水的反向擴(kuò)散特征，增濕聚合物電解質(zhì)膜22。 這種情況下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)充當(dāng)氧化劑量調(diào)節(jié)器31的風(fēng)扇以攝入大量的氧 化劑時(shí)，燃料電池反應(yīng)所引起的電流可以較大，從而氧化劑電極23 中的產(chǎn)物水的量增大。另一方面，當(dāng)執(zhí)行調(diào)節(jié)以使通過(guò)停止驅(qū)動(dòng)作為 氧化劑量調(diào)節(jié)器31的風(fēng)扇減少氧化劑的攝入量時(shí)，能夠抑制氧化劑 電極中的發(fā)熱。
在增濕燃料電池之后，為了執(zhí)行活化，控制開(kāi)關(guān)27,以使燃料 電池單元20的氧化劑電極與Li離子電池28的負(fù)極連接，并且燃料 電池單元20的燃料電極與Li離子電池28的正極連接。控制DC/DC 轉(zhuǎn)換器29，以使相對(duì)于燃料電池單元20的燃料電極21的電位，氧化劑電極23的電位為-0.5伏。此外，這種情況下，驅(qū)動(dòng)氧化劑量調(diào)節(jié)器 31，以減少氧化劑的供給量。
在燃料電池中，氧化劑電極的電位和燃料電極的電位的電平被反 轉(zhuǎn)，從而在氧化劑電極23中，發(fā)生水生成反應(yīng)和氫生成反應(yīng)。在驅(qū) 動(dòng)氧化劑量調(diào)節(jié)器31并且保持小的空氣攝入量的情況下，在水生成 反應(yīng)中，現(xiàn)有的氧被消耗，從而導(dǎo)致氧化劑的不足。
因此，水生成反應(yīng)(即，在燃料電池反應(yīng)中流動(dòng)的極限電流)變 得極小。另一方面，在氫生成反應(yīng)中流動(dòng)的電流對(duì)應(yīng)于從燃料電極21 移動(dòng)通過(guò)聚合物電解質(zhì)膜22的質(zhì)子的量。因此，與氧化劑的供給量 無(wú)關(guān)，能夠允許流過(guò)大的電流。于是，因氫生成的緣故，流過(guò)與燃料 電池反應(yīng)的極限電流相等或更大的電流。
當(dāng)執(zhí)行上面提及的活化處理時(shí)，與其中不執(zhí)行活化的燃料電池單 元20相比，能夠在寬的電流范圍中增強(qiáng)燃料電池單元的特性。此外， 用作氧化劑的空氣的量被減少，從而與供給較大量空氣的情況相比， 能夠抑制活化處理時(shí)的發(fā)熱量。對(duì)要求抑制活化處理時(shí)的發(fā)熱的情況 來(lái)說(shuō)，例如，對(duì)與輸出的大小相比熱輻射量小的燃料電池單元來(lái)說(shuō)， 該實(shí)施例是優(yōu)選的。
(實(shí)施例4)
在實(shí)施例4中，描述大氣開(kāi)放式燃料電池組的活化處理的例子， 其中供給氫作為燃料，并且通過(guò)自然擴(kuò)散攝入空氣作為氧化劑。圖16 示出本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意結(jié)構(gòu)。此外，本實(shí)施例的燃料電 池組的結(jié)構(gòu)是通過(guò)堆疊4個(gè)按照實(shí)施例1的燃料電池單元獲得的。
圖16中示出了燃料電池組36，燃料電池單元20，燃料電極21， 聚合物電解質(zhì)膜22，氧化劑電極23，外部負(fù)載26，開(kāi)關(guān)27， Li離子 電池28，電壓調(diào)節(jié)器30。
類(lèi)似于實(shí)施例2，燃料電池組36具有混合結(jié)構(gòu)，在所述混合結(jié) 構(gòu)中，燃料電池組36通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器30與Li離子電池28連接。
這種情況下，在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)27被轉(zhuǎn)向A側(cè)，從而允 許燃料電池組36和Li離子電池28相互并行地向外部負(fù)栽26供給輸出。當(dāng)Li離子電池28的電壓不同于燃料電池組36的電壓時(shí)，借助 諸如DC/DC轉(zhuǎn)換器之類(lèi)的電壓調(diào)節(jié)器30執(zhí)行升壓或降壓就足夠了 。 在燃料電池組36的活化處理時(shí)，開(kāi)關(guān)27被轉(zhuǎn)向B側(cè)，從而使 燃料電池組36的輸出端子中，氧化劑電極側(cè)的輸出端子與Li離子電 池28的負(fù)極連接，燃料電極21側(cè)的輸出端子與Li離子電池28的正 極連接。此外，對(duì)燃料電池組36施加的電壓的大小由電壓調(diào)節(jié)器30 調(diào)節(jié)。
這種情況下，在活化處理時(shí)，控制電壓調(diào)節(jié)器30，以使燃料電 池組的每個(gè)燃料電池單元的電壓為-0.3伏。即，就其中堆疊4個(gè)燃料 電池單元的燃料電池組來(lái)說(shuō)，在活化處理時(shí)，在燃料電池組的兩個(gè)端 子之間施加1.2伏的電壓，同時(shí)燃料電極的電位和氧化劑電極的電位 的電平被反轉(zhuǎn)。
這種情況下，包括Li離子電池28和電壓調(diào)節(jié)器30的輔助電源 可保持與外部負(fù)載26連接，或者可與外部負(fù)載26斷連。例如，可以 采用這樣的結(jié)構(gòu)，其中在輔助電源和外部負(fù)載26之間布置開(kāi)關(guān)，在 燃料電池的活化處理時(shí)，輔助電源和外部負(fù)載26之間的連接被取消。 可替換地，同樣在活化處理時(shí)，輔助電源和外部負(fù)載26之間的連接 被保持，從而從輔助電源向外部負(fù)載供電。
燃料電池組36被安裝在被控制成具有25 。C的溫度和50%的濕 度的環(huán)境測(cè)試設(shè)備中。環(huán)境氣氛中的空氣通過(guò)自然擴(kuò)散被供給氧化劑 電極23。干燥的氫被供給燃料電極21。
當(dāng)在增濕燃料電池組36之后執(zhí)行活化處理時(shí)，與燃料電池反應(yīng) 的極限電流相等或更大的電流流過(guò)燃料電池組36的每個(gè)燃料電池單 元。
通常，估計(jì)在燃料電池組中，由于燃料電池單元間空氣攝入量的 變化，導(dǎo)致極限電流的變化，并且活化條件得不到滿足。在本實(shí)施例 中，通過(guò)流過(guò)值比最大極限電流值大的電流，執(zhí)行活化。
(實(shí)施例5)
在實(shí)施例5中，描述按照本發(fā)明的又一實(shí)施例的大氣開(kāi)放式燃料
21電池組的活化處理的例子，其中供給氫作為燃料，通過(guò)自然擴(kuò)散攝入
空氣作為氧化劑。圖17示出按照本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的 示意圖。此外，本實(shí)施例的燃料電池組的結(jié)構(gòu)是通過(guò)堆疊多個(gè)按照實(shí) 施例1的燃料電池單元獲得的。
圖17中示出了燃料電池組36，燃料電池單元20，燃料電極21, 聚合物電解質(zhì)膜22，氧化劑電極23，外部負(fù)載26，開(kāi)關(guān)27, Li離子 電池28和DC/DC轉(zhuǎn)換器29。
類(lèi)似于實(shí)施例2，燃料電池組36通過(guò)諸如DC/DC轉(zhuǎn)換器29之 類(lèi)的電壓調(diào)節(jié)器與Li離子電池28連接。在實(shí)施例4中，在燃料電池 組36的兩個(gè)端子之間施加電壓。這種情況下，存在在燃料電池單元 間造成電壓差的可能性。關(guān)于這一點(diǎn)，在本實(shí)施例中，在燃料電池組 36的每個(gè)燃料電池單元的兩個(gè)電極之間施加電壓。這種情況下，在活 化處理時(shí)，控制DC/DC轉(zhuǎn)換器29，以使相對(duì)于燃料電極的電位，燃 料電池組36的每個(gè)燃料電池單元的氧化劑電極的電位為-0.5伏。
燃料電池組36被安裝在^皮控制成例如具有25。C的溫度和50。/o的 濕度的環(huán)境測(cè)試設(shè)備中。環(huán)境氣氛中的空氣通過(guò)自然擴(kuò)散被供給氧化 劑電極23。干燥的氬被供給燃料電極21。
首先，通過(guò)使燃料電池組36與外部負(fù)栽26連接，驅(qū)動(dòng)燃料電池 組36,從而通過(guò)在氧化劑電極23中產(chǎn)生的水的反向擴(kuò)散特征，增濕 聚合物電解質(zhì)膜22。這種情況下，在開(kāi)關(guān)27中，符號(hào)A表示的開(kāi)關(guān) 處于斷連狀態(tài)，符號(hào)B表示的開(kāi)關(guān)處于連接狀態(tài)。
隨后，為了執(zhí)行活化，開(kāi)關(guān)27中的開(kāi)關(guān)A處于連接狀態(tài)，開(kāi)關(guān) 27中的開(kāi)關(guān)B處于斷連狀態(tài)。當(dāng)執(zhí)行活化處理時(shí)，與燃料電池反應(yīng) 的極限電流相等或更大的電流流過(guò)燃料電池組36的每個(gè)電池單元。
通常，在燃料電池組中，估計(jì)由于燃料電池單元間空氣攝入量的 變化，造成極限電流的變化，并且活化條件得不到滿足。在本實(shí)施例 中，即使存在燃料電池單元間的極限電流的變化時(shí)，也能夠允許大于 極限電流的電流流過(guò)所有燃料電池單元。此外，與實(shí)施例4相比，能 夠執(zhí)行不受燃料電池單元間的變化影響的可靠的活化處理。下面，描述本發(fā)明的例子。 (例1)
例1中，描述大氣開(kāi)放式燃料電池單元的活化處理的例子，其中
供給氫作為燃料，通過(guò)自然擴(kuò)散攝入空氣作為氧化劑。圖8是示出按 照本例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖9是按照本例的燃料電池 單元的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖8中示出了燃料電池單元20,燃料電極21，聚合物電解質(zhì)膜 22，氧化劑電極23,燃料罐24，外部電源25，諸如電子設(shè)備之類(lèi)的 外部負(fù)載26,和開(kāi)關(guān)27。
圖9中示出了膜電極組件43 ，碳布41和45 ，集電器(燃料電極)40 ， 集電器(氧化劑電極)47，密封材料42，發(fā)泡金屬46和支承件44。
在本例中，制造如下所述的燃料電池單元。
首先，向1克的鉑黑粉末中加入1.5 cc由DuPont生產(chǎn)的Nafion 乙醇溶液，以與其混合從而制備催化劑漿料。把所得物展開(kāi)且涂布在 PTFE片上，從而獲得催化劑層。這種情況下，單位面積的催化劑層 的栽鉑量約為5毫克/平方厘米。
隨后，通過(guò)熱壓，催化劑層被轉(zhuǎn)印到聚合物電解質(zhì)膜Nafion112 (DuPont制造)的兩側(cè)，且去除PTFE片，從而獲得膜電極組件。制得 的膜電極組件的催化劑層的面積約為2平方厘米。
在本例的燃料電池單元20中，在把膜電極組件43夾在中間的同 時(shí)，在燃料電極側(cè)布置集電器40、碳布41和密封材料42，在氧化劑 電極側(cè)布置碳布45、發(fā)泡金屬46、支承件44和集電器47。這種情況 下，碳布41和45是氣體擴(kuò)散層，而發(fā)泡金屬46是用于從燃料電池 單元的側(cè)面攝入空氣的流路形成構(gòu)件。此外，支承件44與密封材料 42對(duì)置，并且均勻地對(duì)密封材料施加緊固壓力，從而確保燃料電極的 密封。此外，集電器40，密封材料42，膜電極組件43，支承件44和 集電器47具有螺栓孔。這些構(gòu)件被相互堆疊，同時(shí)相對(duì)于彼此被定 位，而集電器40和47由螺栓和絕緣件(未示出)緊固和絕緣。
制造的燃料電池單元20被安裝在被控制成具有25 。C的溫度和50。/。的濕度的環(huán)境測(cè)試設(shè)備中。環(huán)境氣氛中的空氣通過(guò)自然擴(kuò)散被供 給氧化劑電極23，而干燥的氫被供給燃料電極21。
首先，通過(guò)按照下述方式控制外部電源25，驅(qū)動(dòng)燃料電池單元 20,并通過(guò)在氧化劑電極23中產(chǎn)生的水的反向擴(kuò)散特征，增濕聚合 物電解質(zhì)膜22。在驅(qū)動(dòng)中，以10毫伏/秒的速度從開(kāi)路電壓到0伏往 復(fù)掃描(sweep)燃料電池的相對(duì)電極之間的電壓，并執(zhí)行增濕和以 極限電流通電(electrification )。允許流過(guò)的極限電流的大小約為700 毫安/平方厘米。所述驅(qū)動(dòng)^皮重復(fù)四次。
對(duì)已被增濕的燃料電池單元20，作為活化處理，通過(guò)外部電源 25施加-0.3伏電壓持續(xù)1分鐘，作為氧化劑電極23相對(duì)于燃料電極 21的電位。在活化處理時(shí)，借助開(kāi)關(guān)27，使燃料電池單元20從與外 部負(fù)載26連接切換成與外部電源25連接。
在活化處理時(shí)，在氧化劑電極23中，除了水生成反應(yīng)外，還發(fā) 生氫生成反應(yīng)。因此，允許流過(guò)與燃料電池的極限電流相等或更大的 電流。流過(guò)電流的大小約為1600毫安/平方厘米，且可以允許流過(guò)差 不多為極限電流兩倍的電流。
在圖10中，與其中不執(zhí)行活化處理的燃料電池單元20的特性相 比較，示出了其中執(zhí)行活化處理的燃料電池單元20的特性。在圖10 中，其中執(zhí)行活化處理的燃料電池單元20的電流-電壓特性用附圖標(biāo) 記(a)表示，其中不執(zhí)行活化處理的燃料電池單元20的電流-電壓特性 用附圖標(biāo)記(b)表示。
通過(guò)執(zhí)行活化處理，能夠在寬的電流范圍內(nèi)增強(qiáng)燃料電池單元的特性。
盡管已參考示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，不過(guò)應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不 限于公開(kāi)的示例性實(shí)施例。下述權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解 釋?zhuān)园ㄋ羞@樣的修改及等同的結(jié)構(gòu)和功能。
本申請(qǐng)要求2007年6月14日提出的日本專(zhuān)利申請(qǐng) No.2007-157610的庫(kù)又益，在此通過(guò)引用將其全部?jī)?nèi)容并入。
權(quán)利要求
1、一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池，所述燃料電池通過(guò)分別向設(shè)置在聚合物電解質(zhì)膜的一個(gè)表面上的氧化劑電極供給氧化劑、以及向設(shè)置在聚合物電解質(zhì)膜的另一個(gè)表面上的燃料電極供給燃料，執(zhí)行發(fā)電；和電壓施加電路，用于在氧化劑電極和燃料電極之間施加反極性的電壓，所述電壓足以用于在保持向燃料電極供給燃料的狀態(tài)的同時(shí)在氧化劑電極中引起氫生成反應(yīng)，且用于使比在燃料電池穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的最大電流大的電流通過(guò)。
2、 按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池系 統(tǒng)被供給氫作為燃料。
3、 按照權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)， 其中所述燃料電池包含大氣開(kāi)放式燃料電池，以及 其中所述燃料電池系統(tǒng)被供給空氣作為氧化劑。
4、 按照權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括獨(dú)立于所述燃 料電池設(shè)置的電源，其中，當(dāng)允許通過(guò)比在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電流大的電流時(shí)，所述 電源的正極與燃料電極連接，而所述電源的負(fù)極與氧化劑電極連接。
5、 一種燃料電池的活化方法，所述燃料電池通過(guò)分別向設(shè)置在 聚合物電解質(zhì)膜的一個(gè)表面上的氧化劑電極供給氧化劑、以及向設(shè)置 在聚合物電解質(zhì)膜的另一個(gè)表面上的燃料電極供給燃料，執(zhí)行發(fā)電，所述活化方法包括執(zhí)行活化處理，所述活化處理包括在氧化劑電 極和燃料電極之間施加反極性的電壓，所述電壓足以用于在保持向燃 料電極供給燃料的狀態(tài)的同時(shí)在氧化劑電極中引起氫生成反應(yīng)，且用 于使比在燃料電池穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的最大電流大的電流通過(guò)。
6、 按照權(quán)利要求5所述的燃料電池的活化方法，還包括把活化 處理時(shí)氧化劑電極與燃料電極之間的電位差控制在從0伏到在燃料電 極中發(fā)生水電解反應(yīng)的電壓的范圍內(nèi)。
7、 按照權(quán)利要求5所述的燃料電池的活化方法，還包括將活化 處理時(shí)的電流的大小控制為等于或小于在氧化劑電極的電位相對(duì)于 燃料電極的電位處于-0.3伏~-0.7伏范圍內(nèi)的情況下導(dǎo)致流過(guò)的電流 的最大值。
8、 按照權(quán)利要求5所述的燃料電池的活化方法，其中在活化處 理時(shí)的氧化劑電極中，同時(shí)發(fā)生通過(guò)燃料電池反應(yīng)的水的生成和氫生 成反應(yīng)。
9、 按照權(quán)利要求5所述的燃料電池的活化方法，還包括在執(zhí)行 活化處理之前，增濕聚合物電解質(zhì)膜。
10、 按照權(quán)利要求9所述的燃料電池的活化方法，其中聚合物電 解質(zhì)膜的增濕是利用燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生的水的增濕。
11、 按照權(quán)利要求5所述的燃料電池的活化方法，其中與穩(wěn)定運(yùn) 轉(zhuǎn)時(shí)相比，活化處理時(shí)的氧化劑的供給量^J咸小。
12、 按照權(quán)利要求11所述的燃料電池的活化方法，其中氧化劑 量調(diào)節(jié)設(shè)備被中斷，以便減小氧化劑的供給量。
13、 按照權(quán)利要求11所述的燃料電池的活化方法，其中改變氧 化劑攝入部分的面積，以便減小氧化劑的供給量。
14、 按照權(quán)利要求5所述的燃料電池的活化方法，其中在活化處 理時(shí)，使獨(dú)立于燃料電池設(shè)置的電源的正極與燃料電極連接，而所述 電源的負(fù)極與氧化劑電極連接。
15、 一種燃料電池的制造方法，所述燃料電池通過(guò)分別向設(shè)置在 聚合物電解質(zhì)膜的一個(gè)表面上的氧化劑電極供給氧化劑、以及向設(shè)置 在聚合物電解質(zhì)膜的另一個(gè)表面上的燃料電極供給燃料，執(zhí)行發(fā)電，所述制造方法包括在氧化劑電極和燃料電極之間施加反極性的 電壓，所述電壓足以用于在保持向燃料電極供給燃料的狀態(tài)的同時(shí)在 氧化劑電極中引起氫生成反應(yīng)，且用于使比在燃料電池穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn) 生的最大電流大的電流通過(guò)。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)與燃料電池的活化方法，其中控制電池單元電壓，以在氧化劑電極中引起發(fā)生氫生成反應(yīng)，從而允許與質(zhì)子的移動(dòng)量對(duì)應(yīng)的電流流過(guò)燃料電池，該電流大于擴(kuò)散極限電流。結(jié)果，與氧化劑的供給量無(wú)關(guān)，允許流過(guò)比燃料電池反應(yīng)的極限電流大的電流。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101682062SQ20088001940
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者山本潤(rùn) 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社