[发明专利]燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过电化学反应产生电能的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池系统供给如氢的燃料气体和包含氧气的氧化气体，并通过燃料气体和氧化气体之间在电解质膜处的电化学反应产生电能。这类燃料电池中的一种燃料电池包括相互堆叠的多个单元电池。每个单元电池形成有电解质膜以及阳极和阴极，该电解质膜位于阳极和阴极之间。

在该燃料电池系统中，当燃料电池停止时，氮气等被从阴极传输到阳极。因此，在燃料电池启动前，氢气被供给到阳极以用氢气置换阳极中的气体(“氢置换过程”)(例如，公开号为2004-139984的日本专利申请)。燃料电池系统检测从燃料电池中排出的废气中的氢浓度，并基于检测到的在启动燃料电池时的氢浓度来确定氢置换过程是否完成。

根据上述燃料电池系统，通过基于从燃料电池排出的废气来确定氢置换过程是否完成，当阳极中的气体大部分被氢气置换时燃料电池能够开始发电。然而，在该燃料电池中，多个单元电池相互堆叠，氢供给通道在单元电池的堆叠方向上延伸，氢被供给到氢供给通道的入口附近的单元电池的时间与氢被供给到距入口最远的单元电池的时间是不同的。当距入口最远的单元电池中的氢置换过程没有完成时，入口附近的单元电池中的氢置换过程可能完成了。因此，很难基于来自燃料电池的废气来检测所有单元电池中的氢置换过程完成的时间。因此，即使在氢置换过程完成后，也可能供给过量的氢气，或在供给足量的氢气之前发电过程可能就开始了。

在另一燃料电池系统中，在燃料电池发电过程中，从燃料电池排出的阳极废气被再循环到燃料电池以便再利用阳极废气中所含的氢(例如，公开号为2004-185974的日本专利申请)。该燃料电池系统中，减少了排到系统外部的氢气。此外，在其他燃料电池系统中，在燃料电池的发电过程期间停止阳极废气的排出，以在发电过程中利用更多的供给到燃料电池的氢气，从而减少了从系统排出的氢气。

这些燃料电池系统中，因为氮气经由电解质膜从阴极侧传输到阳极侧，所以在阳极侧氮浓度增加而氢浓度下降，因此发电效率也下降。为了解决这些问题，可以设置出口阀以将用于再循环的氢气或阳极废气排出到该系统外部，并且可以定期开启所述出口阀以将氢气中所含的氮气排出。

但是，如果打开出口阀，则氢会同氮气一起被排出。因此，如果出口阀打开过量，则燃料电池系统的发电效率降低。因此，期望在减少氢气的排出的同时排出氮气。但是，因为在阳极废气的出口附近处废气的流动变慢，尤其是在当停止从燃料电池排出阳极废气时，所以很难检测每个单元电池中的氢浓度。因此，有时过量的氢气被排出。

发明内容

本发明提供了一种燃料电池系统，其包括具有相互堆叠的多个单元电池的燃料电池。燃料电池系统更加准确地检测出氢置换过程完成的时间，或氮气的排出完成的时间等，从而减少了过量的氢的排出。

本发明集中于检测氢气的浓度的位置。本发明的第一方案提供了一种包括燃料电池的燃料电池系统，该燃料电池包括相互堆叠的多个单元电池；第一和第二端板，第一和第二端板之间插入所述多个单元电池；供气通道，其在所述多个单元电池的堆叠方向上延伸，将气体供给到所述多个单元电池的每一个，并且具有在第一端板侧上的入口；及排气通道，从所述多个单元电池排出的气体流经排气通道，并且排气通道具有在第一端板侧上的出口。燃料电池系统进一步包括氢供给装置，其用于通过供气通道将氢气供给到燃料电池中的所述多个单元电池；氢浓度传感器，其设置在排气通道中，检测从所述多个单元电池排出的气体中的氢浓度；及发电控制装置，其基于由氢浓度传感器检测到的氢浓度来控制燃料电池中的发电过程。

根据本发明的第一方案的燃料电池系统中，供给到单元电池的氢气所流入的供气通道的入口和从单元电池排出的气体所流出的排气通道的出口均位于第一端板侧。燃料电池组由插入第一端板和第二端板之间的多个堆叠的电池形成。此外，通过在形成于电池组中的排气通道中设置氢浓度传感器来准确地检测到形成燃料电池组的每一个单元电池的氢的供给。而且，燃料电池的时间控制能够更加的适当，减少了过量的氢气的排出。此外，因为氢浓度传感器设置在燃料电池组中，所以该系统避免了由于燃料电池中执行的各种过程导致氢气不再位于氢浓度传感器的周围的情况。因此，通过发电控制装置控制的发电过程不太可能被中断。

氢浓度传感器可位于排气通道中在第二端板附近。通过将氢浓度传感器置于该位置，能够更准确地检测在堆叠的单元电池的底部存在的氢气。