[发明专利]燃料电池系统和用于控制燃料电池系统的方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，更具体地涉及利用余留在每个燃料电池 中的阳极气体或在以非常低的速率从封闭的阳极通道连续排出阳极废 气的同时运行的燃料电池系统。本发明还涉及控制这种燃料电池系统的 方法。

背景技术

例如，公开的PCT申请08-500931(JP-T-08-500931)的日文译文、 日本专利申请公开2005-32652(JP-A-2005-32652)、2005-19331 (JP-A-2005-19331)和2005-166498(JP-A-2005-166498)描述了燃料 电池系统(循环型燃料电池系统)，其中循环作为已经在燃料电池中使 用的阳极气体的阳极废气，以利用余留在阳极废气中的任何未反应的 氢。在这种循环型燃料电池系统中，通过每个燃料电池的电解质膜进入 阳极的氮也与阳极气体一起循环，并且该氮在燃料电池运行期间累积在 阳极气体的循环通道中。因此，设置排放阀以有助于将氮从循环通道中 排出。因此，通过适当地控制该排放阀，可以排出累积在循环通道中的 氮，从而恢复供给至燃料电池的阳极气体中的氢浓度。

然而，因为氮均匀地分散在循环通道中的阳极气体中，所以如果操 作排放阀以排出大量的氮，则大量的氢也会与氮一起排出。即使通过降 低阳极气体中的氮浓度增加燃料电池系统的发电效率，氢的浪费也直接 导致整个系统的燃料经济性降低。同样，阳极气体中氮浓度可降低的程 度存在限制，因此，这种发电效率的提高有限。

同时，存在循环型燃料电池系统，其中利用在燃料电池中余留的阳 极气体和供给到燃料电池以补充发电所用的阳极气体的另外阳极气体， 在每个燃料电池处发电(闭端型燃料电池系统)。此外，还有正在开发 的燃料电池系统，其中在以非常低的速率从封闭的阳极气体通道排出阳 极废气的同时在每个燃料电池处发电(“连续低速率排放型燃料电池系 统”)。

在闭端型燃料电池系统和连续低速率排放型燃料电池系统中，氮也 通过每个燃料电池中的电解质膜进入阳极，如在循环型燃料电池系统中 一样。然而，在闭端型燃料电池系统和连续低速率排放型燃料电池系统 中，通过电解质膜进入阳极的氮分散不均，而是，氮累积在阳极的下游 侧。因此，在闭端型燃料电池系统中，如果在阳极的下游部分中已累积 足量的氮之后打开排放阀，则一次排出大量的氮而不浪费氢。同时，在 连续低速率排放型燃料电池系统中，累积在阳极下游部分的氮可以从封 闭的阳极气体通道中逐渐排出。这样，在闭端型燃料电池系统和连续低 速率排放型燃料电池系统中，可以保持阳极气体中的低氮浓度，因此可 以获得高的发电效率。

每个燃料电池的电解质膜需要水分子以使得氢离子能够在其中移 动，因此，只有在电解质膜足够潮湿时，电解质膜才表现出高的氢离子 传导性。为此，如果电解质膜因燃料电池中水分不足而未充分水合，则 传导性降低，这显著降低燃料电池的发电性能。因此，为了保持高的发 电性能，保持每个燃料电池内部充分潮湿是重要的。

在每个燃料电池的阴极侧，由从阳极移动穿过电解质膜的氢离子和 阴极气体中的氧产生水，并且该水的一部分穿过电解质膜移动到阳极。 因此，如果该水可以分散到整个阳极中，则可以将阳极的整个部分水合 至合适的程度。

如果在每个燃料电池的阳极气体通道中存在阳极气体流，则阳极气 体流携带水，所以水分散到整个阳极。然而，在上述闭端型燃料电池系 统和连续低速率排放型燃料电池系统的情形中，阳极气体通道中的阳极 气体流动非常弱，尤其是在阳极下游部分中基本没有气体流动。因此， 在这种燃料电池系统中，水可能未充分地分散在每个燃料电池的阳极 中，导致阳极未均匀地水合。如果每个燃料电池的阳极的一些部分水合 不充分，则在阳极的所述部分处阳极反应不能适当地进行，使燃料电池 的发电性能劣化，并且不利地影响燃料电池的电解质膜的耐久性。

发明内容

本发明涉及用于利用保留在每个燃料电池中的阳极气体运行或在 以非常低的速率从封闭的阳极气体通道中排出阳极废气的同时运行的 燃料电池系统的技术，该技术防止燃料电池系统的发电性能劣化和每个 燃料电池的电解质膜的耐久性降低，这些问题可以由每个燃料电池的阳 极的干燥而引起。