[发明专利]燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有燃料电池的燃料电池系统。

背景技术

在通过含有氢的燃料气体和氧化气体的电化学反应来进行发电的燃料电池系统中，周知有下述技术：为了将阳极废气中含有的氢有效地用于发电，使该阳极废气循环到燃料电池的阳极侧以实现氢的再利用。在该氢循环方式的燃料电池系统中，从阴极侧透过燃料电池的电解质膜而来的氮、燃料气体中含有的杂质等蓄积在燃料电池的阳极电极侧，使氢分压降低，从而导致燃料电池的发电效率降低，这一点也是周知的。

因此公开有如下技术：为了保持发电效率，在上述用于使阳极废气循环的循环路径中，设置选择性地使阳极废气中含有的氢透过从而使杂质浓缩的电化学单元，且该氢透过的结果是将浓缩的阳极废气中的杂质排出到系统外(例如参照专利文献1-4)。在这些技术中，利用用于进行氢透过的电化学单元上施加的电压值决定将浓缩的杂质排出到系统外的时刻，或以预先确定的规定周期进行该排出。这样一来，通过排出杂质，可提高阳极电极侧的氢分压。

专利文献1：日本特开2006-19120号公报

专利文献2：日本特开2006-19121号公报

专利文献3：日本特开2006-19123号公报

专利文献4：日本特开2006-19124号公报

发明内容

在具有电化学单元的氢循环式燃料电池系统中，阳极电极侧的氢分压的变动较大地取决于燃料电池的运转状态，因此，即使要周期性地将杂质浓缩的阳极废气排出到系统外，其排出时刻也不一定适当，因而可能因氢分压下降导致电化学单元的施加电压的过度上升、氢的无谓排放。

并且，在为了进行氢向燃料电池的阳极电极的循环而持续向电化学单元施加电压的情况下，该电化学单元的入口电极上浓缩的氮等杂质浓度相对于施加持续时间而增加。但与此同时，有效利用的电极面积减少，电化学单元的电阻增加，因此该时间过长时，担心该电化学单元的消消耗电力力增加而削弱在氢循环中进行氢浓缩的益处。

本发明鉴于以上问题而提出，其目的在于提供一种具有电化学单元的氢循环式燃料电池系统，其可在适当的时刻进行杂质浓缩的阳极废气向系统外的排出。

在本发明中，为了解决上述问题，考虑电化学单元的氢透过效率、换言之即氮等杂质的浓缩效率与该电化学单元所消耗的电力量的均衡，进行含有浓缩的杂质的阳极废气的排出。由此，可避免无谓的氢排出，并且在必要时刻将杂质排出到系统外，能够提高燃料电池系统的“能量效率”。

因此，详细地说，本发明是一种燃料电池系统，使含氢的燃料气体为了燃料电池中的电化学反应而供给到燃料电池的阳极电极侧，且具有循环路径以使来自该燃料电池的阳极废气的一部分或全部可再次为了该电化学反应而循环到该燃料电池的阳极电极侧，该燃料电池系统具有：电化学单元，具有隔着电解质膜设置的入口电极及出口电极，连接于上述循环路径以使从上述燃料电池排出的阳极废气的一部分或全部相对于上述入口电极供给，且电流在该入口电极和出口电极之间流动，从而使该阳极废气中含有的氢选择性地透过至该出口电极，并且该电化学单元连接成可使该透过的氢供给到该燃料电池的阳极电极侧；电流控制部，控制上述电化学单元中在上述入口电极和上述出口电极之间流动的电流；排出部，设置在上述电化学单元的入口电极侧，至少将该入口电极内的阳极废气排出到系统外；以及排出控制部，根据规定排出基准控制该排出部排出阳极废气的排出时刻，所述规定排出基准由上述电化学单元中的氢透过所消耗的电力与由上述排出部排出的阳极废气中的氢残留浓度之间的相关决定。

在上述燃料电池系统中，为了使阳极废气中含有的氢循环到燃料电池的阳极电极侧而设置循环路径，并且为了有效进行氢的循环而设置电化学单元。通过该电化学单元，到达入口电极侧的阳极废气中含有的氢能够与在该电化学单元的电极间流动的电流对应而透过到出口电极侧，由此可相对于燃料电池的阳极电极使尽量排出了杂质的氢气循环。

另一方面，电化学单元进行的氢透过的结果是，在其入口电极侧，阳极废气中含有的氮等杂质被浓缩。并且，由于在入口电极上杂质浓度上升时可对电化学单元产生各种不良情况，因此通过上述排出部进行含有浓缩的杂质的阳极废气向系统外的排出。其中，排出部排出阳极废气的排出时刻对燃料电池系统的燃耗改善有很大影响。具体而言，随着继续进行经过循环路径的氢循环，该循环路径、与其相连的燃料电池的阳极电极侧中的氢分压下降，因此燃料电池的发电效率下降。另一方面，如果为了恢复氢分压而进行排出部对阳极废气的排出则可恢复发电效率，但当其频率较快时，会导致无谓的氢排出，造成燃料电池系统的能量浪费。