[发明专利]燃料电池系统及其运转方法

说明书

技术领域

本发明涉及负极(anode)气体非循环型的燃料电池系统及其运转方法。

背景技术

下述专利文献1所公开的以往的负极气体非循环型燃料电池系统具备层叠多个燃料电池单元[fuel cells]而构成的燃料电池堆[fuel cell stack]，具备氢罐、供给切断阀以及压力调节阀作为对该燃料电池堆供给负极气体的供给系统。另外，具备存留罐(缓冲罐)、排出切断阀(净化阀)作为从燃料电池堆排出负极排出气体的排出系统。

在上述燃料电池系统中，设定向燃料电池堆的负极气体的供给量少的第一控制状态和供给量多的第二控制状态，重复第一控制状态和第二控制状态来使负极气体的供给压力脉动。其结果，抑制杂质蓄积在一部分燃料电池单元中，并且将负极排出气体排出到存留罐。

专利文献1：日本特开2008-97966号公报

发明内容

一般来说，在负极气体非循环型燃料电池系统中，当系统长时间停止时，有在燃料电池堆内部残留大量的杂质气体[impurity gas](主要为氮气)的趋势。当在电池堆内部残留有大量的杂质气体的状况下启动燃料电池系统时，随着燃料电池堆内部被置换为氢气，残留杂质气体被排出到缓冲罐，缓冲罐内的残留杂质气体(氮气)浓度变高。

因此，当在系统启动时使负极气体供给压力脉动时，存在以下的情况：在供给压力下降时高浓度的杂质气体(氮气)从缓冲罐反向流动至燃料电池堆内。其结果，存在以下的问题：在燃料电池堆的作用区域(发电区域)的负极气体出口侧处氢分压不足而燃料电池单元电压降低，或者在最坏的情况下，燃料电池单元劣化。

本发明的目的在于提供一种能够在负极气体非循环型燃料电池系统启动时确保燃料电池堆内的氢气浓度并去除杂质气体的燃料电池系统的运转方法。

本发明的第一特征提供了一种负极气体非循环型的燃料电池系统，其特征在于，具备：燃料电池堆，其是层叠多个燃料电池单元而构成的；缓冲罐，其用于将从上述燃料电池堆排出的负极排气所包含的杂质气体排出到外部；杂质气体浓度检测部，其检测上述缓冲罐的内部的杂质气体浓度；以及负极气体供给器，其向上述燃料电池堆供给负极气体，其中，在利用上述负极气体供给器使供给压力脉动来将上述燃料电池堆内的杂质气体加压输送至上述缓冲罐时，根据由上述杂质气体浓度检测部检测出的上述缓冲罐内的杂质气体浓度，利用上述负极气体供给器使供给负极气体时的脉动压力和脉动周期中的至少一方发生变化，来进行启动控制。

本发明的第二特征提供了一种燃料电池系统的运转方法，该燃料电池系统具备层叠多个燃料电池单元而构成的燃料电池堆以及用于将从上述燃料电池堆排出的负极排气所包含的杂质气体排出到外部的缓冲罐，并且该燃料电池系统是具有通过使对上述燃料电池堆供给的负极气体的供给压力脉动来将上述燃料电池堆内的杂质气体加压输送至上述缓冲罐的构造的负极气体非循环型的燃料电池系统，上述燃料电池系统还具备检测上述缓冲罐的内部的杂质气体浓度的杂质气体浓度检测器，在该燃料电池系统的运转方法中，进行以下的启动控制：根据由上述杂质气体浓度检测器检测出的上述缓冲罐内的杂质气体浓度，使供给至上述燃料电池堆的负极气体的脉动压力和脉动周期中的至少一方发生变化。

附图说明

图1是负极气体非循环型的燃料电池系统的实施方式的结构图。

图2是燃料电池单元的分解平面图。

图3是燃料电池单元的平面图。

图4是燃料电池系统的运转方法的实施方式的流程图。

图5是表示负极流路中的氮气浓度的时间变化的图表。

图6是用于求出脉动压力的基本对应表。

图7是用于求出脉动压力的校正对应表。

图8是用于求出脉动周期的对应表。

图9中，(a)是表示脉动压力控制下的时间-负极气体供给压力的关系的图表，(b)是表示脉动压力控制下的时间-堆温度的关系的图表、(c)是表示脉动压力控制下的时间-缓冲罐内氮气浓度的关系的图表，以及(d)是表示脉动压力控制下的时间-堆内氮气浓度的关系的图表。

图10中，(a)是表示脉动周期控制下的时间-负极气体供给压力的关系的图表，(b)是表示脉动周期控制下的时间-堆温度的关系的图表，(c)是表示脉动周期控制下的时间-缓冲罐内氮气浓度的关系的图表，以及(d)是表示脉动周期控制下的时间-堆内氮气浓度的关系的图表。