CN101689660A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种简单和紧凑的燃料电池系统，该燃料电池系统防止燃料电池堆的性能由于杂质的积聚而劣化并且通过减少燃料气体的排放而提高燃料效率。在燃料电池堆(2)中形成有杂质存储段(30)，所述杂质存储段(30)与各电池(20)的阳极气体通路的出口连通并且存储燃料气体中的杂质。杂质存储段(30)的容积优选地大于燃料气体进入歧管(26)的容积。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，其具有由多个电池构成的燃料电池堆。更具体地，本发明涉及一种燃料电池系统，其在实质上使燃料气体限制在燃料电池堆内部的状态下操作，所述燃料气体被每个电池使用以用于发电。
背景技术
例如，如在以下所列专利文献中公开，已知在使燃料气体限制在燃料电池堆内部的状态下操作且供给适量的燃料气体以补偿用于发电消耗的燃料电池系统(总体上称为终端系统(dead-end system))。在操作中，在终端系统的燃料电池堆的各电池的阳极气体通路中积聚有氮和其它杂质。如果这些杂质覆盖MEA的表面，则抑制电极催化剂上的电动反应，导致电压降低。另外，会产生异常电势而导致MEA的劣化。为了避免这些问题并且维持燃料电池堆的足够的性能，必须在合适的时间将在阳极气体通路中积聚的杂质排放到燃料电池堆的外部。
然而，从阳极气体通路排出杂质致使从阳极气体通路排出燃料气体。从而，频繁的排放导致差的燃料效率，因此是不期望的。如果在等到积聚适量的杂质为止之后排出杂质，则可以减少燃料气体的浪费。就是说，虽然在维持燃料电池堆的足够性能方面不期望积聚杂质，但是在提高燃料效率方面可期望地是使排放的频率最小。
专利文献1公开了一种可以满足对立的两个需要的系统，即，防止燃料电池堆的性能由于杂质的积聚而劣化和通过减少燃料气体的排放而提高燃料效率。专利文献1中所公开的系统具有用于存储杂质的存储容器(缓冲器)和布置在存储容器下游的关闭阀，所述存储容器布置在用于从燃料电池堆排出燃料气体的废气的排出管中。通过将燃料气体中的杂质导引到布置在燃料电池堆的外部的存储容器，可以防止阳极气体通路中的杂质的浓度增大，并且通过打开关闭阀可以减小排放的频率。
专利文献1：日本专利特开NO.2005-243477
专利文献2：日本专利特开NO.2006-12553
专利文献3：日本专利特开NO.2005-353569
专利文献4：日本专利特开NO.2005-353303
专利文献5：日本专利特开NO.Hei9-312167
发明内容
然而，专利文献1中所公开的系统需要用于与燃料电池堆分离的存储容器的空间。考虑到燃料电池系统用作诸如汽车的可移动物体的电源，所以燃料电池系统优选地在构造上尽可能简单并且尺寸上尽可能紧凑。
已经设计本发明来解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种简单和紧凑的燃料电池系统，该燃料电池系统防止燃料电池堆的性能由于杂质的积聚而劣化并且通过减少燃料气体的排放而提高燃料效率。
为了获得上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具有燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个电池，所述燃料电池系统在实质上使燃料气体限制在燃料电池堆内部的情况下操作，所述燃料气体被每个电池使用以用于发电，其特征在于，该燃料电池系统具有杂质存储段，用于存储燃料气体中的杂质，所述杂质存储段形成在燃料电池堆内部并与每个电池的阳极气体通路的出口连通。
根据本发明的第二方面，在本发明的第一方面中，燃料电池系统具有连通机构，所述连通机构允许杂质存储段与燃料电池堆的外部连通。
根据本发明的第三方面，在本发明的第一方面或第二方面中，在燃料电池堆内部形成有燃料气体进入歧管，所述燃料气体进入歧管用于将从燃料电池堆的外部供给的燃料气体分配到电池的阳极气体通路，并且杂质存储段的容积大于燃料气体进入歧管的容积。
根据本发明的第四方面，在本发明的第三方面中，在燃料电池堆内部形成有空气进入歧管和空气排出歧管，所述空气进入歧管用于将从燃料电池堆的外部供给的空气分配到电池的阴极气体通路，所述空气排出歧管用于将从电池的阴极气体通路收集的空气排放到燃料电池堆的外部，并且杂质存储段的容积大于燃料气体进入歧管、空气进入歧管和空气排出歧管的容积的总和。
根据本发明的第五方面，在本发明的第四方面中，在燃料电池堆内部形成有冷却剂进入歧管和冷却剂排出歧管，所述冷却剂进入歧管用于将从燃料电池堆的外部供给的冷却剂分配到电池的冷却剂通路，所述冷却剂排出歧管用于将从电池的冷却剂通路收集的冷却剂排放到燃料电池堆的外部，并且杂质存储段的容积大于燃料气体进入歧管、空气进入歧管、空气排出歧管、冷却剂进入歧管和冷却剂排出歧管的容积的总和。
根据本发明的第六方面，在本发明的第三至第五方面中的任一方面中，在将燃料气体进入歧管和每个电池的阳极气体通路相连通的连通部分中形成有节流口(choke)。
根据本发明的第一方面，由于燃料气体中的杂质被导引到形成在燃料电池堆内部的杂质存储段中，所以防止阳极气体通路中的杂质的浓度增大。结果，可以减少燃料气体的废气从燃料电池堆排出的频率，并且可以减少燃料气体的浪费。另外，用于从电池的阳极气体通路的出口收集阳极废气且将该阳极废气导引到杂质存储段的单独的燃料气体排出歧管也是不必要的。因此，整个系统可以构造上简单并且尺寸上紧凑。
根据本发明的第二方面，由于杂质存储段与燃料电池堆的外部连通，所以杂质存储段中积聚的杂质可以被排放到的杂质存储段的外部。
根据本发明的第三方面，由于杂质存储段的容积大于燃料气体进入歧管的容积，所以大量的杂质可以存储在杂质存储段中，并且因此可以减小排放的频率。
根据本发明的第四方面，由于杂质存储段的容积大于燃料气体进入歧管、空气进入歧管和空气排出歧管的容积的总和，所以较大量的杂质可以存储在杂质存储段中，并且因此可以进一步减小排放的频率。
根据本发明的第五方面，由于杂质存储段的容积大于燃料气体进入歧管、空气进入歧管、空气排出歧管、冷却剂进入歧管和冷却剂排出歧管的容积的总和，所以更大量的杂质可以存储在杂质存储段中，并且因此可以更进一步减小排放的频率。
根据本发明的第六方面，由于在将燃料气体进入歧管和每个电池的阳极气体通路相连通的连通部分中形成有节流口，所以在连通部分中可以产生大于在阳极气体通路中发生的压力损失的压力损失。结果，可以减小电池的阳极气体通路中的出口压力差，并且可以防止由出口压力差所引起的杂质从杂质存储段回流至阳极气体通路中。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的燃料电池系统的构造的示意图；以及
图2是沿着图1中的线A-A得到的剖视图，其示意性地示出电池的内部构造和在电池中发生的现象。
具体实施方式
以下，将参照图1和2说明本发明的实施例。
图1是示出根据本发明的实施例的燃料电池系统的构造的示意图。燃料电池系统具有用于发电的燃料电池堆2并且将电力供给至诸如马达的电力负荷。燃料电池堆2由多个电池20构成，并且这些电池20都相互串联地电连接。虽然没有示出，但是每个电池20都具有插置在一对集电器之间的膜电极组件(MEA)。MEA是固体聚合物电解质膜、形成在电解质膜的相对表面上的催化剂电极和形成在两个催化剂电极上的诸如碳片材的气体扩散层的结合体。集电器用作相邻的两个MEA之间的分离器。每个电池20都使用供给至其阳极的燃料气体(例如，氢)和供给至其阴极的空气来发电。
与燃料电池堆2连接的是燃料气体供给管6，其用于将燃料气体从诸如高压氢罐的燃料气体供给源4供给至燃料电池堆2。供给至燃料电池堆2的燃料气体通过燃料电池堆2中的燃料气体进入歧管26分配到电池20的阳极气体通路并且在MEA中使用，所述MEA是发电段。
在燃料电池堆2中，形成有与电池20的阳极气体通路的出口连通的燃料气体排出歧管30。当燃料电池堆2发电时，通过燃料气体进入歧管26供给用于补偿发电消耗的适量的燃料气体，并且因此在阳极气体通路中产生燃料气体流。燃料气体流促使阳极气体通路中的杂质(已经从阴极侧通过固体聚合物电解质膜的氮)积聚在阳极气体通路下游的燃料气体排出歧管30中。根据该实施例的燃料电池系统的特征在于，燃料气体排出歧管30用作用于存储燃料气体中的杂质的杂质存储段。
连接至燃料电池堆2的排气管8与燃料气体排出歧管30连通。排气管8具有排气阀10，所述排气阀10打开和关闭将燃料气体排出歧管30与系统的外部相连通的路径。排气阀10在控制器14的控制下打开和关闭。根据该实施例的燃料电池系统在使燃料气体限制在燃料电池堆2内部的状态下操作。换言之，燃料电池系统是终端系统。因此，控制器14在正常发电期间维持排气阀10处在关闭状态中，并且仅当满足预定清除条件时打开排气阀10极短的时间。在该实施例中，清除条件是燃料气体排出歧管30中的氢浓度低于预定基准值。燃料气体排出歧管30中的氢浓度通过附接至燃料电池堆2的氢浓度传感器12测量。
在图1中，燃料气体排出歧管30显著地大于燃料气体进入歧管26。这意味着根据该实施例的燃料电池系统的燃料气体排出歧管30的容积显著地大于燃料气体进入歧管26的容积。诸如根据该实施例的系统的终端系统仅需要将用于补偿燃料电池堆2的消耗的适量的燃料气体供给至燃料电池堆2。因此，与使燃料气体循环的循环式系统相比较，可以减小燃料气体进入歧管26的容积，更具体地，可以减小燃料气体进入歧管26的横截面面积。在该实施例中，燃料气体排出歧管30的横截面面积通过燃料气体进入歧管26的横截面面积的减小而增大。
图2是沿着图1中的线A-A得到的剖视图并且示出形成燃料电池堆2的电池20的构造，更具体地示出分离器(集电器)24的构造。如上所述，电池20具有一对分离器24和插置在该对分离器24之间的MEA。分离器24具有阳极气体通路22，所述阳极气体通路22处在待与MEA的阳极表面接触的区域中。阳极气体通路22的形状和构造不限于任何特定的形状和构造。例如，可以将在分离器24的表面中形成的槽用作阳极气体通路22。或者，可以形成由传导材料制成的多孔层，并且可以将在多孔层中相互连通的小孔用作阳极气体通路22。
阳极气体通路22位于分离器24的中央部分处，并且沿着分离器24的边缘围绕阳极气体通路22形成有多个开口26、30、32、34、36和38。这些开口中的一个是上述的燃料气体进入歧管26，而另一个是燃料气体排出歧管30。燃料气体进入歧管26与阳极气体通路22的入口连通，并且燃料气体排出歧管30与阳极气体通路22的出口连通。其它的开口是空气进入歧管32、空气排出歧管34、冷却剂进入歧管36和冷却剂排出歧管38。
如图2中所示，燃料气体排出歧管30的横截面面积(开口面积)显著地大于其它歧管26、32、34、36和38的横截面面积。更特别地，燃料气体排出歧管30的横截面面积大于其它歧管26、32、34、36和38的横截面面积的总和。当各歧管的形状如图2中所示时，由于各歧管的横截面面积在电池20的堆叠方向上并没有改变，所以燃料气体排出歧管30的容积大于其它歧管26、32、34、36和38的容积的总和。
燃料气体排出歧管30的较大容积在阳极气体通路22的出口与排气阀10之间提供较大的固定容积(dead volume)。因此，在阳极气体通路22中产生的燃料气体中的杂质可以被导引到固定容积中并存储在其中，由此减小阳极气体通路22中的杂质浓度的增大。或者，燃料电池堆2可以设有外部存储容器以提供固定容积。然而，在这种情况下，增加了部件的数目，并且必须提供用于存储容器的空间。与此相反，如在该实施例中，如果在燃料电池堆2中设置用于存储杂质的固定容积，则燃料电池堆2不必具有用于存储杂质的单独的空间。因此，整个系统可以构造上简单并且尺寸上紧凑。
如果减小了阳极气体通路22中的杂质浓度的增大，则降低了从燃料电池堆2排出燃料气体的废气的频率。在该实施例中，当燃料气体排出歧管30中的氢浓度低于基准值时排气阀10打开。然而，由于燃料气体排出歧管30具有较大的容积，因此对于杂质积聚在燃料气体排出歧管30中并且对于氢浓度降低到基准值要花费很长时间。因此，降低了为了清除而打开排气阀10的频率，并且因此减少了燃料气体的浪费。
根据该实施例的燃料电池系统的特征还在于，在将燃料气体进入歧管26和阳极气体通路22相连通的连通部分中形成有节流口28。因为具有节流口28，所以当燃料气体从燃料气体进入歧管26流入到阳极气体通路22中时出现压力损失。可以由节流口28的直径调节压力损失的量。在该实施例中，节流口28的直径允许在节流口28处出现的压力损失比在阳极气体通路22中出现的压力损失大至少十倍。
在阳极气体通路22中出现的压力损失的量随着电池20而变化，并且在阳极气体通路22的出口处的压力根据压力损失的变化也随着电池20而变化。当阳极气体通路22具有不同的出口压力时，杂质可以从燃料气体排出歧管30回流到具有低出口压力的阳极气体通路22中。然而，如在该实施例中，如果在各阳极气体通路22的入口处的节流口28产生大的压力损失，则阳极气体通路22中的出口压力差由于阳极气体通路22中的压力损失差而降低，并且可以防止杂质由于出口压力差而从燃料气体排出歧管30回流到阳极气体通路22中。
虽然上文已经说明了本发明的实施例，但本发明不限于上述实施例，并且在没有脱离本发明的精神的情况下可以进行多种变化。例如，可以进行以下变化。
燃料气体排出歧管的容积必须至少大于燃料气体进入歧管的容积。然而，优选地，燃料气体排出歧管的容积大于燃料气体进入歧管、空气进入歧管和空气排出歧管的容积的总和。最优选地，如在上述实施例中，燃料气体排出歧管的容积大于所有其它歧管的容积的总和。
虽然燃料气体排出歧管的较大容积在上述实施例中用作杂质存储段，但是形成在燃料电池堆内部并与电池的阳极气体通路的出口连通的任何其它空间都可以用作杂质存储段。在这种情况下，该空间可以直接地或经由燃料气体排出歧管与阳极气体通路的出口连通。
虽然燃料电池系统的基本操作在上述实施例中是其中排气阀完全关闭的终端操作，但是该基本操作也可以是排气阀稍打开的小的持续排放操作。在小的持续排放操作中，在如终端操作中的操作期间，燃料气体实质上限制在燃料电池堆内部，并且调节排气阀的开度，以便使排放到系统的外部的废气量极度小于燃料电池堆内部的燃料气体的消耗量。在小的持续排放操作中，存储在燃料气体排出歧管中的杂质可以慢慢地排放到系统的外部，以便使杂质可以持续地从阳极气体通路运动到燃料气体排出歧管。因此，阳极气体通路中的杂质的浓度可以维持在较低水平。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具有燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个电池，所述燃料电池系统在实质上使燃料气体限制在所述燃料电池堆内部的状态下操作，所述燃料气体被每个电池使用以用于发电，
其特征在于，所述燃料电池系统具有杂质存储段，用于存储所述燃料气体中的杂质，所述杂质存储段形成在所述燃料电池堆内部并与每个电池的阳极气体通路的出口连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统具有连通机构，所述连通机构允许所述杂质存储段与所述燃料电池堆的外部连通。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述燃料电池堆内部形成有燃料气体进入歧管，所述燃料气体进入歧管用于将从所述燃料电池堆的外部供给的所述燃料气体分配到所述电池的所述阳极气体通路，并且所述杂质存储段的容积大于所述燃料气体进入歧管的容积。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述燃料电池堆内部形成有空气进入歧管和空气排出歧管，所述空气进入歧管用于将从所述燃料电池堆的外部供给的空气分配到所述电池的阴极气体通路，所述空气排出歧管用于将从所述电池的所述阴极气体通路收集的空气排放到所述燃料电池堆的外部，并且所述杂质存储段的容积大于所述燃料气体进入歧管、所述空气进入歧管和所述空气排出歧管的容积的总和。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述燃料电池堆内部形成有冷却剂进入歧管和冷却剂排出歧管，所述冷却剂进入歧管用于将从所述燃料电池堆的外部供给的冷却剂分配到所述电池的冷却剂通路，所述冷却剂排出歧管用于将从所述电池的所述冷却剂通路收集的冷却剂排放到所述燃料电池堆的外部，并且所述杂质存储段的容积大于所述燃料气体进入歧管、所述空气进入歧管、所述空气排出歧管、所述冷却剂进入歧管和所述冷却剂排出歧管的容积的总和。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，在将所述燃料气体进入歧管和所述每个电池的所述阳极气体通路相连通的连通部分中形成有节流口。
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