專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)供給如氮的燃料氣體和包含氧氣的氧化氣體， 并通過燃料氣體和氧化氣體之間在電解質(zhì)膜處的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電 能。這類燃料電池中的一種燃料電池包括相互堆疊的多個單元電池。 每個單元電池形成有電解質(zhì)膜以及陽極和陰極，該電解質(zhì)膜位于陽極 和陰才及之間。在該燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)燃料電池停止時，氮氣等被從陰極 傳輸?shù)疥枠O。因此，在燃料電池啟動前，氫氣被供給到陽極以用氬氣 置換陽極中的氣體("氫置換過程")(例如，公開號為2004-139984的 日本專利申請)。燃料電池系統(tǒng)檢測從燃料電池中排出的廢氣中的氬濃
度，并基于檢測到的在啟動燃料電池時的氫濃度來確定氫置換過程是 否完成。根據(jù)上述燃料電池系統(tǒng)，通過基于從燃料電池排出的廢氣來 確定氫置換過程是否完成，當(dāng)陽極中的氣體大部分被氫氣置換時燃料 電池能夠開始發(fā)電。然而，在該燃料電池中，多個單元電池相互堆疊， 氫供給通道在單元電池的堆疊方向上延伸，氬被供給到氬供給通道的 入口附近的單元電池的時間與氫被供給到距入口最遠(yuǎn)的單元電池的時 間是不同的。當(dāng)距入口最遠(yuǎn)的單元電池中的氬置換過程沒有完成時， 入口附近的單元電池中的氫置換過程可能完成了。因此，很難基于來自燃料電池的廢氣來^r測所有單元電池中的氫置換過程完成的時間。 因此，即使在氫置換過程完成后，也可能供給過量的氫氣，或在供給 足量的氫氣之前發(fā)電過程可能就開始了 。
在另一燃料電池系統(tǒng)中，在燃料電池發(fā)電過程中，從燃料電 池排出的陽極廢氣被再循環(huán)到燃料電池以便再利用陽極廢氣中所含的 氫(例如，公開號為2004-185974的日本專利申請)。該燃料電池系統(tǒng) 中，減少了排到系統(tǒng)外部的氫氣。此外，在其他燃料電池系統(tǒng)中，在 燃料電池的發(fā)電過程期間停止陽極廢氣的排出，以在發(fā)電過程中利用 更多的供給到燃料電池的氫氣，從而減少了從系統(tǒng)排出的氫氣。
這些燃料電池系統(tǒng)中，因為氮氣經(jīng)由電解質(zhì)膜從陰極側(cè)傳輸 到陽極側(cè)，所以在陽極側(cè)氮濃度增加而氬濃度下降，因此發(fā)電效率也 下降。為了解決這些問題，可以設(shè)置出口閥以將用于再循環(huán)的氬氣或 陽極廢氣排出到該系統(tǒng)外部，并且可以定期開啟所述出口閥以將氬氣 中所含的氮氣排出。
但是，如果打開出口閥，則氫會同氮氣一起被排出。因此， 如果出口閥打開過量，則燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率降低。因此，期望 在減少氫氣的排出的同時排出氮氣。但是，因為在陽極廢氣的出口附 近處廢氣的流動變慢，尤其是在當(dāng)停止從燃料電池排出陽極廢氣時， 所以很難檢測每個單元電池中的氫濃度。因此，有時過量的氬氣被排 出。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種燃料電池系統(tǒng)，其包括具有相互堆疊的多 個單元電池的燃料電池。燃料電池系統(tǒng)更加準(zhǔn)確地4全測出氬置換過程完成的時間，或氮氣的排出完成的時間等，從而減少了過量的氫的排 出。本發(fā)明集中于檢測氫氣的濃度的位置。本發(fā)明的第 一方案提 供了 一種包括燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池包括相互堆疊的 多個單元電池；第一和第二端板，第一和第二端板之間插入所述多個 單元電池；供氣通道，其在所述多個單元電池的堆疊方向上延伸，將 氣體供給到所述多個單元電池的每一個，并且具有在第一端板側(cè)上的 入口；及排氣通道，從所述多個單元電池排出的氣體流經(jīng)排氣通道， 并且排氣通道具有在第一端板側(cè)上的出口 。燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步包括 氫供給裝置，其用于通過供氣通道將氫氣供給到燃料電池中的所述多 個單元電池；氫濃度傳感器，其設(shè)置在排氣通道中，檢測從所述多個 單元電池排出的氣體中的氫濃度；及發(fā)電控制裝置，其基于由氫濃度 傳感器檢測到的氫濃度來控制燃料電池中的發(fā)電過程。根據(jù)本發(fā)明的第 一方案的燃料電池系統(tǒng)中，供給到單元電池 的氫氣所流入的供氣通道的入口和從單元電池排出的氣體所流出的排 氣通道的出口均位于第一端板側(cè)。燃料電池組由插入第一端板和第二 端板之間的多個堆疊的電池形成。此外，通過在形成于電池組中的排 氣通道中設(shè)置氬濃度傳感器來準(zhǔn)確地檢測到形成燃料電池組的每一個 單元電池的氫的供給。而且，燃料電池的時間控制能夠更加的適當(dāng)， 減少了過量的氫氣的排出。此外，因為氫濃度傳感器設(shè)置在燃料電池 組中，所以該系統(tǒng)避免了由于燃料電池中執(zhí)行的各種過程導(dǎo)致氬氣不 再位于氫濃度傳感器的周圍的情況。因此，通過發(fā)電控制裝置控制的 發(fā)電過程不太可能^C中斷。
氫濃度傳感器可位于排氣通道中在第二端板附近。通過將氫 濃度傳感器置于該位置，能夠更準(zhǔn)確地檢測在堆疊的單元電池的底部 存在的氫氣。在氫供給裝置開始將氫氣供給到燃料電池后，當(dāng)由氬濃度傳 感器4企測到的氫濃度等于或高于閾濃度時，發(fā)電控制裝置開始發(fā)電過 程。該燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步包括廢氣通道，經(jīng)由排氣通道從燃料電 池排出的廢氣流經(jīng)廢氣通道；及廢氣流量調(diào)節(jié)裝置，其設(shè)置在廢氣通 道中，用于調(diào)節(jié)廢氣的流量。在這種情況下，發(fā)電控制裝置可以根據(jù) 由氫濃度傳感器檢測到的氫濃度來控制廢氣流量調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)流量。 應(yīng)注意的是，廢氣通道位于燃料電池組的外部，明顯不同于設(shè)置在燃 料電池中的排氣通道。當(dāng)廢氣流量調(diào)節(jié)裝置禁止通過廢氣通道從燃料電池排出廢 氣時，以及當(dāng)從排氣通道的出口排出的廢氣沒有經(jīng)由供氣通道的入口 再循環(huán)到燃料電池時，燃料電池發(fā)電。在這種情況下，發(fā)電控制裝置 可以根據(jù)由氫濃度傳感器檢測到的氫濃度來確定廢氣流量調(diào)節(jié)裝置是 繼續(xù)禁止從燃料電池排出廢氣還是開始排出廢氣。因為氫濃度傳感器 位于排氣通道中，所以氫濃度傳感器檢測從燃料電池中的堆疊的單元 電池排出的氬氣，而不管廢氣通道中的流動。因此，即使如上所述當(dāng) 沒有從燃料電池排出廢氣時燃料電池發(fā)電，氬燃料傳感器檢測從堆疊 的單元電池排出的氫氣。因而，通過基于檢測到的結(jié)果來控制廢氣的 排出，減少了過量的包含在廢氣中的氫氣的排出。當(dāng)由氫濃度傳感器檢測到的氫濃度等于或低于最小閾極限 時，發(fā)電控制裝置可以控制廢氣流量調(diào)節(jié)裝置將廢氣的排出流量增加 到參考排出流量以上。氫濃度的最小閾極限是在該濃度或該濃度以上時能使燃料電池有效發(fā)電。參考排出流量是使燃料電池有效發(fā)電的廢 氣的排出流量。參考排出流量不是常量，而是根據(jù)各種因素如燃料電 池的工作條件或周圍環(huán)境而變化。因此，當(dāng)氫濃度下降到最小閾極限 或更低時，發(fā)電控制裝置增加廢氣的排出流量，從而排出積聚在燃料 電池中的除了氫之外的氣體，提高了燃料電池的發(fā)電效率。此外，當(dāng)由氫濃度傳感器斥企測到的氫濃度等于或高于最大閾 極限時，發(fā)電控制裝置可以控制廢氣流量調(diào)節(jié)裝置將廢氣的排出流量 減少到參考排出流量以下。氫濃度的最大閾極限是在該濃度或該濃度 以上時足量的氫氣被供給燃料電池以發(fā)電，并且如果繼續(xù)將包含氫氣 的廢氣排出，則過量的氫氣將被排出。參考排出流量為上述的參考排 出流量。因此，當(dāng)氫濃度增加到最大閾極限或以上時，發(fā)電控制裝置 通過減少廢氣的流量防止過量的氫氣的排出。本發(fā)明的第二方案提供了 一種包括燃料電池的燃料電池系 統(tǒng)，該燃料電池包括相互堆疊的多個單元電池；第一和第二端板，第 一和第二端板之間插入多個單元電池；供氣通道及排氣通道。供氣通 道在所述多個單元電池的堆疊方向上延伸，將氣體供給到所述多個單 元電池的每一個，供氣通道的入口設(shè)置在第一端板側(cè)上。從所述多個 單元電池排出的氣體流經(jīng)排氣通道，排氣通道的出口在第一端板側(cè)上。 該燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步包括氫供給裝置，用于通過供氣通道將氬氣供 給到燃料電池中的所述多個單元電池，第一氫濃度檢測裝置，其用于 ;險測從所述多個單元電池的第 一單元電池排出的在排氣通道中流動的 氣體中的氬濃度，第二氫濃度檢測裝置，其用于檢測供給到所述多個 單元電池的第二單元電池的在供氣通道中流動的氣體中的氫濃度。該 燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步包括發(fā)電控制裝置，其用于根據(jù)第 一時間點和第二時間點之間的時間間隔來控制燃料電池的發(fā)電過程。第 一 時間點為 第 一氫濃度檢測裝置檢測氬的時刻，第二時間點為第二氫濃度檢測裝 置檢測氬的時刻。
根據(jù)本發(fā)明的第二方案，兩個氫濃度檢測裝置分別設(shè)置在燃 料電池組中的排氣通道側(cè)和供氣通道側(cè)。兩個氬濃度檢測裝置位于不 同的單元電池的附近。發(fā)電控制裝置基于兩個氫濃度檢測裝置檢測氬 的時刻之間的時間間隔來執(zhí)行燃料電池的發(fā)電過程。因為兩個氫濃度 檢測裝置設(shè)置在燃料電池組中，所以能夠更準(zhǔn)確地監(jiān)測氬氣對燃料電 池的供給，而不論來自燃料電池的廢氣的排出情況。換句話說，第一 時間點是關(guān)于當(dāng)氬氣被供給到相應(yīng)的第 一單元電池的時刻，第二時間 點是關(guān)于當(dāng)足量的氫氣開始被供給到相應(yīng)的第二單元電池的時刻。因 此，第一時間點和第二時間點之間的時間間隔是準(zhǔn)確地反映氬向堆疊 在燃料電池中的單元電池的供給的參數(shù)。
因此，通過由發(fā)電控制裝置基于該時間間隔來控制燃料電池 的發(fā)電過程，避免了過量的氫氣的排出，并且提高了發(fā)電過程的效率。 此處，由發(fā)電控制裝置執(zhí)行的發(fā)電過程可包括上述開始發(fā)電的時間的 控制、廢氣的排出流量的控制等。
第二氫檢測裝置可設(shè)置在供氣通道中在第一端板附近。第一 氫檢測裝置可設(shè)置在排氣通道中在第二端板附近。通過設(shè)置如上所述 的氫濃度檢測裝置，能夠更準(zhǔn)確地監(jiān)測燃料電池組中氫氣的供給。此 外，第二單元電池相對于在供氣通道中流動的氫流可位于第一單元電 池的上游。通過這種設(shè)置，能夠更準(zhǔn)確地監(jiān)測氬氣的供給。
第一氫濃度檢測裝置和第二氫濃度檢測裝置可根據(jù)將氫供 給到第 一和第二單元電池而產(chǎn)生的電壓的變化來分別檢測第 一和第二 單元電池的氫濃度。在這種情況下，第一時間點是第一單元電池中產(chǎn) 生的電壓達(dá)到預(yù)定參考電壓的時刻，第二時間點是第二單元電池中產(chǎn) 生的電壓達(dá)到預(yù)定參考電壓的時刻。發(fā)電控制裝置根據(jù)第一時間點和 第二時間點之間的時間間隔來控制燃料電池的發(fā)電過程。因此，通過 利用每個單元電池產(chǎn)生的電壓的變化，使組成燃料電池系統(tǒng)的部件的 數(shù)量減至最少。本發(fā)明的第三方案提供了 一種包括燃料電池的燃料電池系 統(tǒng)，該燃料電池包括相互堆疊的多個單元電池；第一和第二端板， 第一和第二端板之間插入多個單元電池；供氣通道，其在所述多個單
元電池的堆疊方向上延伸，將氣體供給到所述多個單元電池。供氣通 道的入口設(shè)置在所述多個單元電池的第一端板側(cè)上。排氣通道，從所 述多個單元電池排出的氣體流經(jīng)排氣通道，其也設(shè)置在燃料電池中， 并且具有在第一端板側(cè)上的出口 。該燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步包括氫供給 裝置，其用于將氫氣供給到燃料電池中的所述多個單元電池，氫濃度 傳感器，其設(shè)置在排氣通道中在第二端板附近，用于檢測從所述多個 單元電池排出的氣體中的氫濃度；及控制器，其在氫供給裝置開始供 給氫后從氫濃度傳感器獲得檢測到的氫濃度，如果檢測到的氫濃度等 于或高于閣濃度，則開始燃料電池中的發(fā)電過程。在該燃料電池系統(tǒng)中，氫氣被供給到單元電池所經(jīng)過的供氣 通道的入口 ，以及從單元電池排出的氣體所流經(jīng)的排氣通道的出口設(shè) 置在第一端板側(cè)上。因而，從入口供給的氬氣首先被供給到第一端板 附近的單元電池。另一方面，相對于第一端板附近的單元電池，氫氣到第二端板附近的單元電池的供給延遲了。但是，在燃料電池啟動時， 優(yōu)選地，在氫氣^皮供給到所有單元電池后燃料電池開始發(fā)電。根據(jù)本發(fā)明的第三方案，氫濃度傳感器位于單元電池的排氣 通道中在第二端板附近，該處氫氣的供給更加延遲，燃料電池基于由 氫濃度傳感器檢測到的氫濃度來開始發(fā)電。因此，當(dāng)所有單元電池中 的氣體被氫置換時發(fā)電過程開始，從而減少了過量的氫氣的排出。閾濃度是使得能夠開始發(fā)電過程(氫置換過程完成)的預(yù)計 氮氣已被排出的程度時的氬濃度，可以根據(jù)燃料電池結(jié)構(gòu)等來適當(dāng)?shù)?設(shè)定閾濃度。本發(fā)明的第四方案提供了 一種包括燃料電池的燃料電池系 統(tǒng)，該燃料電池包括相互堆疊的多個單元電池；第一和第二端板， 第一和第二端板之間插入所述多個單元電池；供氣通道，其在所述多
個單元電池的堆疊方向上延伸，將氣體供給到所述多個單元電池，并 且具有在第一端板側(cè)上的入口；及排氣通道，從所述多個單元電池排 出的氣體流經(jīng)排氣通道，并且排氣通道具有在第一端板側(cè)上的出口 。 該燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步包括氫濃度傳感器，其設(shè)置在排氣通道中在第 二端板附近，用于檢測從所述多個單元電池排出的氣體中的氬濃度； 廢氣通道，經(jīng)由排氣通道從燃料電池排出的氣體流經(jīng)廢氣通道，廢氣 流量調(diào)節(jié)裝置，其設(shè)置在廢氣通道中，用于調(diào)節(jié)廢氣的流量，及控制 器，其基于由氫濃度傳感器檢測到的氫濃度，利用廢氣流量調(diào)節(jié)裝置 來控制廢氣的排出流量。廢氣流量調(diào)節(jié)裝置是一種調(diào)節(jié)從燃料電池排出的廢氣的流 量，并且調(diào)節(jié)廢氣的流量以便將燃料電池中積聚的氮氣排出到燃料電
18池的外部的裝置。更具體地說，它被應(yīng)用于以下系統(tǒng)中在燃料電池 的發(fā)電過程期間停止排出廢氣的系統(tǒng)，或?qū)U氣再循環(huán)到燃料電池以 用于發(fā)電過程的系統(tǒng)。在將燃料電池中積聚的氮氣排出的同時，調(diào)節(jié) 廢氣的排出流量以抑制氫氣的排出。
在這種燃料電池系統(tǒng)中，為了在抑制氫氣的排出的同時排出 燃料電池中積聚的氮氣，優(yōu)選地，每個單元電池中的氬濃度是已知的。 但是，當(dāng)停止廢氣的排出時，很難檢測單元電池中的氫濃度，因為在 廢氣的出口附近處，即第一端板附近，廢氣的流動變慢了。
但是，根據(jù)本發(fā)明的第四方案，氫濃度傳感器設(shè)置在單元電 池的排氣通道中在第二端板附近，氮氣積聚在該處，檢測到的單元電 池中的氫濃度也反映了氮的影響。廢氣流量調(diào)節(jié)裝置根據(jù)由氫濃度傳 感器檢測到的氫濃度來調(diào)節(jié)廢氣的排出流量。通過這樣做，排出積聚 在燃料電池中的適量的氮氣，減少了過量的氫氣的排出。


結(jié)合附圖通過下述實施例的描述，本發(fā)明的上述以及進(jìn)一步 的目的、特征和優(yōu)勢將變得明顯，其中使用相同的標(biāo)記來代表相同的 元件，其中圖1為示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的框圖。圖2為示出根據(jù)該實施例的燃料電池的實例的示意圖。圖3為示出在燃料電池發(fā)電過程期間氬氣的供給控制的流程圖。圖4為示出根據(jù)第一實施例在發(fā)電過程期間陽極廢氣的排出流量 的控制過程的流程圖。圖5為示出根據(jù)第二次實施例在發(fā)電過程期間陽極廢氣排出的流 量的控制的流程圖。圖6為示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的燃料電池的實例的圖。圖7為示出根據(jù)第三實施例當(dāng)燃料電池中發(fā)電開始時的發(fā)電控制 過程的流程圖。圖8為示出根據(jù)第三實施例當(dāng)燃料電池中發(fā)電開始時的發(fā)電控制 過程的流程圖。
具體實施方式
以下將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例。
圖1為示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的框 圖。燃料電池系統(tǒng)10包括燃料電池1、高壓氫罐2、高壓氫罐2的開 啟閥6、壓力調(diào)節(jié)閥7、空氣被供給到燃料電池1所經(jīng)過的氧化氣體供 給通道24、空氣壓縮機(jī)8以及氫供給通道21。燃料電池l通過氫氣和 氧化氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電。高壓氫罐2存儲作為燃料氣體的 氫氣，并將氫氣供給到燃料電池l。高壓氫罐2用作氫供給裝置。壓力 調(diào)節(jié)閥7調(diào)節(jié)從高壓氫罐2排出的氫氣的壓力?？諝鈮嚎s機(jī)8設(shè)置在 氧化氣體供給通道24中，并將氧化氣體供給到燃料電池1。從高壓氫 罐2供給到燃料電池1的氫氣流經(jīng)氫供給通道21。燃料電池系統(tǒng)10進(jìn) 一步包括陽極廢氣通道22、設(shè)置在燃料電池1中的氫濃度傳感器4(見 圖2)、出口閥9、用于從燃料電池1的陰極側(cè)排出的陰極廢氣的壓力 調(diào)節(jié)閥3和ECU 5。從燃料電池1的陽極側(cè)排出的陽極廢氣流經(jīng)陽極 廢氣通道22。出口閥9設(shè)置在陽極廢氣通道22中，并且調(diào)節(jié)陽極廢氣的排出流量。出口閥9用作廢氣流量調(diào)節(jié)裝置。ECU5執(zhí)行燃料電池 的各種控制過程，包括從高壓氫罐2供給氫氣的控制。
圖2是示出根據(jù)本實施例的燃料電池的實例的示意圖。燃料 電池1包括相互堆疊的多個單元電池la，設(shè)置在多個單元電池la兩側(cè) 的第一和第二端板lb、 lc，在單元電池的堆疊方向上延伸并且氣體被 供給到每個單元電池la所經(jīng)過的供氣通道ld,以及大體上與供氣通道 ld相平行延伸并且從每個單元電池la排出的氣體所流經(jīng)的排氣通道 le。第一端板lb包括供氣通道ld的入口 lf和排氣通道le的出口 lg。
燃料電池1通過從高壓氫罐2供給的氫氣和通過氧化氣體供 給通道24供給的氧化氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能。陽極廢氣經(jīng) 由陽極廢氣通道22從燃料電池1的陽極(燃料極)側(cè)排出，其中，陽 極廢氣包括在發(fā)電過程中未使用的殘余氬氣以及經(jīng)由燃料電池的電解 質(zhì)膜輸送的氮氣。
陽極廢氣通道22與燃料電池1中的排氣通道le相連通，每 個單元電池la排出的廢氣流經(jīng)陽極廢氣通道22。通過開啟和關(guān)閉設(shè)置 在陽極廢氣通道22中的出口閥9來控制陽極廢氣的排出流量。當(dāng)陽極 廢氣的排出停止時(即出口閥9被關(guān)閉)，本實施例的燃料電池系統(tǒng)10 執(zhí)行燃料電池1的發(fā)電過程，從而減少了從燃料電池1排出的氬氣的 量。
氫濃度傳感器4設(shè)置在燃料電池1的排氣通道le中在第二 端板lc附近，其檢測從單元電池la排出的氣體中的氫濃度。由氫濃 度傳感器4檢測到的氫濃度被輸入ECU 5。 ECU 5基于檢測到的氫濃度來控制在燃料電池1啟動時氫氣的供給，并在燃料電池1發(fā)電過程 期間控制陽極廢氣的排出流量。
以下將結(jié)合流程圖詳細(xì)說明每個控制過程。所述控制過程是 由ECU 5執(zhí)行的程序。首先，將結(jié)合圖3所示的流程圖說明在燃料電 池1啟動時氬氣的供給的控制。
當(dāng)啟動燃料電池時，氫氣被供給到燃料電池1以開始發(fā)電過 程(SIOI)。供給到燃料電池1的氫氣通過供氣通道ld被供給到每個 單元電池la。接下來，ECU5打開陽極廢氣通道22的排出閥9(S102)。 在每個單元電池la中，隨著氫氣的供給，在停止發(fā)電時被滲透(即通 過電解質(zhì)膜從陰極被傳輸?shù)疥枠O)并積聚的氮氣通過排氣通道le從燃 料電池l中排出。
然后，ECU 5利用氫濃度傳感器4來檢測氫濃度(S103 )。 氫濃度傳感器4位于排氣通道le中距入口 lf最遠(yuǎn)的單元電池附近，即 位于第二端板lc附近。因為第二端板lc附近的單元電池la距入口 lf 最遠(yuǎn)，所以可以預(yù)料到，這個特殊的單元電池被最后填充氬氣。以下， 單元電池中的氣體用氬置換的過程(即用氫填充單元電池的過程)被 稱為氫置換過程。因此，通過檢測此處的氫濃度，能夠確定是否所有 單元電池中氫置換過程完成。
ECU 5確定檢測到的氫濃度是否等于或高于閾濃度(S104 )。 閾濃度是表明氫置換過程完成的氫的濃度。如果在步驟S104中確定檢 測到的氫濃度低于閾濃度，即氫替換過程沒有完成，則繼續(xù)排出陽極 廢氣，且在經(jīng)過預(yù)定的時間后再次檢測氫濃度(S103)。另一方面，如的氫濃度等于或高于閾濃度，即氬置換過 程完成，則關(guān)閉出口閥9 (S105)。此后執(zhí)行發(fā)電過程。
根據(jù)上述過程，更準(zhǔn)確地確定氬替換過程最后完成處的單元 電池la中的氫替換過程是否完成。因而，當(dāng)所有單元電池中的氬替換 過程均完成時，停止排出廢氣，從而減少了過量的氫氣的排出。
接下來，將結(jié)合圖4所示的流程圖說明發(fā)電過程期間陽極廢 氣的排出流量的控制過程。ECU 5以指定的時間間隔重復(fù)執(zhí)行該控制 過程。
根據(jù)本實施例的燃料電池系統(tǒng)10在出口閥9關(guān)閉(即不排 出陽極廢氣)時執(zhí)行燃料電池1的發(fā)電過程。此外，當(dāng)由于氮氣從陰 極側(cè)被輸送到陽極側(cè)使得氫濃度下降到閾濃度或低于閾濃度時，本實 施例的燃料電池系統(tǒng)IO打開出口閥9以將氮氣排到系統(tǒng)外部。
首先，在出口閥9關(guān)閉時ECU 5執(zhí)行發(fā)電過程，并確定出 口閥9關(guān)閉的時間是否等于或超過預(yù)定時間(S201)。預(yù)定時間是基于 燃料電池的溫度等被預(yù)先設(shè)定的。如果確定出口閥9關(guān)閉的時間等于 或超過預(yù)定時間，則打開出口閥9以排出陽極廢氣(S202)。因此，滲 透的氮氣被排到燃料電池1的外部。步驟S201可替代為，當(dāng)出口閥9 關(guān)閉時，氫濃度傳感器4檢測氫濃度，將由氫濃度傳感器4檢測到的 氫濃度與閾濃度相比以確定是否打開出口閥9。例如，如果由氬濃度傳 感器檢測到的氫濃度低于閾濃度，則打開出口閥9。
接下來，ECU 5利用氫濃度傳感器4來檢測氫濃度(S203 )。 通過利用氫濃度傳感器4檢測氫濃度，確定滲透的氮氣的排出是否完 成，從而能夠檢測出停止排出陽極廢氣的時間(即關(guān)閉出口閥的時間)。然后ECU 5確定檢測到的氫濃度是否等于或高于閾濃度(S204 )。閾濃 度是確定氮氣的排出是否完成的濃度。該閾濃度可被視為是最大閾極 限。如果在步驟S204中確定檢測到的氫濃度低于閾濃度，即氮 氣的排出尚未完成，則繼續(xù)排出陽極廢氣，且經(jīng)過預(yù)定的時間后再次 檢測氫濃度(S203 )。如果在步驟S204中確定檢測到的氬濃度等于或 高于闊濃度，即氮氣的排出已完成，則關(guān)閉出口閥(S205)。此后反復(fù) 進(jìn)行上述過程。根據(jù)上述過程，確定出從距入口 lf最遠(yuǎn)的單元電池la排出 的氮氣的量。因而，通過確定氮氣的排出是否完成，能夠在最適當(dāng)?shù)?時間關(guān)閉出口閥9，從而減少過量的氫氣的排出。在上述排出陽極廢氣的控制過程中，通過開啟和關(guān)閉出口閥 9，即通過開始和停止排出陽極廢氣來控制陽極廢氣的排出流量。但是， 可選地，可以選擇基于燃料電池1中的氫濃度來不斷地隨著排出流量 增加或減少而排出陽極廢氣來控制陽極廢氣的排出流量。以下結(jié)合圖5所示的流程圖描述根據(jù)第二實施例的排出陽 極廢氣的控制過程的實例。ECU 5以預(yù)定的時間間隔反復(fù)執(zhí)行此控制 過程。在燃料電池1的發(fā)電過程期間，ECU 5利用氬濃度傳感器4 來檢測氫濃度(S301 )。通過這樣，因為在發(fā)電過程期間以常量排出陽 極廢氣，所以能夠獲得排出的陽極廢氣中的氮氣的情況(量)。接下來，ECU5確定檢測到的氫濃度是否等于或高于最大閾 濃度(S302)。最大閾濃度是被認(rèn)為足夠用于發(fā)電過程的氬的濃度，也是當(dāng)檢測到的氫濃度等于或高于最大閾濃度時，如果繼續(xù)排出陽極廢 氣，氫氣將會與陽極廢氣一起被過量的排出的氫濃度。如果在步驟S302中確定檢測到的氫濃度等于或高于最大閾 濃度，則調(diào)節(jié)出口閥9以減少陽極廢氣的排出流量，即減少氫氣的過 量排出(S303 )。通過這樣，減少了包含在陽極廢氣中的氫氣的排出流 量，從而減少了氫氣的過量排出。另一方面，如果在步驟S302中確定檢測到的氫濃度低于最 大閾濃度，則然后確定檢測到的氫濃度是否等于或低于最小閾濃度 (S304)。最小閾濃度是被認(rèn)為用于發(fā)電過程的最小的氫濃度。如果檢 測到的氫濃度等于或低于最小閾濃度，則調(diào)節(jié)出口閥9以增加陽極排 氣的排出流量(S305 )。此外，作為步驟S304的結(jié)果，如果檢測到的 氫濃度高于最小閾濃度，則陽極廢氣的排出流量不變，此控制過程結(jié) 束。如上文所述，通過根據(jù)氫濃度來控制陽極廢氣的排出流量， 能夠在減少過量氫氣的排出及不斷排出陽極廢氣的同時執(zhí)行發(fā)電過 程。根據(jù)上述實施例，在啟動時或發(fā)電過程期間減少了氫氣的過 量排出。在第一實施例中，當(dāng)停止排出陽極廢氣時，燃料電池系統(tǒng)執(zhí) 行發(fā)電過程。但是，本發(fā)明并不局限于此。燃料電池系統(tǒng)可將陽極廢 氣再循環(huán)到燃料電池中，或者可在不斷地以恒定流量排出陽極廢氣的 同時發(fā)電，而不是循環(huán)陽極廢氣。以下結(jié)合圖6到圖8描述本發(fā)明的第三實施例的燃料電池系 統(tǒng)。圖6為示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的燃料電池等的實例的圖。與第一實施例相同的部件，用相同的附圖標(biāo)記表示。以下省略對這些
部件的詳細(xì)"i兌明。與第一實施例中的燃料電池1類似，圖6所示的燃料電池1， 包括相互堆疊的多個單元電池la。將氬供給通道21連接到供氣通道 ld的入口 lf和將陽極廢氣通道22連接到排氣通道le的出口 lg設(shè)置 在第一端板lb側(cè)上。此處，燃料電池中l(wèi)，中的電池組包括相互堆疊的 兩百(200)個單元電池la,單元電池從第一端板lb側(cè)到第二端板lc 側(cè)分別表示為la—001、 la—002、 ...、 la—200。單元電池也可分別稱為
第1電池、第2電池.....第200電池。在圖6中，僅示出單元電池
la—001、 la—010、 la—100、 la—150和la—200。此外，燃料電池l，包括排氣通道le中的氫濃度傳感器4a和 供氣通道Id中的氬濃度傳感器的4b。氪濃度傳感器4a位于可以檢測 到從單元電池la_200排出的氫氣的濃度的位置。氫濃度傳感器4b位 于可以檢測到供給到單元電池la_001的氫氣的濃度的位置。特別是， 氫濃度傳感器4a位于排氣通道le的底部，氫濃度傳感器4b位于供氣 通道Id的入口 If附近。在包括如上所述構(gòu)造的燃料電池l，的燃料電池系統(tǒng)中，執(zhí) 行圖7和圖8所示的發(fā)電控制過程。ECU5執(zhí)行發(fā)電控制過程。首先， 描述圖7所示的發(fā)電控制過程。當(dāng)燃料電池l，開始發(fā)電時執(zhí)行發(fā)電控
制過程。因此，在發(fā)電控制過程啟動時燃料電池r基本上不發(fā)電。換
句話說，當(dāng)氫濃度傳感器4a和氫濃度傳感器4b檢測氫氣時，不執(zhí)行 該發(fā)電控制過程。
在步驟S401中，打開開啟閥6以開始將氫氣從高壓氫罐2 供給到燃料電池l'。同時，打開出口閥9，當(dāng)不執(zhí)行發(fā)電時滲透的氮氣 經(jīng)由排氣通道le從燃料電池l，排出。此步驟與第一實施例的該步驟相 同。在步驟S401中的過程結(jié)束后，此控制進(jìn)入步驟S402 。在步驟S402中，確定電池組溫度TS和環(huán)境溫度TA，電池 組溫度TS是燃料電池l，中燃料電池組的溫度，環(huán)境溫度TA是燃料電 池系統(tǒng)外部的溫度。具體來說，圖6中未示出的溫度傳感器分別檢測 電池組溫度TS和環(huán)境溫度TA。ECU 5獲得檢測到的溫度。在步驟S402 中的過程結(jié)束后，該控制進(jìn)入步驟S403 。在步驟S403中，才艮據(jù)電池組溫度TS和環(huán)境溫度TA來計 算啟動燃料電池l，時出口閥9的閥關(guān)閉時間TO。具體來說，ECU5利 用電池組溫度TS和環(huán)境溫度TA作為參數(shù)來訪問存儲在ECU5中的設(shè) 定表，并計算出基于這兩個溫度而確定的最佳閥關(guān)閉時間TO。閥關(guān)閉 時間TO是供給足量的氫氣以從燃料電池l，排出氮氣以及恢復(fù)燃料電池 l，的良好的發(fā)電效率所需的時間。閥關(guān)閉時間TO也是關(guān)閉出口閥9以
避免過量的氬氣排到燃料電池r外部的時間。此外，氣體，如氬氣和 氮氣，取決于溫度而膨脹和收縮。換句話說，燃料電池中r中的氣體
的行為受溫度影響。因此，考慮到這種影響，閥關(guān)閉時間TO同電池組 溫度TS和環(huán)境溫度TA —起被存儲在ECU 5中的設(shè)定表中。在下述步 驟S410中，存儲在設(shè)定表中的閥關(guān)閉時間將得到修正和更新。在步驟 S403中的過程結(jié)束后，該控制進(jìn)入步驟S404 。在步驟S404中，供氣通道中的氬濃度傳感器4b檢測氪，從 而在步驟S405中^C觸發(fā)的閥關(guān)閉計時器開始計凄t以確定關(guān)閉出口閥9 的時間。然后，該控制進(jìn)入步驟S406 。
在步驟S406中，確定由閥關(guān)閉計時器計數(shù)的時間是否達(dá)到 步驟S403中所計算出的閥關(guān)閉時間TO。如果確定計數(shù)出的時間達(dá)到 閥關(guān)閉時間TO，則該控制進(jìn)入步驟S407 。如果確定計數(shù)出的時間未 達(dá)到閥關(guān)閉時間TO，則重復(fù)步驟S406中的過程。在步驟S407中，當(dāng)經(jīng)過了閥關(guān)閉時間TO時關(guān)閉出口閥9。 然后，在步驟S408中燃料電池l，開始發(fā)電。在此啟動發(fā)電的情況下， 一旦經(jīng)過了閥關(guān)閉時間TO，燃料電池l，中的每個單元電池la已經(jīng)排 出了滲透的氮氣。因此，高效率的發(fā)電是可預(yù)見的。但是，因為在恢
復(fù)燃料電池r的發(fā)電效率前發(fā)電開始，所以不期望閥關(guān)閉時間To太短，
這可能由于各種因素而發(fā)生。另一方面，也不期望閥關(guān)閉時間TO太長， 因為在發(fā)電效率充分恢復(fù)的同時，更多的氫氣被不必要地排出。這些 氫氣是可以用于發(fā)電的。因此，在根據(jù)本實施例的發(fā)電控制過程中， 在步驟S409和步驟S410中修正閥關(guān)閉時間TO從而為閥關(guān)閉時間TO 設(shè)定一個更合適的時間長度。在步驟S409中，ECU 5獲取氫檢測時間Tl，氫檢測時間 Tl是排氣通道中的氫濃度傳感器4a在從上述步驟S405到步驟S408 的期間檢測氫氣的時間。檢測時間Tl是從閥關(guān)閉計時器開始計數(shù)時起 已經(jīng)經(jīng)過的時間，因而檢測時間Tl對應(yīng)于兩個氬濃度傳感器4a、 4b 檢測氫氣的時刻之間的時間間隔。如果氫濃度傳感器4a在此期間沒有 檢測氫氣，則ECU5獲得一個指示暫時"未檢測"的信號。在步驟S409 中的過程結(jié)束后，該控制進(jìn)入步驟S410。在步驟S410中，根據(jù)步驟S409中檢測到的檢測時間Tl來 〈奮正閥關(guān)閉時間TO。首先，如果4企測到;險測時間Tl,即閥關(guān)閉時間 TO長于最優(yōu)值，則過量的氫氣可能被排出。因此，根據(jù)如下公式(l)來計算出口閥9應(yīng)該凈皮關(guān)閉的時間和其實際上#_關(guān)閉的時間之間的差
值A(chǔ)S。
△S= (T0+AT) - Tl ... ( 1 )
此處，AT是步驟S407中ECU 5向出口閥9輸出閥關(guān)閉信號的時 間和出口閥9實際上被關(guān)閉的時刻之間的差值。該差值的出現(xiàn)是由于， 例如，出口閥9中的閥關(guān)閉機(jī)構(gòu)需要時間去操作。然后，按照如下公式(2),基于AS來計算新的經(jīng)修正后的 閥關(guān)閉時間T0。
(新TO) =T0-BxAS (B<1.0) …(2)
此處，B是小于1的修正系數(shù)。在本實施例中，B設(shè)定為大約0.9。 考慮到出口閥9的閥關(guān)閉時間的差值A(chǔ)S，用公式(2)計算新閥關(guān)閉 時間TO。計算出的新閥關(guān)閉時間TO同電池組溫度TS和環(huán)境溫度TA 一起被存儲在上述的設(shè)定表中。因此，設(shè)定表中的閥關(guān)閉時間TO被更 新。當(dāng)設(shè)定表被更新時，只有與當(dāng)前控制過程中使用的電池組溫度TS 和環(huán)境溫度TA相對應(yīng)的閥關(guān)閉時間被更新?？蛇x地，考慮到對應(yīng)的溫 度和當(dāng)前控制過程中使用的溫度之間的差，也可更新與其他電池組溫 度TS和環(huán)境溫度TA相對應(yīng)的閥關(guān)閉時間。接下來，如果沒有檢測檢測時間Tl，也即閥關(guān)閉時間TO短 于最優(yōu)值，則不足量的氮氣被從燃料電池l，中排出。因此，根據(jù)如下 公式(3)來計算估算的檢測時間TIO。
T10=AlxT0+AT ( Al > 1.0) …(3)如上所述，AT是出口閥的閥關(guān)閉時間的差值。Al是^r測系數(shù)以 計算估算的檢測時間，并且大于l。在本實施例中，檢測系數(shù)A1可設(shè) 定為大約從1.1到1.2。通過將根據(jù)公式(3 )計算出的估算的檢測時間 T10代入上述公式(1)中的T1，并且利用公式(2)來計算新閥關(guān)閉 時間TO。在這種情況下，與上述類似，更新ECU5中的設(shè)定表。根據(jù)該控制過程，因為計算出了更合適的閥關(guān)閉時間，所以 能夠?qū)崿F(xiàn)既減少啟動燃料電池l，時過量的氫氣的排出又能恢復(fù)燃料電
池r的發(fā)電效率。接下來，描述圖8所示的發(fā)電控制過程。與圖7所示的發(fā)電
控制過程類似，在啟動燃料電池r時執(zhí)行此發(fā)電控制過程。因此，當(dāng) 發(fā)電控制過程開始時燃料電池r根本不發(fā)電。因此，當(dāng)氬濃度傳感器
4a、 4b檢測到氫氣的存在時，不執(zhí)行該控制過程。此外，在被執(zhí)行了 本控制過程的圖6所示的燃料電池l，中，單元電池la—001和單元電池 la_200分別連接到伏特計上，從而使ECU 5能夠檢測單元電池(的電 壓)所產(chǎn)生的電動勢。當(dāng)使用圖8所示的發(fā)電控制過程時，氬濃度傳 感器4a、 4b是可選的。在步驟S501中，與上述步驟S401類似，隨著供給氬氣而打 開出口閥9。然后，控制進(jìn)入步驟S502，其中在第1電池處檢測OCV (開路電壓(open circuit voltage ))。這是因為由于在步驟S501中氬氣
供給到燃料電池r，在入口 if附近的第i電池處發(fā)生了局部的發(fā)電反
應(yīng)。在步驟S502的過程結(jié)束后，該控制進(jìn)入步驟S503 。在步驟S503中，檢測第200電池的OCV。這是因為當(dāng)在步 驟S501中開始供給的氫氣到達(dá)第200電池時，在位于燃料電池1，的底部的第200電池處發(fā)生了局部的發(fā)電反應(yīng)。在步驟S503中的過程結(jié) 束后，該控制進(jìn)入步驟S504 。在步驟S504中，利用步驟S502中在第1電池處4企測OCV 的時間和步驟S503中在第200電池處纟企測OCV的時間之間的時間間 隔TD,根據(jù)下面的公式(4)來計算用于確定關(guān)閉出口閥9的時間的 閥關(guān)閉時間T2。
T2=CxTD …(4)
上述C是用于計算閥關(guān)閉時間T2的系數(shù)。閥關(guān)閉時間T2是從當(dāng) 檢測到從第200電池排出的氣體中的氬氣開始，繼續(xù)供給氬氣以啟動
燃料電池r所需的時間。因而，考慮到燃料電池r的大小、第200電
池的位置等適當(dāng)?shù)卮_定閥關(guān)閉時間T2。在本實施例中，因為第200電
池是位于燃料電池r的底部的單元電池，所以當(dāng)在第200電池處檢測 氬氣時就能夠確定出足量的氫氣被供給以開始燃料電池r的發(fā)電。因
此，系數(shù)C可設(shè)置為相對小的值。在步驟S504中的過程結(jié)束后，該控 制進(jìn)入步驟S505 。在步驟S505中，確定從步驟S503中在第200電池處檢測起 是否已經(jīng)經(jīng)過了閥關(guān)閉時間T2。如果確定出已經(jīng)經(jīng)過了時間T2,則該 控制進(jìn)入步驟S506。如果確定出沒有經(jīng)過時間T2,則重復(fù)步驟S505 中的過程。在步驟S506中， 一旦經(jīng)過了閥關(guān)閉時間T2就關(guān)閉出口閥 9。然后，在步驟S507中，燃料電池l，開始發(fā)電。在此啟動燃料電池 的情況下，因為已經(jīng)經(jīng)過了閥關(guān)閉時間T2，所以燃料電池l，的每個單 元電池la中的滲透的氮氣被排出。因此，能夠有效地發(fā)電。此外，與
3120 圖7所示的控制過程不同，在此控制過程中，沒有使用氫濃度傳感器， 從而能夠降低構(gòu)造燃料電池系統(tǒng)的成本。
此外，4艮據(jù)本實施例，在第1和第200電池處4企測OCV; 但是，不需要使用分別位于燃料電池l，的入口和底部的兩個電池處的 OCV。例如，可使用任意兩個間隔的單元電池，如第150電池和第200 電池、第10電池和第100電池或第10電池和第150電池，這并沒有 超出本發(fā)明的精神和范圍。在這種情況下，須基于在這兩個單元電池 處檢測OCVs的時刻之間的時間間隔TD來適當(dāng)?shù)卦O(shè)置系數(shù)C以計算 適當(dāng)?shù)拈y關(guān)閉時間T2。例如，如果使用第10電池和第100電池處4企測 OCV的時間點之間的時間間隔，因為有一些時間是用于氬氣從第100 電池到達(dá)燃料電池底部的第200電池，所以，系數(shù)C設(shè)定的大于上述 值。
此外，可選擇兩個單元電池使得在這兩個單元電池處檢測 OCVs的時刻之間的時間間隔TD相對較大。這是因為檢測每個單元電 池的OCV的時間很容易受氫氣的流動的影響，即使在環(huán)境溫度或堆疊 溫度相同的條件下，時間間隔TD也會在一定程度內(nèi)變化。因此，為了 盡可能地減少這種影響，優(yōu)選地，選擇兩個單元電池使得兩個單元電 池之間的時間間隔TD不小于0.1秒。
雖然以上已經(jīng)示出了本發(fā)明的一些實施例，但應(yīng)理解的是， 本發(fā)明并不限于所示出的實施例的詳細(xì)說明，而是可具體體現(xiàn)為本領(lǐng) 域的技術(shù)人員可想到的沒有超出本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種變化、 修改或改進(jìn)。
權(quán)利要求
1、一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池，其包括相互堆疊的多個單元電池；第一和第二端板，所述第一和第二端板之間插入所述多個單元電池；供氣通道，其在所述多個單元電池的堆疊方向上延伸，將氣體供給到所述多個單元電池，并且具有在所述第一端板側(cè)上的入口；及排氣通道，從所述多個單元電池排出的氣體流經(jīng)所述排氣通道，并且所述排氣通道具有在所述第一端板側(cè)上的出口；氫供給裝置，用于通過所述供氣通道將氫氣供給到所述燃料電池中的所述多個單元電池；氫濃度傳感器，其設(shè)置在所述排氣通道中，檢測從所述多個單元電池排出的氣體中的氫濃度；及發(fā)電控制裝置，其基于由所述氫濃度傳感器檢測到的所述氫濃度來控制所述燃料電池中的發(fā)電過程。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述氫濃度傳感器 位于所述第二端板附近。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中在所述氫供給 裝置開始將所述氫氣供給到所述燃料電池后，當(dāng)由所述氫濃度傳感器檢測到的氫濃度等于或高于閾濃度時，所述發(fā)電控制裝置開始所述發(fā) 電過程。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括廢氣通道，經(jīng)由所述排氣通道從所述燃料電池排出的廢氣流經(jīng)所 述廢氣通道；及廢氣流量調(diào)節(jié)裝置，其設(shè)置在所述廢氣通道中，用于調(diào)節(jié)所述廢 氣的流量，其中所述發(fā)電控制裝置根據(jù)由所述氫濃度傳感器檢測到的氫濃度 來控制所述廢氣流量調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)所述流量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中當(dāng)所述廢氣流量調(diào) 節(jié)裝置禁止通過所述廢氣通道從所述燃料電池排出廢氣時，以及當(dāng)從 所述排氣通道的所述出口排出的所述廢氣沒有經(jīng)由所述供氣通道的所 述入口再循環(huán)到所述燃料電池時，所述燃料電池發(fā)電，及其中所述發(fā)電控制裝置根據(jù)由所述氫濃度傳感器;f企測到的所述氫 濃度來確定所述廢氣流量調(diào)節(jié)裝置是繼續(xù)禁止從所述燃料電池排出所 述廢氣還是開始排出所述廢氣。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中當(dāng)由所述氫濃 度傳感器檢測到的所述氫濃度等于或低于最小閾極限時，所述發(fā)電控 制裝置控制所述廢氣流量調(diào)節(jié)裝置將所述廢氣的排出流量增加到參考 排出流量以上。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中當(dāng)由所述氬濃 度傳感器檢測到的所述氫濃度等于或高于最大閾極限時，所述發(fā)電控制裝置控制所述廢氣流量調(diào)節(jié)裝置將所述廢氣的排出流量減少到參考 排出流量以下。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中當(dāng)由所述氬濃度傳感器檢測到的所述氫濃度等于或高于最大閾極限時，所述發(fā)電控 制裝置控制所述廢氣流量調(diào)節(jié)裝置禁止排出所述廢氣。
9、 一種燃料電池系統(tǒng)，包括 燃料電池，其包括相互堆疊的多個單元電池；第一和第二端板，所述第一和第二端板之間插入所述多個單元電池；供氣通道，其在所述多個單元電池的堆疊方向上延伸，將氣 體供給到所述多個單元電池的每一個，并且具有在所述第一端板側(cè)上 的入口；及排氣通道，從所述多個單元電池排出的氣體流經(jīng)所述排氣通 道，并且所述排氣通道具有在所述第一端板側(cè)上的出口 ；氬供給裝置，用于通過所述供氣通道將氬氣供給到所述燃料電池 中的所述多個單元電池；第一氫濃度檢測裝置，用于檢測從所述多個單元電池的第一單元 電池排出的在所述排氣通道中流動的氣體中的氫濃度；第二氫濃度檢測裝置，用于檢測供給到所述多個單元電池的第二 單元電池的在所述供氣通道中流動的氣體中的氬濃度；及發(fā)電控制裝置，用于根據(jù)第 一 時間點和第二時間點之間的時間間 隔來控制所述燃料電池的發(fā)電過程，其中所述第 一時間點為所述第一 氫濃度檢測裝置檢測氫的時刻，所述第二時間點為所述第二氫濃度檢測裝置檢測氫的時刻。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第二氬濃度 檢測裝置設(shè)置在所述供氣通道中在所述第一端板附近。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9或IO所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一氬 濃度檢測裝置設(shè)置在所述排氣通道中在所述第二端板附近。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第二單元電 池相對于在所述供氣通道中流動的氬流位于所述第一單元電池的上 游。
13、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)從所 述燃料電池排出的廢氣的流量的廢氣流量調(diào)節(jié)裝置，其中當(dāng)在所述第二時間點后經(jīng)過了預(yù)定時間時，所述發(fā)電控制裝 置控制所述廢氣流量調(diào)節(jié)裝置停止從所述燃料電池排出所述廢氣。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述發(fā)電控制裝 置包括存儲了與溫度有關(guān)的關(guān)閉時間的設(shè)定表，其中所述發(fā)電控制裝置檢測關(guān)于所述燃料電池系統(tǒng)的溫度，并根 預(yù)定時間。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述發(fā)電控制裝 置根據(jù)所述第 一時間點和所述第二時間點之間的所述時間間隔來更新 存儲在所述設(shè)定表中的所述關(guān)閉時間。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中由所述發(fā)電控制 裝置檢測到的溫度包括所述燃料電池中的電池組溫度和所述燃料電池 系統(tǒng)的環(huán)境溫度。
17、 根據(jù)權(quán)利要求9到12中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 所述第一氫濃度檢測裝置和所述第二氫濃度檢測裝置根據(jù)將氫供給到 所述第一和第二單元電池而產(chǎn)生的電壓的變化來分別檢測所述第一和 第二單元電池的所述氫濃度，其中所述第 一時間點是所述第 一單元電池中產(chǎn)生的電壓達(dá)到預(yù)定 參考電壓的時刻，所述第二時間點是所述第二單元電池中產(chǎn)生的電壓 達(dá)到所述預(yù)定參考電壓的時刻，及其中所述發(fā)電控制裝置根據(jù)所述第 一 時間點和所述第二時間點之 間的所述時間間隔來控制所述燃料電池的所述發(fā)電過程。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)從所 述燃料電池排出的廢氣的流量的廢氣流量調(diào)節(jié)裝置，其中所述發(fā)電控制裝置根據(jù)所述第 一時間點和所述第二時間點來 計算關(guān)閉時間，并且當(dāng)自第一時間點經(jīng)過了所述關(guān)閉時間時，所述發(fā) 電控制裝置控制所述廢氣流量調(diào)節(jié)裝置停止從所述燃料電池排出所述 廢氣。
19、 一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池，其包括相互堆疊的多個單元電池；第一和第二端板，所述第一和第二端板之間插入所述多個單元電池；供氣通道，其在所述多個單元電池的堆疊方向上延伸，將氣 體供給到所述多個單元電池，并且具有在所述第 一端板側(cè)上的入口 ； 及排氣通道，從所述多個單元電池排出的氣體流經(jīng)所述排氣通 道，并且所述排氣通道具有在所述第一端板側(cè)上的出口 ；氫供給裝置，用于將氫氣供給到所述燃料電池中的所述多個單元 電池；氫濃度檢測裝置，其設(shè)置在所述排氣通道中在所述第二端板附近， 用于檢測從所述多個單元電池排出的氣體中的氫濃度；及控制器，其在所述氫供給裝置開始供給氫后從所述氬濃度傳感器 獲得所述氫濃度，如果獲得的所述氫濃度等于或大于閾濃度，則開始 所述燃料電池中的發(fā)電過程。
20、 一種燃津+電池系統(tǒng)，包才舌燃料電池，其包括相互堆疊的多個單元電池；第一和第二端板，所述第一和第二端板之間插入所述多個單元電池；供氣通道，其在所述多個單元電池的堆疊方向上延伸，將氣體供給到所述多個單元電池，并且具有在所述第一端板側(cè)上的入口； 及排氣通道，從所述多個單元電池排出的氣體流經(jīng)所述排氣通 道，并且所述排氣通道具有在所述第一端板側(cè)上的出口 ；氫濃度傳感器，其設(shè)置在所述排氣通道中在所述第二端板附近， 用于檢測從所述多個單元電池排出的氣體中的氫濃度；廢氣通道，經(jīng)由所述排氣通道從所述燃料電池排出的氣體流經(jīng)所 述廢氣通道；廢氣流量調(diào)節(jié)裝置，其設(shè)置在所述廢氣通道中，用于調(diào)節(jié)所述廢 氣的流量；及控制器，其基于由所述氫濃度傳感器檢測到的所述氫濃度，利用 所述廢氣流量調(diào)節(jié)裝置來控制所述廢氣的排出流量。
21、 一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池，其包括相互堆疊的多個單元電池；第一和第二端板，所述第一和第二端板之間插入所述多個單元電池；供氣通道，其在所述多個單元電池的堆疊方向上延伸，將氣 體供給到所述多個單元電池，并且具有在所述第一端板側(cè)上的入口； 及排氣通道，從所述多個單元電池排出的氣體流經(jīng)所述排氣通道，并且所述排氣通道具有在所述第一端板側(cè)上的出口 ；氫供給裝置，用于通過所述供氣通道將氫氣供給到所述燃料電池中的所述多個單元電池；氫濃度傳感器，其設(shè)置在所述排氣通道中，檢測從所述多個單元 電池排出的氣體中的氫濃度；及發(fā)電控制器，當(dāng)所述氫供給裝置供給所述氬氣時，所述發(fā)電控制 器基于由所述氫濃度傳感器檢測到的所述氫濃度來控制所述燃料電池 中的發(fā)電過程。
22、 一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃泮+電池，其包括相互堆疊的多個單元電池；第一和第二端板，所述第一和第二端板之間插入所述多個單元電池；供氣通道，其在所述多個單元電池的堆疊方向上延伸，將氣 體供給到所述多個單元電池的每一個，并且具有在所述第一端板側(cè)上 的入口；及排氣通道，從所述多個單元電池排出的氣體流經(jīng)所述排氣通 道，并且所述排氣通道具有在所述第一端板側(cè)上的出口 ；氬供給裝置，用于通過所述供氣通道將氫氣供給到所述燃料電池 中的所述多個單元電池；第 一氫濃度傳感器，用于檢測從所述多個單元電池的第 一單元電池排出的并且在所述排氣通道中流動的氣體中的氪濃度；第二氫濃度傳感器，用于檢測供給到所述多個單元電池的第二單 元電池的并且在所述供氣通道中流動的氣體中的氫濃度；及發(fā)電控制器，用于根據(jù)第 一 時間點和第二時間點之間的時間間隔 來控制所述燃料電池的發(fā)電過程，其中所述第一時間點為所述第一氪 濃度檢測裝置檢測氬的時刻，所述第二時間點為所述第二氫濃度檢測 裝置檢測氫的時刻。
全文摘要
一種包括燃料電池(1)的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池(1)包括相互堆疊的多個單元電池(1a)；第一和第二端板(1b、1c)，所述第一和第二端板(1b、1c)之間插入所述多個單元電池；以及供氣通道(1d)及排氣通道(1e)，其均在所述單元電池的堆疊方向上延伸。所述供氣通道(1d)的入口(1f)和排氣通道(1e)的出口(1g)位于所述第一端板側(cè)上。氫濃度傳感器(4)設(shè)置在所述排氣通道中，并且檢測從所述多個單元電池排出的氣體中的氫濃度?；谟伤鰵錆舛葌鞲衅?4)檢測到的所述氫濃度來控制所述燃料電池中的發(fā)電過程。
文檔編號H01M8/04GK101405904SQ200780009394
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者久米英明, 加藤英俊, 手塚卓睦, 菅野善仁 申請人:豐田自動車株式會社