專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，具體涉及使燃料電池堆在燃料廢氣通道 關(guān)閉的條件下運(yùn)行的燃料電池系統(tǒng)。
相關(guān)技術(shù)描述
燃料電池具有堆疊有多個(gè)單電池的燃料電池堆。每個(gè)單電池是通過(guò)
例如堆疊膜電極組合件(MEA)和隔離器(隔板)形成的。膜電極組 合件具有由離子交換樹(shù)脂制成的電解質(zhì)膜、設(shè)置在電解質(zhì)膜的兩個(gè)表面 中的一個(gè)表面上的陽(yáng)極、和設(shè)置在電解質(zhì)膜的另一表面上的陰極。此夕卜， 每個(gè)陽(yáng)極和陰極都具有設(shè)置為和電解質(zhì)膜接觸的催化劑層。當(dāng)每個(gè)電極 供給有反應(yīng)物氣體時(shí)，在電極之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。具體 地，在氫(燃料氣體)接觸陽(yáng)極并且氧(氧化劑氣體)接觸陰極時(shí)發(fā)生 反應(yīng)。
通常，陰極供給有通過(guò)壓縮機(jī)從外部吸入的空氣。另一方面，陽(yáng)極 供給有儲(chǔ)存在高壓氳罐中的氫。 一種將氫供給到陽(yáng)極的方法是閉端方法 (例如，見(jiàn)PCT申請(qǐng)No. 2004-536436的公開(kāi)的日文譯文(JP - A - 2004 -536436))。在該方法中，系統(tǒng)在氫通道關(guān)閉的條件下運(yùn)行，使得陽(yáng)極 供給有對(duì)應(yīng)于氫消耗量的量的氫。
在閉端型燃料電池系統(tǒng)的情況下，留存于燃料氣體通道中的雜質(zhì)的 量隨時(shí)間的流逝增加。例如，供給到陰極的空氣中包含的氮滲透穿過(guò)電 解質(zhì)膜，并累積在陽(yáng)極側(cè)。由于陽(yáng)極側(cè)壓力調(diào)節(jié)為等于預(yù)定值，所以氮 量的增加相對(duì)減小了氫的分壓，導(dǎo)致燃料電池的電壓降低。因此，在 PCT申請(qǐng)的公開(kāi)的日文譯文No. 2004 - 536436 ( JP - A - 2004 - 536436 ) 中，提供了一種從氫通道中排放雜質(zhì)的吹掃閥，并且打開(kāi)吹掃閥以恢復(fù) 電壓。
通常，燃料電池堆設(shè)置有將氫分配到單個(gè)的單電池的供給歧管和集 中排放來(lái)自單個(gè)的單電池的燃料廢氣的排放歧管。此外，單電池具有因在制造中導(dǎo)致的變化而變化的壓力損失。在具有高的壓力損失的單電池 中，與具有低的壓力損失的單電池相比，氫較不容易從供給歧管引入到 單電池中。另一方面，從單電池排放到排放歧管的燃料廢氣可能被吸入 壓力損失高的單電池中。因此，雜質(zhì)可能累積在壓力損失高的單電池中， 并且電壓從這些單電池開(kāi)始降低。這導(dǎo)致單電池之間發(fā)電量不同的問(wèn) 題。
在 PCT 申請(qǐng)的公開(kāi)的日文譯文 No. 2004-536436 (JP-A-2004-536436)中描述的燃料電池系統(tǒng)中，測(cè)量了設(shè)置在燃料電 池堆的氣體出口側(cè)終端處的單電池的電壓。通過(guò)將由此測(cè)量的值與閾值 比較，確定打開(kāi)吹掃閥的時(shí)刻。然而，PCT申請(qǐng)的公開(kāi)的日文譯文No. 2004-536436 ( JP-A-2004-536436 )并未注意到由變化的單電池壓力損失 導(dǎo)致的雜質(zhì)沉積量的變化，因此，可能不能解決單電池之間發(fā)電量變化 的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是抑制采用閉端方法的燃料電池系統(tǒng)中單電池 之間發(fā)電量的變化。
本發(fā)明的第一方面是燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)具有燃料電 池堆，所述燃料電池堆包括多個(gè)堆疊的且串聯(lián)連接的單電池、將燃料氣 體分配到所述單電池的每一個(gè)中的供給歧管、和燃料廢氣從所述單電池 的每一個(gè)排放到其中的排放歧管，所述燃料電池系統(tǒng)使所述燃料電池堆 在所述燃料廢氣基本上滯留在所述燃料電池堆內(nèi)的狀態(tài)下運(yùn)行，所述燃 料電池系統(tǒng)的特征在于
所述多個(gè)單電池包括第一單電池和至少一個(gè)第二單電池，所述至少 一個(gè)第二單電池的氣體通道阻力小于所述第一單電池的氣體通道阻力，
和
r〈nR，其中r是所述至少一個(gè)第二單電池中氣體通道阻力最大的單 電池的氣體通道阻力，R是通過(guò)結(jié)合所述第一單電池和所述至少一個(gè)第 二單電池的所述氣體通道阻力而獲得的值，n是所述多個(gè)單電池的總數(shù) 目(n是2或更大的整數(shù))。
6本發(fā)明的第二方面是燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)具有燃料電 池堆，所述燃料電池堆包括多個(gè)堆疊的且串聯(lián)連接的單電池、將燃料氣 體分配到所述單電池的每一個(gè)中的供給歧管、和燃料廢氣從所述單電池 的每一個(gè)排放到其中的排放歧管，并且所述燃料電池系統(tǒng)使所述燃料電 池堆在所述燃料廢氣的通道關(guān)閉的狀態(tài)下運(yùn)行，所述燃料電池系統(tǒng)的特
征在于所述多個(gè)單電池包括第一單電池和至少一個(gè)第二單電池，所述
至少一個(gè)第二單電池的氣體通道阻力小于所述第一單電池的所述氣體 通道阻力，和r<nR，其中r是所述至少一個(gè)第二單電池中氣體通道阻 力最大的單電池的氣體通道阻力，R是通過(guò)結(jié)合所述第一單電池和所述 至少一個(gè)第二單電池的所述氣體通道阻力而獲得的值，n是所述多個(gè)單 電池的總數(shù)目(n是2或更大的整數(shù))。
本發(fā)明的第三方面是燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)具有燃料電 池堆，所述燃料電池堆包括多個(gè)堆疊的且串聯(lián)連接的單電池、將燃料氣 體分配到所述單電池的每一個(gè)中的供給歧管、和燃料廢氣從所述單電池 的每一個(gè)排放到其中的排放歧管，所述燃料電池系統(tǒng)使所述燃料電池堆 在所述燃料廢氣的通道關(guān)閉的狀態(tài)下運(yùn)行，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在 于所述單電池的每一個(gè)設(shè)置有位于所述供給歧管和所述排放歧管之間 的電池通道，并且所述多個(gè)單電池包括第一單電池和至少一個(gè)第二單電 池，所述第一單電池具有連接所述供給歧管和所述電池通道的并且容量 為W的連通部分，所述至少一個(gè)第二單電池具有連接所述供給歧管和 所述電池通道的并且容量為V2 (V^V2)的連通部分，和確定所述容量 V"使得滿(mǎn)足關(guān)系r<nR，其中r是所述至少一個(gè)第二單電池中氣體通 道阻力最大的單電池的氣體通道阻力，R是通過(guò)結(jié)合所述第一單電池和 所述至少一個(gè)第二單電池的所述氣體通道阻力而獲得的值，n是所述多 個(gè)單電池的總數(shù)目(n是2或更大的整數(shù))。
本發(fā)明的第四方面是燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)具有燃料電 池堆，所述燃料電池堆包括多個(gè)堆疊的且串聯(lián)連接的單電池、將燃料氣 體分配到所述單電池的每一個(gè)中的供給歧管、和燃料廢氣從所述單電池 的每一個(gè)排放到其中的排放歧管，所述燃料電池系統(tǒng)使所述燃料電池堆 在所述燃料廢氣基本上滯留在所述燃料電池堆內(nèi)的狀態(tài)下運(yùn)行，所述燃 料電池系統(tǒng)的特征在于所述多個(gè)單電池包括第一單電池、和至少一個(gè)第二單電池，所述至 少一個(gè)第二單電池的氣體通道阻力小于所述第一單電池的氣體通道阻
力，和
氣體通道阻力在所述多個(gè)單電池中最大的單電池的陰極的催化劑 層與除氣體通道阻力最大的所述單電池之外的其它單電池的催化劑層不同。
在本發(fā)明的第一方面到第四方面中，在第一電池中容許陰極的催化 劑層可負(fù)載于金屬上。在該情況下，催化劑層可以是鉑黑層、鉑細(xì)粒層 或鈿合金細(xì)粒層。
在本發(fā)明的第一方面到第四方面中，第一單電池可以連接有用于吹 掃所述燃料廢氣的吹掃裝置。尤其在第三方面中，吹掃裝置可以連接到 第一單電池的電池通道。此外，燃料電池系統(tǒng)還可以包括用于估計(jì)或測(cè) 量所述第一單電池內(nèi)的燃料廢氣中包含的除燃料氣體之外的組分的量 的裝置，并且在所述組分的量變得等于或大于預(yù)定值時(shí)可使所述吹掃裝 置運(yùn)行。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面和第二方面，夠成燃料電池堆的單電池包括第 一單電池、和氣體通道阻力小于所述第 一單電池的所述一個(gè)或更多個(gè)第二
單電池，并且滿(mǎn)足關(guān)系r〈nR，其中r是所述第二單電池中氣體通道阻力 最大的單電池的氣體通道阻力，R是通過(guò)結(jié)合所述第 一單電池和所述第 二單電池的所述氣體通道阻力而獲得的值，n是所述多個(gè)單電池的總數(shù) 目(n是2或更大的整數(shù))。因此，可以有效地使燃料廢氣流入第一單 電池中，使得雜質(zhì)可以集中在第一單電池中。由于這防止了雜質(zhì)累積在 第二單電池中，所以能夠抑制單電池之間發(fā)電量的變化。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，構(gòu)成燃料電池堆的單電池包括第一單電池 和一個(gè)或更多個(gè)第二單電池，所述第一單電池具有連接所述供給歧管和 所述電池通道的并且容量為Vi的連通部分，所述一個(gè)或更多個(gè)第二單 電池具有連接所述供給歧管和所述電池通道的并且容量為V2 ( V^VJ 的連通部分，并且確定所述容量Vn使得滿(mǎn)足關(guān)系r〈nR，其中r是所 述第二單電池中氣體通道阻力最大的單電池的氣體通道阻力，R是通過(guò)
結(jié)合所述第一單電池和所述第二單電池的所述氣體通道阻力而獲得的
8值，n是所述多個(gè)單電池的總數(shù)目(n是2或更大的整數(shù))。因此，可以有效地使燃料廢氣流入所述第 一單電池中，使得雜質(zhì)可以集中在第一單電池中。由于這防止了雜質(zhì)累積在第二單電池中，所以能夠抑制單電池之間發(fā)電量的變化。


參照附圖，從以下示例性實(shí)施方案的說(shuō)明中，本發(fā)明的前述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)會(huì)變得明顯，附圖中類(lèi)似的附圖標(biāo)記用于表示類(lèi)似的要素/元件，其中
圖l是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2是示出圖l所示的燃料電池堆中的氣體流動(dòng)的示意圖3A是沿圖2的線(xiàn)3A-3A，截取的截面示意圖，圖3B是沿圖2的線(xiàn)3B-3B，截取的截面示意圖4顯示該實(shí)施方案中電池電壓隨時(shí)間變化的一個(gè)實(shí)例；
圖5A和5B顯示該實(shí)施方案中的燃料電池堆中的氣體流動(dòng)的其它實(shí)例；和
圖6是顯示該實(shí)施方案中氣體流動(dòng)量和壓力損失之間的關(guān)系的一個(gè)實(shí)例的圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照?qǐng)D1 6描述才艮據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)。在圖1~3和圖5A與5B中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分。
圖l是根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖的一個(gè)實(shí)例。該燃料電池可應(yīng)用于各種用途，例如用作車(chē)載型燃料電池系統(tǒng)、地面安裝型燃料電池系統(tǒng)等。
如圖1所示，燃料電池系統(tǒng)1包括燃料電池堆2、將壓縮空氣供給到燃料電池堆2的壓縮機(jī)3、回^燃料電池堆2排放的氧化劑廢氣中包含的濕氣并對(duì)待供給到燃料電池堆2的空氣進(jìn)行加濕的加濕器4、調(diào)節(jié)>^縮機(jī)3供給到燃料電池堆2的空氣的壓力的空氣壓力調(diào)節(jié)閥5、儲(chǔ)存高壓
9狀態(tài)下的干燥氫的氫罐6、調(diào)節(jié)從氫罐6供給到燃料電池堆2的氫的壓力的氫壓力調(diào)節(jié)閥7、和設(shè)置在從燃料電池堆2排放的燃料廢氣的通道10上的吹掃閥8。通過(guò)打開(kāi)吹掃閥8可以吹掃燃料廢氣。
在燃料電池系統(tǒng)l中，通過(guò)閉端方法進(jìn)行氫到陽(yáng)極(未顯示)的供給。也就是說(shuō)，當(dāng)關(guān)閉吹掃閥8時(shí)，關(guān)閉了燃料廢氣的通道IO，使得僅作為來(lái)自氫罐6的供給來(lái)進(jìn)行氫的供給。根據(jù)該閉端方法，所供給的氬被燃料電池堆2中發(fā)生的反應(yīng)全部消耗掉。因此，只將與消耗量相同量的氫重新供給到陽(yáng)極。
順便提及，供給到陽(yáng)極的燃料氣體不限于氫。例如，作為待供給到陽(yáng)極的氫源，能夠使用通過(guò)烴基化合物的重整反應(yīng)所產(chǎn)生的重整氣體。在該情況下使用的烴基化合物可以是包含甲烷作為主要成分的天然氣、諸如曱醇等的醇、汽油等。然后，根據(jù)所用的烴基化合物的種類(lèi)，選#^合于重整反應(yīng)的催化劑和溫度。以該方式，產(chǎn)生含有氫、二氧化碳和水的富氫重整氣體。
圖2是圖1所示的燃料電池堆2中的氣體流動(dòng)的示意圖。箭頭表示氣體流動(dòng)的方向。
在圖2中，燃料電池堆2具有多個(gè)單電池堆疊并串聯(lián)連接的堆結(jié)構(gòu)。多個(gè)單電池包括單電池15和電池堆11。單電池15可以i人為是本發(fā)明中的第一單電池，并且在該實(shí)施方案中是一個(gè)單電池。另一方面，通過(guò)堆疊多個(gè)相同種類(lèi)的單電池16形成電池堆11。在此處，相同種類(lèi)的單電池是具有相同形狀的單電池，包括具有因源于其制造工藝的壓力損失變化而引起的壓力損失差異的單電池。此夕卜，單電池16的每一個(gè)可以認(rèn)為是本發(fā)明中的第二單電池。單電池16的總數(shù)只需要是一個(gè)或更多個(gè)，而不受圖2的實(shí)例限制。
從通道12已進(jìn)入燃料電池堆2的氫通過(guò)供給歧管13供給到每個(gè)單電池。在消耗發(fā)電所需的量的氫之后，所得氣體作為燃料廢氣從單電^卜放到排放歧管14中。
在該實(shí)施方案中，使排放到排放歧管中的燃料廢氣主動(dòng)流入特定的單電池中。圖2所示的實(shí)例構(gòu)建為使從單電池16排放的燃料廢氣流入位于燃料廢氣出口側(cè)末端的單電池15中。該結(jié)構(gòu)可以防止包含在燃料廢氣中的諸如氮等雜質(zhì)累積在單電池16中，并且可以使雜質(zhì)累積在單電池15中。
10圖3A是沿圖2的線(xiàn)3A-3A，截取的截面圖，顯示了任意的一個(gè)單電池16。
在圖3A中，從供給歧管13引入的氫穿過(guò)容量為V2的連通部分17, 并且通過(guò)電池通道18供給到陽(yáng)極19。在陽(yáng)極19上消耗必要量的氫之后， 氫與諸如氮等的雜質(zhì)一起穿過(guò)連通部分20，并且被排放到排放歧管14中。
在圖3A中，附圖標(biāo)記21表示空氣供給歧管，22表示冷卻水供給歧管， 23表示空氣排放歧管，24表示冷卻^#放歧管。然而，在該實(shí)施方案中， 用于供給或排放氫、空氣和冷卻水的歧管的位置不限于該圖中所示的那 些。
圖3B是沿圖2的線(xiàn)3B-3B，截取的單電池15的截面圖。與圖3A中相 同的附圖標(biāo)記表示相同的部分。
在圖3B中，從供給歧管13引入的氫穿過(guò)連通部分25,并且通過(guò)電池 通道18供給到陽(yáng)極19。此處應(yīng)當(dāng)注意，與圖3A所示的連通部分17相比， 連通部分25具有容量K (V^V2 )，也就是說(shuō)，其結(jié)構(gòu)具有較小的容量， 更具體地，其結(jié)構(gòu)具有較小的截面面積。因此，與在圖3A中所示的單電 池16相比，在圖3B中所示的單電池15中流到電池通道18中的氳的量較 小。
在陽(yáng)極19上消耗掉必要量的氫之后，燃料廢氣通過(guò)連通部分20排放 到排放歧管14中。此處應(yīng)當(dāng)注意，在單電池15中，由于連通部分25的容 量相對(duì)小，所以流到電池通道18中的氳的流動(dòng)量也相對(duì)小，使得在單電池 15中排放到排放歧管14中的燃料廢氣的流速小于單電池16中的流速。因 此，從單電池16排放到排放歧管14中的燃料廢氣通過(guò)單電池15的連通部 分20流入單電池15的電池通道18中。因此，能夠防止包含在燃料廢氣中 的諸如氮等的雜質(zhì)累積在單電池16中，并且使得雜質(zhì)累積在單電池15中， 這會(huì)在下文進(jìn)一步描述。
通過(guò)測(cè)量供給歧管和排放歧管之間的壓力差可以發(fā)現(xiàn)單電池的壓力損 失。然后，因?yàn)閴毫p失與電流密度成比例，所以認(rèn)為不是通過(guò)擴(kuò)散而是 通過(guò)形成流動(dòng)場(chǎng)而引起氫供給到陽(yáng)極。
單電池的壓力損失因源自制造的不同而變化。與壓力損失低的單電池 相比，在壓力損失高的單電池中氫較不易從供給歧管引入到單電池中。另 一方面，排放到排放歧管中的燃料廢氣易于被吸入壓力損失高的單電池中。因此，在相關(guān)技術(shù)的燃料電池堆中，雜質(zhì)易于存在于壓力損失高的單 電池中。然而，在該實(shí)施方案中，特意提供壓力損失比其它單電池高的單 電池，并且提供使從其它單電池排放的燃料廢氣流入壓力損失高的單電池 中的結(jié)構(gòu)。
在圖3B的實(shí)例中，通過(guò)使連通部分25的容量更小，使得單電池15 的壓力損失高于單電池16的壓力損失。在單電池15中，因?yàn)閬?lái)自供給歧 管13的氫的流動(dòng)量小，所以也吸入來(lái)自排放歧管14的氣體。具體地，因 為從單電池16中排放的燃料廢氣流入單電池15中，所以能夠防止雜質(zhì)累 積在單電池16中，并且使雜質(zhì)累積在單電池15中。
需要單電池15的壓力損失高于單電池16的壓力損失的最高值。也就 是說(shuō)，該實(shí)施方案的特征是特意提供壓力損失不在由制勤目關(guān)的原因?qū)е?的壓力損失變化的范圍內(nèi)的單電池，而是高于該范圍的高壓力損失。因此， 因?yàn)殡s質(zhì)可以主動(dòng)地累積在壓力損失高的單電池中，所以該實(shí)施方案能夠 防止雜質(zhì)累積在單電池中，并且抑制電池電壓的降低，即使單電池用在相 關(guān)技術(shù)的燃料電池堆中時(shí)易于累積雜質(zhì)的也是如此。
圖4顯示了圖5A和5B中所示的燃料電池堆中電池電壓隨時(shí)間變化的 測(cè)量結(jié)果。該燃料電池堆的結(jié)構(gòu)與圖2中所示的燃料電池堆的結(jié)構(gòu)基本上 相同，但是與其不同之處在于管連接到燃料電池堆的方式。順便提及，在 圖5A和5B中，附圖標(biāo)記26表示用于吹掃燃料廢氣的吹掃閥。
首先，如圖5A所示，打開(kāi)閥27以使氫通過(guò)供給歧管13和排放歧管 14流入單電池中(測(cè)量a)。然后，觀察到如圖4所示的每個(gè)單電池的電壓 根據(jù)時(shí)間流逝的降低。這認(rèn)為是因?yàn)闅渫ㄟ^(guò)排放歧管14的流入防止了雜質(zhì) 被排出，而是使雜質(zhì)累積在每個(gè)單電池中。在圖4中，單電池(l) ~ (4) 具有與圖3A所示的基4^目同的結(jié)構(gòu)，單電池(5)具有與圖3B所示的基
;M目同的結(jié)構(gòu)。
緊接著，如圖5B所示，關(guān)閉閥27以使氫^it過(guò)供給歧管13流入單 電池中(測(cè)量b)。結(jié)果，在連通部分容量小的單電池(5)中觀察到電壓 降低，但是在其它單電池(1)到(4)中幾乎沒(méi)有觀察到電壓降低，如圖 4所示。這明確M示雜質(zhì)累積在單電池(5)中，而在其它單電池(1) 到(4)中抑制了雜質(zhì)的累積。
下面將基于單電池15和單電池16的氣體通道阻力考慮單電池15的連通部分25的容量。
在該實(shí)施方案中，單電池15的連通部分25的容量確定為滿(mǎn)足關(guān)系 r<nR，其中r是除單電池15之外所有單電池中即構(gòu)成電池堆11的至少一 個(gè)單電池16中氣體通道阻力最大的單電池的氣體通道阻力，R是通過(guò)結(jié)合 包括單電池15在內(nèi)的所有單電池的氣體通道阻力獲得的值，n是單電池的 總數(shù)U是2或更大的整數(shù))。在該不等式中，
R=l/(l/ri+l/r2+l/r3+ ...+Vrn)。
圖6顯示單電池中氣體流動(dòng)量和壓力損失之間的關(guān)系的實(shí)例。在該圖
中，單電池(6)到(10)具有與圖3A中所示的基;M目同的結(jié)構(gòu)，單電池 (ll)具有與圖3B中所示的基4^目同的結(jié)構(gòu)。此外，堆疊的單電池的直 線(xiàn)斜率可以通過(guò)用單電池的總數(shù)目n乘以通過(guò)結(jié)合單電池(6)到(11)的 氣體通道阻力所得的值R來(lái)獲得。在圖6所示的該情況下，n = 6。在該情 況下，R"/(l/r6+l/r7+l/i"8+l/r9+l/ru)+l/rn)，其中r6、 r 、 r8、 r" n。和r"分別
是單電池(6)到(11)的氣體通道阻力。
從圖6中可知，r一r6〉r—r—^?！祌n，使得在這些單電池(6)到(10) 中，單電池(10)具有最大的氣體通道阻力。因此，單電池(10)的氣體 通道阻力n。對(duì)應(yīng)于前述的值r。因此，確定單電池(11)的連通部分的容 量，使得滿(mǎn)足關(guān)系r<nR。
在該實(shí)施方案中，對(duì)于單電池15，容許使用對(duì)因氬缺乏或電勢(shì)異常引 起的劣化有抗性的催化劑層，具體地為不是碳負(fù)載型的催化劑層。其原因 如下。
在該實(shí)施方案中，使燃料廢氣流入單電池15中，以使雜質(zhì)累積在單電
池15中。因此，單電池15達(dá)到低氫濃度和高氮濃度的狀態(tài)。在催化劑層
中使用碳的情形中，如果陽(yáng)極在正常溫度下達(dá)到氫缺乏狀態(tài)，則進(jìn)行碳和 5^^、司的反應(yīng)(^+21^040)2+州++40，使得在陰狄生碳的氧化。此外，
如果氮的濃度變高，則陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)上的電勢(shì)升高，使得如前述情形中 一樣易于出現(xiàn)碳的氧化。這樣的反應(yīng)可以通過(guò)使用不是碳負(fù)載型的催化劑 層iME免，使得可以抑制單電池15的劣化。不是碳負(fù)載型的催化劑層的實(shí) 例包括鉑黑層、鉑細(xì)粒層、鉑^r細(xì)粒層等。
順便提及，如果在所有的單電池中使用不是碳負(fù)載型的陰極催化劑層， 則會(huì)由于催化劑性能降低而導(dǎo)致燃料電池堆的發(fā)電效率降低。如果僅在主
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動(dòng)引起雜質(zhì)累積的單電池中使用不是碳負(fù)載型的催化劑層并且在其它單 電池中使用碳負(fù)載型的催化劑層，則可以防止其它單電池發(fā)電性能的降 低，并且可以提高整個(gè)燃料電池堆的發(fā)電性能。
而且，在該實(shí)施方案中，累積雜質(zhì)的單電池可以連接有用于吹掃燃料
廢氣的吹掃裝置。例如，如圖2和3B所示的，用于吹掃燃料廢氣的通道 10可以連接到單電池15的電池通道18，并且在通道10上可以設(shè)置吹掃閥 8。由于從單電池16排出的燃料廢氣流入到單電池15中，所以包含在燃料 廢氣中的雜質(zhì)逐漸集中在單電池15中。如果可以通過(guò)打開(kāi)吹掃閥8將燃料 廢氣從單電池15中吹掃出，則可以將雜質(zhì)有效地排放到外部。順便提及， 在單電池15中，由于氣體從連接到排放歧管14的連通部分20流入，所以 不妨礙吹掃，即使連接到供給歧管13的連通部分25的容量小時(shí)也是如此。
而且，在該實(shí)施方案中，可以設(shè)置用于估計(jì)或測(cè)量單電池15中雜質(zhì)量 的裝置，并且在雜質(zhì)的量變得等于或大于預(yù)定值時(shí)可以使吹掃裝置運(yùn)行。 在該實(shí)施方案中，由于雜質(zhì)集中在單電池15中，所以使用單電池15中的 雜質(zhì)量作為參考值會(huì)允許在合適的時(shí)刻進(jìn)行吹掃。雜質(zhì)可以定義為包含在 燃料廢氣中的除燃料氣體之外的成分。具體地，雜質(zhì)為氮、水、二氧化碳 等，并且估計(jì)或測(cè)量至少一種這些成分的量。
例如，可以預(yù)先掌握雜質(zhì)存在量隨時(shí)間的變化，然后在每次過(guò)去預(yù)定 的時(shí)間時(shí)可以打開(kāi)吹掃閥8以進(jìn)行吹掃。而且，可以測(cè)量單電池15的電壓， 然后可以在測(cè)量的值等于或小于預(yù)定值時(shí)打開(kāi)吹掃閥8。而且，可以測(cè)量 單電池15的電壓和單電池16的電壓，可以在單電池15的電壓和單電池 16的電壓之間的電壓差等于或大于預(yù)定值時(shí)打開(kāi)吹掃閥8。
如上所述，在該實(shí)施方案中，主動(dòng)使燃料廢氣從排放歧管流入特定的 單電池中，以使雜質(zhì)集中在該單電池中。這可以防止雜質(zhì)累積在其它單電 池中，因此可以抑制電池彼此之間發(fā)電量的變化。特別地，可以抑制因制 造的原因?qū)е碌牟煌瑝毫p失而引起的單電^J'司的雜質(zhì)存在量的變化， 由此抑制發(fā)電量的變化。
在該實(shí)施方案中，燃料廢氣流入其中的單電池的電壓隨時(shí)間流逝而降 低。然而，由于抑制了其它單電池的電壓降低，所以，就燃料電池堆整體 而言，可以改善發(fā)電特性。
在該實(shí)施方案中，如果在將燃料廢氣流入其中的單電池作為參考來(lái)確
14定吹掃的時(shí)刻，則可以在整個(gè)燃料電池堆中在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻進(jìn)行吹掃。特別 地，在相關(guān)技術(shù)的燃料電池堆中，由于電池電壓的降低趨勢(shì)因不同的壓力 損失而不同，所以對(duì)每個(gè)單電池的最佳吹掃時(shí)刻是不同的。因此，難以在 整個(gè)燃料電池堆中在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻進(jìn)行吹掃。然而，才艮據(jù)該實(shí)施方案，由于 電池電壓的降低主要發(fā)生在燃料廢氣流入其中的單電池中，所以，將燃料 廢氣流入其中的單電^為參考^夠的。
應(yīng)理解本發(fā)明不限于前述實(shí)施方案，而是可以在不背離本發(fā)明精神的 情況下以不同方式改變。
例如，在前述實(shí)施方案中，4吏位于燃料廢氣出口側(cè)末端的單電池累積 雜質(zhì)。然而，這不限制本發(fā)明，也可以4吏位于除出口側(cè)末端以外的位置處 的單電池累積雜質(zhì)。然而，在提供吹掃裝置的情形中，如果使位于出口側(cè) 末端處的單電池累積雜質(zhì)，則有助于管的連接，并且可以有效地進(jìn)行吹掃。
而且，盡管在該實(shí)施方案中，通過(guò)減小連通部分的容量來(lái)制造壓力損 失高的單電池，但是這不限制本發(fā)明。例如，也可以通過(guò)增加單電池中燃 料氣體通道的長(zhǎng)度來(lái)制造壓力損失高的單電池。具體地，如果燃料電池系 統(tǒng)(所述燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池堆，所述燃料電池堆包括多個(gè)堆疊 的且串聯(lián)連接的單電池、將燃料氣體分配到所述單電池的每一個(gè)中的供 給歧管、和燃料廢氣從所述單電池的每一個(gè)排放到其中的排放歧管，所
運(yùn)行)具有以下特征的話(huà)，則本發(fā)明實(shí)現(xiàn)與通過(guò)前述實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)的效果
基^目同的效果所述多個(gè)單電池包括第一單電池和至少一個(gè)第二單電 池，所述至少 一個(gè)第二單電池的氣體通道阻力小于所述第 一單電池的氣 體通道阻力；和滿(mǎn)足關(guān)系r<nR，其中r是所述至少一個(gè)第二單電池中 氣體通道阻力最大的單電池的氣體通道阻力，R是通過(guò)結(jié)合所述第一單 電池和所述至少一個(gè)第二單電池的所述氣體通道阻力而獲得的值，n是 所述單電池的總數(shù)目(n是2或更大的整數(shù))。
此外，本發(fā)明中的電池通道可以是多孔體通道，或者也可以是槽通道。 例如，在通過(guò)堆疊膜電極組合件、擴(kuò)散層、多孔體通道和隔離器(隔板) 形成的單電池中，多孔體通道可以設(shè)置在隔離器和擴(kuò)散層之間，并且燃料 氣體可以從多孔體通道供給到催化劑層。此外，隔離器可以設(shè)置有槽，燃 料氣體可以通過(guò)槽供給。而且，還容許僅壓力損失高的單電池設(shè)置有多孔 體通道，而其它單電池設(shè)置有槽通道。
15在前述實(shí)施方案中，盡管排放閥完全關(guān)閉的閉端操作是燃料電池系統(tǒng) 的基本操作，但是替代地也可以將排放閥稍微打開(kāi)的連續(xù)少量排放操作設(shè)
定為基4^Mt。連續(xù)少量排放操作是如下操作燃料氣體以與閉端操作基 ^目同的方式滯留在燃料電池堆內(nèi)，并且調(diào)節(jié)排放閥的打開(kāi)度，以使得從 系統(tǒng)中排出的燃料廢氣的流動(dòng)量變得等于與燃料電池堆內(nèi)消耗的燃料氣 體的量相比非常小的值。根據(jù)該連續(xù)少量排放操作，因?yàn)榭梢灾饾u排出存 在于燃料廢氣排放歧管中的雜質(zhì)，并且可以維持雜質(zhì)從陽(yáng)極氣體通道到燃 料廢氣排放歧管的輸送，所以在陽(yáng)極氣體通道中能夠保持低的雜質(zhì)濃度。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池堆，所述燃料電池堆包括多個(gè)堆疊的且串聯(lián)連接的單電池、將燃料氣體分配到所述單電池的每一個(gè)中的供給歧管、和燃料廢氣從所述單電池的每一個(gè)排放到其中的排放歧管，所述燃料電池系統(tǒng)使所述燃料電池堆在所述燃料廢氣基本上滯留在所述燃料電池堆內(nèi)的狀態(tài)下運(yùn)行，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于所述多個(gè)單電池包括第一單電池和至少一個(gè)第二單電池，所述至少一個(gè)第二單電池的氣體通道阻力小于所述第一單電池的氣體通道阻力，和r<nR，其中r是所述至少一個(gè)第二單電池中氣體通道阻力最大的單電池的氣體通道阻力，R是通過(guò)結(jié)合所述第一單電池和所述至少一個(gè)第二單電池的所述氣體通道阻力而獲得的值，n是所述多個(gè)單電池的總數(shù)目(n是2或更大的整數(shù))。
2. —種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池堆，所述燃料電池堆包括多個(gè)堆疊的且串聯(lián)連接的單電池、將燃料氣體分配到所述單電池的每一個(gè)中的供給歧管、和燃料廢氣從所述單電池的每一個(gè)排放到其中的排放歧管，并且所述燃料電池系統(tǒng)使所述燃料電池堆在所述燃料廢氣的通道關(guān)閉的狀態(tài)下運(yùn)行，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于所述多個(gè)單電池包括第一單電池和至少一個(gè)第二單電池，所述至少一個(gè)第二單電池的氣體通道阻力小于所述第一單電池的所述氣體通道阻力，和r〈nR，其中r是所述至少一個(gè)第二單電池中氣體通道阻力最大的單電池的氣體通道阻力，R是通過(guò)結(jié)合所述第一單電池和所述至少一個(gè)第二單電池的所述氣體通道阻力而獲得的值，n是所述多個(gè)單電池的總數(shù)目，(n是2或更大的整數(shù))。
3. —種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池堆，所述燃料電池堆包括多個(gè)堆疊的且串聯(lián)連接的單電池、將燃料氣體分配到所述單電池的每一個(gè)中的供給歧管、和燃料廢氣從所述單電池的每一個(gè)排放到其中的排放歧管，所述燃料電池系統(tǒng)使所述燃料電池堆在所述燃料廢氣的通道關(guān)閉的狀態(tài)下運(yùn)行，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于所述單電池的每一個(gè)設(shè)置有位于所述供給歧管和所述排放歧管之間的電池通道，并且所述多個(gè)單電池包括第 一單電池和至少 一個(gè)第二單電池，所述第 一單電池具有連接所述供給歧管和所述電池通道的并且其容量為K的連通部分，所述至少一個(gè)第二單電池具有連接所述供給歧管和所述電池通道的并且其容量為V2 (V-V2)的連通部分，和確定所述容量Vn使得滿(mǎn)足關(guān)系i^nR,其中r是所述至少一個(gè)第二單電池中氣體通道阻力最大的單電池的氣體通道阻力，R是通過(guò)結(jié)合所述第一單電池和所述至少一個(gè)第二單電池的所述氣體通道阻力而獲得的值，n是所述多個(gè)單電池的總數(shù)目(n是2或更大的整數(shù))。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中在所述第一單電池中，陰極的催化劑層負(fù)載于金屬上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一單電池的陰極的催化劑層是鉑黑層、鉑細(xì)粒層、或鉑合金細(xì)粒層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一單電池連接有用于吹掃所述燃料廢氣的吹掃裝置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括用于估計(jì)或測(cè)量所述第一單電池內(nèi)的所述燃料廢氣中包含的除燃料氣體之外的組分的量的裝置，其中在所述組分的量變得等于或大于預(yù)定值時(shí)使所述吹掃裝置運(yùn)行。
8. —種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池堆，所述燃料電池堆包括多個(gè)堆疊的且串聯(lián)連接的單電池、將燃料氣體分配到所述單電池的每一個(gè)中的供給歧管、和燃料廢氣從所述單電池的每一個(gè)排放到其中的排放歧管，所述燃料電池系統(tǒng)使所述燃料電池堆在所述燃料廢氣基本上滯留在所述燃料電池堆內(nèi)的狀態(tài)下運(yùn)行，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于所述多個(gè)單電池包括第一單電池、和至少一個(gè)第二單電池，所述至少一個(gè)第二單電池的氣體通道阻力小于所述第一單電池的氣體通道阻力，和氣體通道阻力在所述多個(gè)單電池中最大的單電池的陰極的催化劑層與除了氣體通道阻力最大的所述單電池之外的單電池的催化劑層不同。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中氣體通道阻力在所述多個(gè)單電池中最大的所述單電池的陰極的催化劑層負(fù)載于金屬上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中氣體通道阻力在所述多個(gè)單電池中最大的所述單電池的陰極的催化劑層是鉑黑層、鉑細(xì)粒層或鉑合金細(xì)粒層。
11. 一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)使燃料電池堆在燃料廢氣基本滯留在所述燃料電池堆內(nèi)的狀態(tài)下運(yùn)行，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆，所述燃料電池堆包括多個(gè)堆疊且串聯(lián)連接的單電池，將燃料氣體分配到每個(gè)所述單電池中的供給歧管，和燃料廢氣從所述單電池的每一個(gè)排到其中的排放歧管，其中所述多個(gè)單電池包括第一單電池和至少一個(gè)第二單電池，所述至少一個(gè)第二單電池的氣體通道阻力小于所述第一單電池的所述氣體通道阻力，并且r〈nR，其中r是氣體通道阻力在所述至少一個(gè)第二單電池中最大的單電池的氣體通道阻力，R是通過(guò)結(jié)合所述第 一單電池和所述至少一個(gè)第二單電池的所述氣體通道阻力而獲得的值，n是所述多個(gè)單電池的總數(shù)(n是2或更大的整數(shù))。
全文摘要
燃料電池堆(2)具有多個(gè)單電池相堆疊且串聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)。所述單電池包括電池堆(11)的單電池(15)和一個(gè)或更多個(gè)單電池(16)。已經(jīng)從通道(12)進(jìn)入燃料電池堆(2)的氫通過(guò)供給歧管(13)供給到每個(gè)單電池。在消耗了發(fā)電所需量的氫之后，氣體作為燃料廢氣排放到排放歧管(14)中，然后流入單電池(15)中。這防止包含在燃料廢氣中的雜質(zhì)累積在單電池(16)中，并且使雜質(zhì)累積在單電池(15)中。因此，可以抑制采用閉端方法的燃料電池系統(tǒng)內(nèi)單電池之間的發(fā)電量的變化。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101501912SQ200780029594
公開(kāi)日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2007年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月11日
發(fā)明者小川朋宏, 柴田和則 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社