专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，具体涉及使燃料电池堆在燃料废气通道 关闭的条件下运行的燃料电池系统。
相关技术描述
燃料电池具有堆叠有多个单电池的燃料电池堆。每个单电池是通过
例如堆叠膜电极组合件(MEA)和隔离器(隔板)形成的。膜电极组 合件具有由离子交换树脂制成的电解质膜、设置在电解质膜的两个表面 中的一个表面上的阳极、和设置在电解质膜的另一表面上的阴极。此夕卜， 每个阳极和阴极都具有设置为和电解质膜接触的催化剂层。当每个电极 供给有反应物气体时，在电极之间发生电化学反应并产生电动势。具体 地，在氢(燃料气体)接触阳极并且氧(氧化剂气体)接触阴极时发生 反应。
通常，阴极供给有通过压缩机从外部吸入的空气。另一方面，阳极 供给有储存在高压氲罐中的氢。 一种将氢供给到阳极的方法是闭端方法 (例如，见PCT申请No. 2004-536436的公开的日文译文(JP - A - 2004 -536436))。在该方法中，系统在氢通道关闭的条件下运行，使得阳极 供给有对应于氢消耗量的量的氢。
在闭端型燃料电池系统的情况下，留存于燃料气体通道中的杂质的 量随时间的流逝增加。例如，供给到阴极的空气中包含的氮渗透穿过电 解质膜，并累积在阳极侧。由于阳极侧压力调节为等于预定值，所以氮 量的增加相对减小了氢的分压，导致燃料电池的电压降低。因此，在 PCT申请的公开的日文译文No. 2004 - 536436 ( JP - A - 2004 - 536436 ) 中，提供了一种从氢通道中排放杂质的吹扫阀，并且打开吹扫阀以恢复 电压。
通常，燃料电池堆设置有将氢分配到单个的单电池的供给歧管和集 中排放来自单个的单电池的燃料废气的排放歧管。此外，单电池具有因在制造中导致的变化而变化的压力损失。在具有高的压力损失的单电池 中，与具有低的压力损失的单电池相比，氢较不容易从供给歧管引入到 单电池中。另一方面，从单电池排放到排放歧管的燃料废气可能被吸入 压力损失高的单电池中。因此，杂质可能累积在压力损失高的单电池中， 并且电压从这些单电池开始降低。这导致单电池之间发电量不同的问 题。
在 PCT 申请的公开的日文译文 No. 2004-536436 (JP-A-2004-536436)中描述的燃料电池系统中，测量了设置在燃料电 池堆的气体出口侧终端处的单电池的电压。通过将由此测量的值与阈值 比较，确定打开吹扫阀的时刻。然而，PCT申请的公开的日文译文No. 2004-536436 ( JP-A-2004-536436 )并未注意到由变化的单电池压力损失 导致的杂质沉积量的变化，因此，可能不能解决单电池之间发电量变化 的问题。
发明内容
本发明的一个目的是抑制采用闭端方法的燃料电池系统中单电池 之间发电量的变化。
本发明的第一方面是燃料电池系统，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堆叠的且串联连接的单电池、将燃料气 体分配到所述单电池的每一个中的供给歧管、和燃料废气从所述单电池 的每一个排放到其中的排放歧管，所述燃料电池系统使所述燃料电池堆 在所述燃料废气基本上滞留在所述燃料电池堆内的状态下运行，所述燃 料电池系统的特征在于
所述多个单电池包括第一单电池和至少一个第二单电池，所述至少 一个第二单电池的气体通道阻力小于所述第一单电池的气体通道阻力，
和
r〈nR，其中r是所述至少一个第二单电池中气体通道阻力最大的单 电池的气体通道阻力，R是通过结合所述第一单电池和所述至少一个第 二单电池的所述气体通道阻力而获得的值，n是所述多个单电池的总数 目(n是2或更大的整数)。
6本发明的第二方面是燃料电池系统，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堆叠的且串联连接的单电池、将燃料气 体分配到所述单电池的每一个中的供给歧管、和燃料废气从所述单电池 的每一个排放到其中的排放歧管，并且所述燃料电池系统使所述燃料电 池堆在所述燃料废气的通道关闭的状态下运行，所述燃料电池系统的特
征在于所述多个单电池包括第一单电池和至少一个第二单电池，所述
至少一个第二单电池的气体通道阻力小于所述第一单电池的所述气体 通道阻力，和r<nR，其中r是所述至少一个第二单电池中气体通道阻 力最大的单电池的气体通道阻力，R是通过结合所述第一单电池和所述 至少一个第二单电池的所述气体通道阻力而获得的值，n是所述多个单 电池的总数目(n是2或更大的整数)。
本发明的第三方面是燃料电池系统，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堆叠的且串联连接的单电池、将燃料气 体分配到所述单电池的每一个中的供给歧管、和燃料废气从所述单电池 的每一个排放到其中的排放歧管，所述燃料电池系统使所述燃料电池堆 在所述燃料废气的通道关闭的状态下运行，所述燃料电池系统的特征在 于所述单电池的每一个设置有位于所述供给歧管和所述排放歧管之间 的电池通道，并且所述多个单电池包括第一单电池和至少一个第二单电 池，所述第一单电池具有连接所述供给歧管和所述电池通道的并且容量 为W的连通部分，所述至少一个第二单电池具有连接所述供给歧管和 所述电池通道的并且容量为V2 (V^V2)的连通部分，和确定所述容量 V"使得满足关系r<nR，其中r是所述至少一个第二单电池中气体通 道阻力最大的单电池的气体通道阻力，R是通过结合所述第一单电池和 所述至少一个第二单电池的所述气体通道阻力而获得的值，n是所述多 个单电池的总数目(n是2或更大的整数)。
本发明的第四方面是燃料电池系统，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堆叠的且串联连接的单电池、将燃料气 体分配到所述单电池的每一个中的供给歧管、和燃料废气从所述单电池 的每一个排放到其中的排放歧管，所述燃料电池系统使所述燃料电池堆 在所述燃料废气基本上滞留在所述燃料电池堆内的状态下运行，所述燃 料电池系统的特征在于所述多个单电池包括第一单电池、和至少一个第二单电池，所述至 少一个第二单电池的气体通道阻力小于所述第一单电池的气体通道阻
力，和
气体通道阻力在所述多个单电池中最大的单电池的阴极的催化剂 层与除气体通道阻力最大的所述单电池之外的其它单电池的催化剂层不同。
在本发明的第一方面到第四方面中，在第一电池中容许阴极的催化 剂层可负载于金属上。在该情况下，催化剂层可以是铂黑层、铂细粒层 或钿合金细粒层。
在本发明的第一方面到第四方面中，第一单电池可以连接有用于吹 扫所述燃料废气的吹扫装置。尤其在第三方面中，吹扫装置可以连接到 第一单电池的电池通道。此外，燃料电池系统还可以包括用于估计或测 量所述第一单电池内的燃料废气中包含的除燃料气体之外的组分的量 的装置，并且在所述组分的量变得等于或大于预定值时可使所述吹扫装 置运行。
根据本发明的第一方面和第二方面，够成燃料电池堆的单电池包括第 一单电池、和气体通道阻力小于所述第 一单电池的所述一个或更多个第二
单电池，并且满足关系r〈nR，其中r是所述第二单电池中气体通道阻力 最大的单电池的气体通道阻力，R是通过结合所述第 一单电池和所述第 二单电池的所述气体通道阻力而获得的值，n是所述多个单电池的总数 目(n是2或更大的整数)。因此，可以有效地使燃料废气流入第一单 电池中，使得杂质可以集中在第一单电池中。由于这防止了杂质累积在 第二单电池中，所以能够抑制单电池之间发电量的变化。
根据本发明的第三方面，构成燃料电池堆的单电池包括第一单电池 和一个或更多个第二单电池，所述第一单电池具有连接所述供给歧管和 所述电池通道的并且容量为Vi的连通部分，所述一个或更多个第二单 电池具有连接所述供给歧管和所述电池通道的并且容量为V2 ( V^VJ 的连通部分，并且确定所述容量Vn使得满足关系r〈nR，其中r是所 述第二单电池中气体通道阻力最大的单电池的气体通道阻力，R是通过
结合所述第一单电池和所述第二单电池的所述气体通道阻力而获得的
8值，n是所述多个单电池的总数目(n是2或更大的整数)。因此，可以有效地使燃料废气流入所述第 一单电池中，使得杂质可以集中在第一单电池中。由于这防止了杂质累积在第二单电池中，所以能够抑制单电池之间发电量的变化。
参照附图，从以下示例性实施方案的说明中，本发明的前述和其它特征和优点会变得明显，附图中类似的附图标记用于表示类似的要素/元件，其中
图l是根据本发明一个实施方案的燃料电池系统的结构图2是示出图l所示的燃料电池堆中的气体流动的示意图3A是沿图2的线3A-3A，截取的截面示意图，图3B是沿图2的线3B-3B，截取的截面示意图4显示该实施方案中电池电压随时间变化的一个实例；
图5A和5B显示该实施方案中的燃料电池堆中的气体流动的其它实例；和
图6是显示该实施方案中气体流动量和压力损失之间的关系的一个实例的图。
具体实施例方式
下面将参照图1 6描述才艮据本发明一个实施方案的燃料电池系统。在图1~3和图5A与5B中，相同的附图标记表示相同的部分。
图l是根据该实施方案的燃料电池系统的结构图的一个实例。该燃料电池可应用于各种用途，例如用作车载型燃料电池系统、地面安装型燃料电池系统等。
如图1所示，燃料电池系统1包括燃料电池堆2、将压缩空气供给到燃料电池堆2的压缩机3、回^燃料电池堆2排放的氧化剂废气中包含的湿气并对待供给到燃料电池堆2的空气进行加湿的加湿器4、调节>^缩机3供给到燃料电池堆2的空气的压力的空气压力调节阀5、储存高压
9状态下的干燥氢的氢罐6、调节从氢罐6供给到燃料电池堆2的氢的压力的氢压力调节阀7、和设置在从燃料电池堆2排放的燃料废气的通道10上的吹扫阀8。通过打开吹扫阀8可以吹扫燃料废气。
在燃料电池系统l中，通过闭端方法进行氢到阳极(未显示)的供给。也就是说，当关闭吹扫阀8时，关闭了燃料废气的通道IO，使得仅作为来自氢罐6的供给来进行氢的供给。根据该闭端方法，所供给的氩被燃料电池堆2中发生的反应全部消耗掉。因此，只将与消耗量相同量的氢重新供给到阳极。
顺便提及，供给到阳极的燃料气体不限于氢。例如，作为待供给到阳极的氢源，能够使用通过烃基化合物的重整反应所产生的重整气体。在该情况下使用的烃基化合物可以是包含甲烷作为主要成分的天然气、诸如曱醇等的醇、汽油等。然后，根据所用的烃基化合物的种类，选#^合于重整反应的催化剂和温度。以该方式，产生含有氢、二氧化碳和水的富氢重整气体。
图2是图1所示的燃料电池堆2中的气体流动的示意图。箭头表示气体流动的方向。
在图2中，燃料电池堆2具有多个单电池堆叠并串联连接的堆结构。多个单电池包括单电池15和电池堆11。单电池15可以i人为是本发明中的第一单电池，并且在该实施方案中是一个单电池。另一方面，通过堆叠多个相同种类的单电池16形成电池堆11。在此处，相同种类的单电池是具有相同形状的单电池，包括具有因源于其制造工艺的压力损失变化而引起的压力损失差异的单电池。此夕卜，单电池16的每一个可以认为是本发明中的第二单电池。单电池16的总数只需要是一个或更多个，而不受图2的实例限制。
从通道12已进入燃料电池堆2的氢通过供给歧管13供给到每个单电池。在消耗发电所需的量的氢之后，所得气体作为燃料废气从单电^卜放到排放歧管14中。
在该实施方案中，使排放到排放歧管中的燃料废气主动流入特定的单电池中。图2所示的实例构建为使从单电池16排放的燃料废气流入位于燃料废气出口侧末端的单电池15中。该结构可以防止包含在燃料废气中的诸如氮等杂质累积在单电池16中，并且可以使杂质累积在单电池15中。
10图3A是沿图2的线3A-3A，截取的截面图，显示了任意的一个单电池16。
在图3A中，从供给歧管13引入的氢穿过容量为V2的连通部分17, 并且通过电池通道18供给到阳极19。在阳极19上消耗必要量的氢之后， 氢与诸如氮等的杂质一起穿过连通部分20，并且被排放到排放歧管14中。
在图3A中，附图标记21表示空气供给歧管，22表示冷却水供给歧管， 23表示空气排放歧管，24表示冷却^#放歧管。然而，在该实施方案中， 用于供给或排放氢、空气和冷却水的歧管的位置不限于该图中所示的那 些。
图3B是沿图2的线3B-3B，截取的单电池15的截面图。与图3A中相 同的附图标记表示相同的部分。
在图3B中，从供给歧管13引入的氢穿过连通部分25,并且通过电池 通道18供给到阳极19。此处应当注意，与图3A所示的连通部分17相比， 连通部分25具有容量K (V^V2 )，也就是说，其结构具有较小的容量， 更具体地，其结构具有较小的截面面积。因此，与在图3A中所示的单电 池16相比，在图3B中所示的单电池15中流到电池通道18中的氳的量较 小。
在阳极19上消耗掉必要量的氢之后，燃料废气通过连通部分20排放 到排放歧管14中。此处应当注意，在单电池15中，由于连通部分25的容 量相对小，所以流到电池通道18中的氲的流动量也相对小，使得在单电池 15中排放到排放歧管14中的燃料废气的流速小于单电池16中的流速。因 此，从单电池16排放到排放歧管14中的燃料废气通过单电池15的连通部 分20流入单电池15的电池通道18中。因此，能够防止包含在燃料废气中 的诸如氮等的杂质累积在单电池16中，并且使得杂质累积在单电池15中， 这会在下文进一步描述。
通过测量供给歧管和排放歧管之间的压力差可以发现单电池的压力损 失。然后，因为压力损失与电流密度成比例，所以认为不是通过扩散而是 通过形成流动场而引起氢供给到阳极。
单电池的压力损失因源自制造的不同而变化。与压力损失低的单电池 相比，在压力损失高的单电池中氢较不易从供给歧管引入到单电池中。另 一方面，排放到排放歧管中的燃料废气易于被吸入压力损失高的单电池中。因此，在相关技术的燃料电池堆中，杂质易于存在于压力损失高的单 电池中。然而，在该实施方案中，特意提供压力损失比其它单电池高的单 电池，并且提供使从其它单电池排放的燃料废气流入压力损失高的单电池 中的结构。
在图3B的实例中，通过使连通部分25的容量更小，使得单电池15 的压力损失高于单电池16的压力损失。在单电池15中，因为来自供给歧 管13的氢的流动量小，所以也吸入来自排放歧管14的气体。具体地，因 为从单电池16中排放的燃料废气流入单电池15中，所以能够防止杂质累 积在单电池16中，并且使杂质累积在单电池15中。
需要单电池15的压力损失高于单电池16的压力损失的最高值。也就 是说，该实施方案的特征是特意提供压力损失不在由制勤目关的原因导致 的压力损失变化的范围内的单电池，而是高于该范围的高压力损失。因此， 因为杂质可以主动地累积在压力损失高的单电池中，所以该实施方案能够 防止杂质累积在单电池中，并且抑制电池电压的降低，即使单电池用在相 关技术的燃料电池堆中时易于累积杂质的也是如此。
图4显示了图5A和5B中所示的燃料电池堆中电池电压随时间变化的 测量结果。该燃料电池堆的结构与图2中所示的燃料电池堆的结构基本上 相同，但是与其不同之处在于管连接到燃料电池堆的方式。顺便提及，在 图5A和5B中，附图标记26表示用于吹扫燃料废气的吹扫阀。
首先，如图5A所示，打开阀27以使氢通过供给歧管13和排放歧管 14流入单电池中(测量a)。然后，观察到如图4所示的每个单电池的电压 根据时间流逝的降低。这认为是因为氢通过排放歧管14的流入防止了杂质 被排出，而是使杂质累积在每个单电池中。在图4中，单电池(l) ~ (4) 具有与图3A所示的基4^目同的结构，单电池(5)具有与图3B所示的基
;M目同的结构。
紧接着，如图5B所示，关闭阀27以使氢^it过供给歧管13流入单 电池中(测量b)。结果，在连通部分容量小的单电池(5)中观察到电压 降低，但是在其它单电池(1)到(4)中几乎没有观察到电压降低，如图 4所示。这明确M示杂质累积在单电池(5)中，而在其它单电池(1) 到(4)中抑制了杂质的累积。
下面将基于单电池15和单电池16的气体通道阻力考虑单电池15的连通部分25的容量。
在该实施方案中，单电池15的连通部分25的容量确定为满足关系 r<nR，其中r是除单电池15之外所有单电池中即构成电池堆11的至少一 个单电池16中气体通道阻力最大的单电池的气体通道阻力，R是通过结合 包括单电池15在内的所有单电池的气体通道阻力获得的值，n是单电池的 总数U是2或更大的整数)。在该不等式中，
R=l/(l/ri+l/r2+l/r3+ ...+Vrn)。
图6显示单电池中气体流动量和压力损失之间的关系的实例。在该图
中，单电池(6)到(10)具有与图3A中所示的基;M目同的结构，单电池 (ll)具有与图3B中所示的基4^目同的结构。此外，堆叠的单电池的直 线斜率可以通过用单电池的总数目n乘以通过结合单电池(6)到(11)的 气体通道阻力所得的值R来获得。在图6所示的该情况下，n = 6。在该情 况下，R"/(l/r6+l/r7+l/i"8+l/r9+l/ru)+l/rn)，其中r6、 r 、 r8、 r" n。和r"分别
是单电池(6)到(11)的气体通道阻力。
从图6中可知，r一r6〉r—r—^。〉rn，使得在这些单电池(6)到(10) 中，单电池(10)具有最大的气体通道阻力。因此，单电池(10)的气体 通道阻力n。对应于前述的值r。因此，确定单电池(11)的连通部分的容 量，使得满足关系r<nR。
在该实施方案中，对于单电池15，容许使用对因氬缺乏或电势异常引 起的劣化有抗性的催化剂层，具体地为不是碳负载型的催化剂层。其原因 如下。
在该实施方案中，使燃料废气流入单电池15中，以使杂质累积在单电
池15中。因此，单电池15达到低氢浓度和高氮浓度的状态。在催化剂层
中使用碳的情形中，如果阳极在正常温度下达到氢缺乏状态，则进行碳和 5^^、司的反应(^+21^040)2+州++40，使得在阴狄生碳的氧化。此外，
如果氮的浓度变高，则阴极侧和阳极侧上的电势升高，使得如前述情形中 一样易于出现碳的氧化。这样的反应可以通过使用不是碳负载型的催化剂 层iME免，使得可以抑制单电池15的劣化。不是碳负载型的催化剂层的实 例包括铂黑层、铂细粒层、铂^r细粒层等。
顺便提及，如果在所有的单电池中使用不是碳负载型的阴极催化剂层， 则会由于催化剂性能降低而导致燃料电池堆的发电效率降低。如果仅在主
13页
动引起杂质累积的单电池中使用不是碳负载型的催化剂层并且在其它单 电池中使用碳负载型的催化剂层，则可以防止其它单电池发电性能的降 低，并且可以提高整个燃料电池堆的发电性能。
而且，在该实施方案中，累积杂质的单电池可以连接有用于吹扫燃料
废气的吹扫装置。例如，如图2和3B所示的，用于吹扫燃料废气的通道 10可以连接到单电池15的电池通道18，并且在通道10上可以设置吹扫阀 8。由于从单电池16排出的燃料废气流入到单电池15中，所以包含在燃料 废气中的杂质逐渐集中在单电池15中。如果可以通过打开吹扫阀8将燃料 废气从单电池15中吹扫出，则可以将杂质有效地排放到外部。顺便提及， 在单电池15中，由于气体从连接到排放歧管14的连通部分20流入，所以 不妨碍吹扫，即使连接到供给歧管13的连通部分25的容量小时也是如此。
而且，在该实施方案中，可以设置用于估计或测量单电池15中杂质量 的装置，并且在杂质的量变得等于或大于预定值时可以使吹扫装置运行。 在该实施方案中，由于杂质集中在单电池15中，所以使用单电池15中的 杂质量作为参考值会允许在合适的时刻进行吹扫。杂质可以定义为包含在 燃料废气中的除燃料气体之外的成分。具体地，杂质为氮、水、二氧化碳 等，并且估计或测量至少一种这些成分的量。
例如，可以预先掌握杂质存在量随时间的变化，然后在每次过去预定 的时间时可以打开吹扫阀8以进行吹扫。而且，可以测量单电池15的电压， 然后可以在测量的值等于或小于预定值时打开吹扫阀8。而且，可以测量 单电池15的电压和单电池16的电压，可以在单电池15的电压和单电池 16的电压之间的电压差等于或大于预定值时打开吹扫阀8。
如上所述，在该实施方案中，主动使燃料废气从排放歧管流入特定的 单电池中，以使杂质集中在该单电池中。这可以防止杂质累积在其它单电 池中，因此可以抑制电池彼此之间发电量的变化。特别地，可以抑制因制 造的原因导致的不同压力损失而引起的单电^J'司的杂质存在量的变化， 由此抑制发电量的变化。
在该实施方案中，燃料废气流入其中的单电池的电压随时间流逝而降 低。然而，由于抑制了其它单电池的电压降低，所以，就燃料电池堆整体 而言，可以改善发电特性。
在该实施方案中，如果在将燃料废气流入其中的单电池作为参考来确
14定吹扫的时刻，则可以在整个燃料电池堆中在适当的时刻进行吹扫。特别 地，在相关技术的燃料电池堆中，由于电池电压的降低趋势因不同的压力 损失而不同，所以对每个单电池的最佳吹扫时刻是不同的。因此，难以在 整个燃料电池堆中在适当的时刻进行吹扫。然而，才艮据该实施方案，由于 电池电压的降低主要发生在燃料废气流入其中的单电池中，所以，将燃料 废气流入其中的单电^为参考^够的。
应理解本发明不限于前述实施方案，而是可以在不背离本发明精神的 情况下以不同方式改变。
例如，在前述实施方案中，4吏位于燃料废气出口侧末端的单电池累积 杂质。然而，这不限制本发明，也可以4吏位于除出口侧末端以外的位置处 的单电池累积杂质。然而，在提供吹扫装置的情形中，如果使位于出口侧 末端处的单电池累积杂质，则有助于管的连接，并且可以有效地进行吹扫。
而且，尽管在该实施方案中，通过减小连通部分的容量来制造压力损 失高的单电池，但是这不限制本发明。例如，也可以通过增加单电池中燃 料气体通道的长度来制造压力损失高的单电池。具体地，如果燃料电池系 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堆叠 的且串联连接的单电池、将燃料气体分配到所述单电池的每一个中的供 给歧管、和燃料废气从所述单电池的每一个排放到其中的排放歧管，所
运行)具有以下特征的话，则本发明实现与通过前述实施方案实现的效果
基^目同的效果所述多个单电池包括第一单电池和至少一个第二单电 池，所述至少 一个第二单电池的气体通道阻力小于所述第 一单电池的气 体通道阻力；和满足关系r<nR，其中r是所述至少一个第二单电池中 气体通道阻力最大的单电池的气体通道阻力，R是通过结合所述第一单 电池和所述至少一个第二单电池的所述气体通道阻力而获得的值，n是 所述单电池的总数目(n是2或更大的整数)。
此外，本发明中的电池通道可以是多孔体通道，或者也可以是槽通道。 例如，在通过堆叠膜电极组合件、扩散层、多孔体通道和隔离器(隔板) 形成的单电池中，多孔体通道可以设置在隔离器和扩散层之间，并且燃料 气体可以从多孔体通道供给到催化剂层。此外，隔离器可以设置有槽，燃 料气体可以通过槽供给。而且，还容许仅压力损失高的单电池设置有多孔 体通道，而其它单电池设置有槽通道。
15在前述实施方案中，尽管排放阀完全关闭的闭端操作是燃料电池系统 的基本操作，但是替代地也可以将排放阀稍微打开的连续少量排放操作设
定为基4^Mt。连续少量排放操作是如下操作燃料气体以与闭端操作基 ^目同的方式滞留在燃料电池堆内，并且调节排放阀的打开度，以使得从 系统中排出的燃料废气的流动量变得等于与燃料电池堆内消耗的燃料气 体的量相比非常小的值。根据该连续少量排放操作，因为可以逐渐排出存 在于燃料废气排放歧管中的杂质，并且可以维持杂质从阳极气体通道到燃 料废气排放歧管的输送，所以在阳极气体通道中能够保持低的杂质浓度。
权利要求
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堆叠的且串联连接的单电池、将燃料气体分配到所述单电池的每一个中的供给歧管、和燃料废气从所述单电池的每一个排放到其中的排放歧管，所述燃料电池系统使所述燃料电池堆在所述燃料废气基本上滞留在所述燃料电池堆内的状态下运行，所述燃料电池系统的特征在于所述多个单电池包括第一单电池和至少一个第二单电池，所述至少一个第二单电池的气体通道阻力小于所述第一单电池的气体通道阻力，和r<nR，其中r是所述至少一个第二单电池中气体通道阻力最大的单电池的气体通道阻力，R是通过结合所述第一单电池和所述至少一个第二单电池的所述气体通道阻力而获得的值，n是所述多个单电池的总数目(n是2或更大的整数)。
2. —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堆叠的且串联连接的单电池、将燃料气体分配到所述单电池的每一个中的供给歧管、和燃料废气从所述单电池的每一个排放到其中的排放歧管，并且所述燃料电池系统使所述燃料电池堆在所述燃料废气的通道关闭的状态下运行，所述燃料电池系统的特征在于所述多个单电池包括第一单电池和至少一个第二单电池，所述至少一个第二单电池的气体通道阻力小于所述第一单电池的所述气体通道阻力，和r〈nR，其中r是所述至少一个第二单电池中气体通道阻力最大的单电池的气体通道阻力，R是通过结合所述第一单电池和所述至少一个第二单电池的所述气体通道阻力而获得的值，n是所述多个单电池的总数目，(n是2或更大的整数)。
3. —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堆叠的且串联连接的单电池、将燃料气体分配到所述单电池的每一个中的供给歧管、和燃料废气从所述单电池的每一个排放到其中的排放歧管，所述燃料电池系统使所述燃料电池堆在所述燃料废气的通道关闭的状态下运行，所述燃料电池系统的特征在于所述单电池的每一个设置有位于所述供给歧管和所述排放歧管之间的电池通道，并且所述多个单电池包括第 一单电池和至少 一个第二单电池，所述第 一单电池具有连接所述供给歧管和所述电池通道的并且其容量为K的连通部分，所述至少一个第二单电池具有连接所述供给歧管和所述电池通道的并且其容量为V2 (V-V2)的连通部分，和确定所述容量Vn使得满足关系i^nR,其中r是所述至少一个第二单电池中气体通道阻力最大的单电池的气体通道阻力，R是通过结合所述第一单电池和所述至少一个第二单电池的所述气体通道阻力而获得的值，n是所述多个单电池的总数目(n是2或更大的整数)。
4. 根据权利要求1~3中任一项所述的燃料电池系统，其中在所述第一单电池中，阴极的催化剂层负载于金属上。
5. 根据权利要求1~4中任一项所述的燃料电池系统，其中所述第一单电池的阴极的催化剂层是铂黑层、铂细粒层、或铂合金细粒层。
6. 根据权利要求1 5中任一项所述的燃料电池系统，其中所述第一单电池连接有用于吹扫所述燃料废气的吹扫装置。
7. 根据权利要求6所述的燃料电池系统，还包括用于估计或测量所述第一单电池内的所述燃料废气中包含的除燃料气体之外的组分的量的装置，其中在所述组分的量变得等于或大于预定值时使所述吹扫装置运行。
8. —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堆叠的且串联连接的单电池、将燃料气体分配到所述单电池的每一个中的供给歧管、和燃料废气从所述单电池的每一个排放到其中的排放歧管，所述燃料电池系统使所述燃料电池堆在所述燃料废气基本上滞留在所述燃料电池堆内的状态下运行，所述燃料电池系统的特征在于所述多个单电池包括第一单电池、和至少一个第二单电池，所述至少一个第二单电池的气体通道阻力小于所述第一单电池的气体通道阻力，和气体通道阻力在所述多个单电池中最大的单电池的阴极的催化剂层与除了气体通道阻力最大的所述单电池之外的单电池的催化剂层不同。
9. 根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中气体通道阻力在所述多个单电池中最大的所述单电池的阴极的催化剂层负载于金属上。
10. 根据权利要求8或9所述的燃料电池系统，其中气体通道阻力在所述多个单电池中最大的所述单电池的阴极的催化剂层是铂黑层、铂细粒层或铂合金细粒层。
11. 一种燃料电池系统，所述燃料电池系统使燃料电池堆在燃料废气基本滞留在所述燃料电池堆内的状态下运行，所述燃料电池系统包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个堆叠且串联连接的单电池，将燃料气体分配到每个所述单电池中的供给歧管，和燃料废气从所述单电池的每一个排到其中的排放歧管，其中所述多个单电池包括第一单电池和至少一个第二单电池，所述至少一个第二单电池的气体通道阻力小于所述第一单电池的所述气体通道阻力，并且r〈nR，其中r是气体通道阻力在所述至少一个第二单电池中最大的单电池的气体通道阻力，R是通过结合所述第 一单电池和所述至少一个第二单电池的所述气体通道阻力而获得的值，n是所述多个单电池的总数(n是2或更大的整数)。
全文摘要
燃料电池堆(2)具有多个单电池相堆叠且串联连接的结构。所述单电池包括电池堆(11)的单电池(15)和一个或更多个单电池(16)。已经从通道(12)进入燃料电池堆(2)的氢通过供给歧管(13)供给到每个单电池。在消耗了发电所需量的氢之后，气体作为燃料废气排放到排放歧管(14)中，然后流入单电池(15)中。这防止包含在燃料废气中的杂质累积在单电池(16)中，并且使杂质累积在单电池(15)中。因此，可以抑制采用闭端方法的燃料电池系统内单电池之间的发电量的变化。
文档编号H01M8/04GK101501912SQ200780029594
公开日2009年8月5日 申请日期2007年8月9日 优先权日2006年8月11日
发明者小川朋宏, 柴田和则 申请人:丰田自动车株式会社