燃料电池系统和监测阳极中的氢浓度并利用富氢气体吹扫阳极的方法

摘要

一种燃料电池堆，包括：具有第一燃料气体流路的第一电池；和具有第二燃料气体流路的第二电池，所述第二燃料气体流路构建为具有特定的流路结构，与所述第一燃料气体流路的电位相比，所述特定的流路结构在发电期间因燃料气体的浓度降低而具有较高的电位。传感器位于第二电池上，以检测发电期间燃料气体的浓度降低。在一个示例性结构中，在第二电池的阳极隔离器上形成的作为第二燃料气体流路的槽具有使流动通道的截面积变小的限制元件。氢浓度传感器位于限制元件下游的具有较低压力水平的未变小区域中。杂质气体排放控制响应于通过氢浓度传感器检测的氢浓度降低至或低于预设参考水平将阳极废气排出燃料电池堆。本发明的这种布置在阳极闭端型燃料电池系统中使得能够有效使用燃料气体，并且防止燃料电池堆的膜电极组合件因碳氧化而劣化。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池、包括燃料电池的燃料电池系统和燃料电池系 统的控制方法。

背景技术

通过氢(燃料气体)和氧(氧化剂气体)的电化学反应发电的燃料 电池被认为是有效的能源。燃料电池的一个典型实例具有多个电池的堆 结构，其中每个电池具有通过连接阳极(氢电极)和阴极(氧电极)至 质子导电电解质膜的相应表面而获得的并插入一对电极之间的膜电极 组合件。在下文中，具有该堆结构的燃料电池也称为燃料电池堆。

燃料电池通常具有用于将供给的反应气体(燃料气体和氧化剂气 体)分配到各个电池的阳极和阴极的供给歧管(燃料气体供给歧管和氧 化剂气体供给歧管)、和用于收集来自各个电池的阳极和阴极的阳极废 气流和阴极废气流并将收集的阳极废气流和阴极废气流排出燃料电池 堆的排放歧管(阳极废气排放歧管和阴极废气排放歧管)。

提出的一种燃料电池堆结构使包含未由发电消耗的燃料气体的阳 极废气再循环到各个电池的阳极以有效使用燃料气体。提出的另一种燃 料电池堆结构利用供给到各个电池阳极的燃料气体发电，但是不将阳极 废气排出燃料电池堆或不将阳极废气再循环到各个电池的阳极。后一结 构称为阳极闭端型(anode dead end-type)燃料电池。

在任意结构的燃料电池中，包含在燃料气体中无助于发电的杂质气 体累积在各个电池的阳极上。当使用空气作为氧化剂气体时，包含在供 给到阴极的空气中无助于发电的诸如氮的杂质气体透过电解质膜并累 积在各个电池的阳极。杂质气体在阳极的累积降低了燃料气体的相对浓 度，由此降低燃料电池的发电性能并使膜电极组合件劣化。膜电极组合 件的劣化主要归因于包含在阴极中的碳的氧化。该问题在燃料于发电期 间累积在阳极的阳极闭端型燃料电池中尤其显著。已经提出了几种技术 将累积在阳极的包含杂质气体的阳极废气间歇地排出燃料电池(例如， 参见日本专利公开公报2005-166498、2004-327360和2005-243477)。

日本专利公开公报2005-166498中公开的控制技术测量燃料电池中 因氢不足而具有高电位的电池的每一个中的特定位置(例如，在每个电 池的氢出口附近)处的局部电流，并响应于低于预定参考电流值的局部 电流将包含杂质气体的阳极废气排出燃料电池，以增加电池中的氢浓 度。在具有相同内部结构的数百个电池的燃料电池堆中，测量全部电池 中的局部电流以检测各个电池中的氢不足虽非不可能但是是非常不现 实的。一种现有的方法测量数百个电池中的仅一部分电池中的局部电流 来检测氢不足。然而，存在未作为局部电流测量目标的其它电池具有氢 不足的一定可能性，即使当在选择作为局部电流测量目标的部分电池中 没有检测到氢不足时也是如此。

在日本专利公开公报2004-327360中公开的控制技术响应于在整个 燃料电池中流动的燃料气体的浓度降低至或低于预定参考水平、或响应 于杂质气体浓度升高至或高于预定参考水平，将各个电池的包含杂质气 体的阳极废气排出燃料电池。在日本专利公开公报2005-243477中公开 的技术将来自各个电池的阳极废气共同储存于设置在燃料电池外部的 外部缓冲器中，并且响应于存储在缓冲器中的阳极废气中包含的燃料气 体浓度降低至或低于预定参考水平，将储存的阳极废气从外部缓冲器中 排出。在各个电池的燃料气体流路中不可避免地存在压力损失的制造差 别。在各个电池中还存在燃料气体浓度降低的差别。所提出的这些技术 只能检测整个燃料电池堆中燃料气体浓度的总体降低或杂质气体浓度 的总体升高，而不考虑这些差别。需要将包含燃料气体的阳极废气排出 燃料电池的相对高的排放频率，以避免单个电池中潜在的问题。即，可 用于发电的燃料气体被不经济地排出燃料电池。因此，在燃料电池堆中 的燃料气体的有效使用方面仍然存在改进空间。

发明内容

在阳极闭端型燃料电池中存在能够有效使用燃料气体并防止膜电 极组合件因碳的氧化而劣化的需求。

通过具有下述构造的燃料电池、包括该燃料电池的燃料电池系统和 燃料电池系统的控制方法实现至少一部分上述和其它相关需求。

根据一个方面，本发明涉及具有多个电池的堆叠结构的燃料电池，其 中所述电池的每一个都具有膜电极组合件，所述膜电极组合件是通过使阳 极经过特定的电解质膜与阴极形成为整体而获得的并且插在一对隔离器 (隔板)之间。所述燃料电池包括：将供给的燃料气体分配到所述各个电 池的阳极的燃料气体供给歧管；和阳极废气排放歧管，所述阳极废气排放 歧管将来自所述各个电池的阳极的未消耗的阳极废气流收集为所述阳极 废气的集合流，并将所述阳极废气的集合流排出所述燃料电池。每个所述 电池具有燃料气体流路，所述燃料气体流路使由所述燃料气体供给歧管供 给的所述燃料气体沿所述阳极的表面流动，并且使所述阳极废气流入所述 阳极废气排放歧管中。所述多个电池包括：具有第一燃料气体流路的第 一电池；和具有第二燃料气体流路的第二电池，所述第二燃料气体流路 构建为具有特定的流路结构，与所述第一燃料气体流路的电位相比，所 述特定的流路结构在发电期间因在至少部分区域中所述燃料气体的浓 度降低而具有较高电位。所述第二电池设置有传感器，所述传感器测量 与所述第二燃料气体流路中的所述燃料气体的浓度降低相关的特定参 数值。

本发明的结构用于上述阳极闭端型燃料电池中。在根据本发明该方 面的燃料电池中，所述第二电池的第二燃料气体流路具有特定的流路结 构，与所述第一电池的第一燃料气体流路相比，所述特定的流路结构在 发电期间因在至少部分区域中燃料气体的相对浓度降低和杂质气体的 浓度升高而具有较高电位。在包括多个第一电池的燃料电池中，在所述 各个第一电池的第一燃料气体流路之间可能存在压力损失的制造差别。 即使在这种情况下，本发明的布置也使所有第一燃料气体流路中的燃料 气体的浓度高于第二燃料气体流路中的所述燃料气体的浓度。

所述传感器用于测量与所述第二电池的第二燃料气体流路中的燃 料气体浓度降低相关的特定参数值，在所述多个电池中所述第二电池因 燃料气体的浓度降低而具有最高的电位。通过所述传感器测量的所述特 定参数值允许估算所述第二电池的第二燃料气体流路中燃料气体浓度 降低到或低于预设参考浓度、和所述杂质气体浓度升高到或超过预定参 考水平。这种估算导致假定在所述第一电池的第一燃料气体流路中所述 燃料气体的浓度降低至或低于预设参考浓度、和所述杂质气体浓度升高 至或高于预设参考水平。所述燃料气体的参考浓度和所述杂质气体的参 考水平是在基本上没有膜电极组合件因碳氧化而劣化的范围内任意设 定的。响应于降低至或低于预设参考浓度的燃料气体浓度的估算，累积 在包括第一电池和第二电池的各个电池中的阳极废气通过阳极废气排 放歧管排出燃料电池。将累积在第一燃料气体流路和第二燃料气体流路 中的杂质气体排出燃料电池使燃料气体的浓度恢复至正常水平，由此防 止各个电池的膜电极组合件因碳氧化而劣化。适当设定作为确定阳极废 气排放时刻的标准的燃料气体参考浓度减少了阳极废气中保留的未消 耗燃料气体排出燃料电池，从而确保有效使用燃料气体发电。

因此，本发明的布置使得能够有效使用燃料气体，并且可按期望地 防止燃料电池中的膜电极组合件因碳氧化而劣化。

在本发明的燃料电池中，所述第二电池可以是一个或多个。在具有 多个第二电池的燃料电池中，优选基于所述多个第二电池中的一个第二 电池的第二燃料气体流路中的最低燃料气体浓度确定将阳极废气排出 燃料电池的排放时刻。

在本发明燃料电池的一个优选实施方案中，所述第二燃料气体流路的 特定的流路结构包括：使部分所述第二燃料气体流路中的流动通道的截面 面积变小的限制元件；和除了所述限制元件之外的非变小区域。所述限制 元件下游的所述非变小区域的特定部分的压力比所述第一燃料气体流 路中的压力低。所述传感器位于所述限制元件下游的所述非变小区域的 所述特定部分中。

设置在所述第二燃料气体流路中的所述限制元件和所述非变小区 域使所述第二燃料气体流路中的压力损失增加到高于所述第一燃料气 体流路中的压力损失。因此，所述限制元件下游的非变小区域的特定部 分中的压力在发电期间低于其余区域中的压力水平。因此，所述限制元 件下游的非变小区域的特定部分累积了第一电池中产生的并流过阳极 废气排放歧管的杂质气体，并且累积了第二电池中产生的杂质气体。这 导致燃料气体浓度的相对降低。位于所述限制元件下游的非变小区域的 特定部分中的传感器有效检测燃料电池中燃料气体浓度的降低和杂质 气体浓度的增加。

在上述实施方案的燃料电池中，传感器可以是测量所述燃料气体的 浓度和除所述燃料气体之外的预定气体的浓度中的至少任一种作为所 述特定参数值的浓度传感器。

该布置直接检测燃料电池中的燃料气体浓度的降低和杂质气体浓 度的增加。除燃料气体以外的预定气体为例如氮。

在上述实施方案的燃料电池中，所述传感器可以是测量所述限制元 件下游的阳极或阴极的局部电位作为所述特定参数值的电位传感器。

所述限制元件下游的特定阳极区域中燃料气体浓度的降低局部降 低了特定阳极区域的发电性能，并且使该特定阳极区域中的阳极电位局 部升高和跨过电解质膜与所述特定阳极区域相对的对应阴极区域中的 阴极电位局部升高。该装置间接检测燃料电池中的燃料气体浓度的降低 和杂质气体浓度的增加。

在上述实施方案的燃料电池中，所述传感器可以是检测在与所述限 制元件下游的非变小区域的所述特定部分相对的所述膜电极组合件的 局部区域中产生的电流的电流传感器。

所述限制元件下游的特定阳极区域中的燃料气体浓度的降低使发 电量降低，并且使膜电极组合件局部区域中的电流流动减少。该布置间 接检测燃料电池中的燃料气体浓度的降低和杂质气体浓度的增加。

在本发明燃料电池的另一优选实施方案中，所述第二燃料气体流路具 有与所述第一燃料气体流路的压力损失基本相等的压力损失、和比所述第 一燃料气体流路的流路长度短的流路长度。所述传感器是测量所述第二 电池的开路电压作为所述特定参数值的电压传感器。

在该实施方案的燃料电池中，所述第二电池设置有测量所述第二电 池的开路电压的电压传感器。在所述第二电池中产生的电流不流入第一 电池中或与所述燃料电池连接的负荷中。即，所述第二电池只用于检测 所述第二燃料气体流路中所述燃料气体浓度的降低或所述杂质气体浓 度的升高。在该实施方案的燃料电池中，所述第二燃料气体流路设计为 具有与所述第一燃料气体流路的压力损失基本相等的压力损失、和比所述 第一燃料气体流路的流路长度短的流路长度。所述第二燃料气体流路的容 量小于所述第一燃料气体流路的容量。因此，与所述第一燃料气体流路中 的燃料气体浓度或杂质气体浓度相比，因所述第二燃料气体流路中的燃 料气体的浓度变化或杂质气体的浓度变化而存在较高的电位。这种布置 的燃料电池使得能够以高精度检测所述第二燃料气体流路中燃料气体 浓度的降低和杂质气体浓度的增加。

根据另一方面，本发明涉及燃料电池系统，包括：具有上述布置中的 任一种的燃料电池；连接到阳极废气排放歧管的排放导管；位于所述排放 导管中的排放阀；和控制所述排放阀的排放量的控制器。所述控制器使得 所述燃料电池在所述排放阀的受限状态下能够利用分别供给到每个电池 的阳极和阴极的燃料气体和氧化剂气体发电，控制所述传感器以测量在所 述燃料电池发电期间的所述特定参数值，并响应基于所测量的特定参数值 的所述第二燃料气体流路中所述燃料气体浓度降低到或低于预设参考水 平的估计来打开所述排放阀。

本发明的燃料电池系统有效使用阳极闭端型燃料电池，所述燃料电池 能够有效使用燃料气体和防止所述燃料电池的所述膜电极组合件因碳氧 化而劣化。

任何上述布置和特征可以以任何合适的方式组合。本发明的技术不 限于上述燃料电池或燃料电池系统，还可以通过所述燃料电池系统的控 制方法实现。本发明还通过多种其它应用来实现。可能的应用实例包括 用于实现燃料电池系统的控制方法的计算机程序、其中记录有这种计算 机程序的记录介质、和包括这种计算机程序且体现为载波的数据信号。 在任何这些其它应用中可以采用任何上述另外的布置。

在作为计算机程序和其中记录有计算机程序的记录介质的本发明 应用中，本发明可以提供为整个程序以控制燃料电池系统的运行或作为 部分程序以仅实施本发明的特性功能。可用的记录介质的实例包括计算 机的软盘、CD-ROM、DVD-ROM、磁光盘、IC卡、ROM盒式磁带、 穿孔卡、带有条形码或其上印刷有其它码的印刷品、内存装置(诸如 RAM和ROM的存储器)和外部存储装置，以及各种其它的计算机可 读介质。

附图说明

图1示意性示出本发明一个实施方案中的包括燃料电池堆的燃料电 池系统的结构；

图2示意性示出本发明第一实施方案中的作为燃料电池堆的构件的 第一电池的结构；

图3示意性示出第一实施方案中的作为燃料电池堆的另一构件的第 二电池的结构；

图4是显示在第一实施方案中执行的一系列杂质气体排放控制的流 程图；

图5示意性示出本发明第二实施方案中的作为燃料电池堆的构件的 第二电池的结构；

图6是显示在第二实施方案中执行的一系列杂质气体排放控制的流 程图；

图7示意性示出本发明第三实施方案中的作为燃料电池堆的构件的 第二电池的结构；

图8显示本发明第三实施方案中的作为燃料电池堆的另一构件的集 电器的示意性结构；

图9是显示在第三实施方案中执行的一系列杂质气体排放控制的流 程图；

图10显示本发明第四实施方案中的作为燃料电池堆的构件的第二 电池的阴极隔离器(隔板)、与密封垫形成为一体的MEA、和阳极隔离 器(隔板)的结构；

图11是显示第四实施方案中的第二电池的结构的截面图；和

图12是显示在第四实施方案中执行的一系列杂质气体排放控制的 流程图。

具体实施方式

下面参考附图，作为优选实施方案按以下顺序描述实施本发明的最佳 方式：

A.燃料电池系统的结构

B.第一实施方案

   B1.电池的结构

   B2.杂质气体排放控制

C.第二实施方案

   C1.电池的结构

   C2.杂质气体排放控制

D.第三实施方案

   D1.电池和集电器的结构

   D2.杂质气体排放控制

E.第四实施方案

   E1.电池的结构

   E2.杂质气体排放控制

F.第五实施方案

G.修改方案

A.燃料电池系统的结构

图1示意性示出在本发明一个实施方案中的包括燃料电池堆100的燃 料电池系统1000的结构。除了燃料电池堆100的结构不同之外，在下文描 述的各个实施方案具有与燃料电池系统1000相同的基本结构。

燃料电池堆100构建为通过氢和氧的电化学反应发电的多个电池40 的堆叠结构。每个电池40具有插入一对隔离器之间的膜电极组合件。膜电 极组合件具有附着到质子导电电解质膜的各个表面的阳极和阴极。阳极和 阴极的每一个各自包括附着到电解质膜的相应表面的催化剂层、和形成在 催化剂层表面上的气体扩散层。尽管电解质膜可由任何其它合适的材料例 如固体氧化物制成，但是在该实施方案中电解质膜是例如为Nafion(注册 商标)的固体聚合物膜。每个隔离器都具有作为待供给到阳极的燃料气体 的氢的流路、作为待供给到阴极的氧化剂气体的空气的流路和冷却水的流 路。电池40的层叠数量是根据对燃料电池堆100所需的电力需求而任意设 定的。

通过依以下次序层叠端板10a、绝缘板20a、集电器30a、多个电池40、 另一集电器30b、另一绝缘板20b和另一端板10b获得燃料电池堆100。 这些板、集电器和电池具有用于燃料电池堆100的氢、空气和冷却水流动 的供给入口和排放出口。燃料电池堆100包括将供给的氢、空气和冷却水 分配到各个电池40的供给歧管(氢供给歧管、空气供给歧管和冷却水 供给歧管)、和排放歧管(阳极废气排放歧管、阴极废气排放歧管和冷 却水排放歧管)，所述排放歧管收集来自各个电池40的阳极和阴极的阳 极废气流和阴极废气流和来自各个电池40的冷却水流，并将阳极废气、 阴极废气和冷却水的集合流排出燃料电池堆100。

在该实施方案的燃料电池堆100中，多个电池40包括多个第一电池 40A和一个第二电池40B。第二电池40B用于监测发电过程中的氢浓度， 并且具有与下文所述的第一电池40A不同的内部结构。在图1示出的结构 中，第二电池40B的位置靠近集电器30a。然而，该位置并不关键，第二 电池40B可以位于任何其它合适的位置处。

端板10a和10b由诸如钢的金属制成以具有足够的刚性。绝缘板20a 和20b由诸如橡胶或树脂的绝缘材料制成。集电器30a和30b由诸如致密 的碳材料或铜材料的不透气的导电材料制成。集电器30a和30b具有输出 端子(未显示)以输出燃料电池堆100产生的电力。

尽管未具体示出，但是在燃料电池堆100的层叠方向上向燃料电池堆 100施加压紧力，以防止电池性能因接触电阻增加而劣化和防止在所述堆 结构中任意位置处的气体泄漏。

从储存高压氢的氢罐50供给氢作为燃料气体，并且供给的氢通过供给 导管53流到燃料电池堆100中的阳极。氢罐50不是必需的，可以用通过 作为原料的醇、烃或醛的重整反应产生富氢气体并将产生的富氢气体供给 到燃料电池堆100的阳极的装置替代。

储存在氢罐50中的高压氢通过设置在氢罐50出口处的截止阀51和用 于调节压力和调节流量的调节器52，并且经过氢供给歧管供给到各个电池 40的阳极。来自各个电池40的阳极的阳极废气流过与阳极废气排放歧管 连接的排放导管54，并且被排出燃料电池堆100。打开和关闭设置在排放 导管54中的排放阀55，使得实现和禁止将阳极废气排出燃料电池堆100。 排出燃料电池堆100的阳极废气中所包含的剩余氢通过稀释器或燃烧器 (未显示)处理。

供给通过压缩机60压缩的空气作为含氧的氧化剂气体，供给的空气通 过供给导管61流到燃料电池堆100的阴极。压缩空气经过与供给导管61 相连的空气供给歧管供给到各个电池40的阴极。来自各个电池40的阴极 的阴极废气流过与阴极废气排放歧管相连的排放导管62，并且被排出燃料 电池堆100。通过燃料电池堆100的阴极处的氢和氧的电化学反应产生的 水与阴极废气一起从排放导管62排出。

燃料电池堆100通过电化学反应产生热，并且通过冷却水流冷却。冷 却水流通过泵70循环通过流动导管72，通过散热器71冷却，并且被供给 到燃料电池堆100。

燃料电池系统1000的运行受控制单元80的控制。控制单元80构建为 包括CPU、RAM和ROM的微型计算机。控制单元80根据存储在ROM 中的控制程序操纵相关的阀和泵以控制燃料电池系统1000的运行。该实施 方案的燃料电池系统1000是之前描述的阳极闭端型燃料电池系统，并且具 有在发电期间通常关闭的排放阀55。随着流到燃料电池堆100的阳极的气 流中包含的杂质气体的浓度升高和所造成的氢浓度相对降低到或低于预 设参考水平，控制单元80执行一系列杂质气体排放控制，以将包含杂质气 体的阳极废气排出燃料电池堆100，如下文所述。该实施方案的控制单元 80等同于本发明的控制器。

B.第一实施方案

B1.电池的结构

在本发明的第一实施方案中，第一电池40A具有下述结构。这种结构 的第一电池40A也用于本发明的第二至第四实施方案的燃料电池堆中。因 此，在描述第二至第四实施方案时，省去对第一电池40A的结构的说明。

图2是示意性示出在第一实施方案中的第一电池40A的结构的分解立 体图。第一电池40A具有矩形形状，并且包括插入阴极隔离器42A和阳极 隔离器43A之间的与密封垫形成为一体的MEA(膜电极组合件)41A。 与密封垫形成为一体的MEA 41A具有被密封框架构件(未显示)围绕的 膜电极组合件410。在该实施方案中，密封框架构件由硅橡胶制成。

如图所示，与密封垫形成为一体的MEA 41A、阴极隔离器42A和阳 极隔离器43A沿其相应的一个短侧边具有用于形成氢供给歧管的通孔 41ai、42ai和43ai和用于形成阳极废气排放歧管的通孔41ao、42ao和43ao。 与密封垫形成为一体的MEA 41A、阴极隔离器42A和阳极隔离器43A沿 其相应的另一短侧边还具有用于形成空气供给歧管的通孔41ci、42ci和 43ci和用于形成阴极废气排放歧管的通孔41co、42co和43co。形成于与 密封垫形成为一体的MEA 41A中的通孔41ai、41ao、41ci和41co，形成 于阴极隔离器42A中的通孔42ai、42ao、42ci和42co以及形成于阳极隔 离器43A中的通孔43ai、43ao、43ci和43co布置为在与密封垫形成为一 体的MEA 41A、阴极隔离器42A和阳极隔离器43A的层叠中相应地对齐。

阳极隔离器43A在其与膜电极组合件410的阳极相对的表面上具有形 成于通孔43ai和通孔43ao之间的槽43d，以使氢在膜电极组合件410的 整个阳极表面上蛇形流动。虚线箭头代表氢和阳极废气的流动。该图示也 用于随后描述电池结构的任何附图中。在该实施方案结构中的第一电池 40A的阳极隔离器43A中形成的槽43d相当于本发明的第一燃料气体流 路。

尽管未具体示出，与阳极隔离器43A类似，阴极隔离器42A在其与膜 电极组合件410的阴极相对的表面上具有形成于通孔42ci和通孔42co之 间的槽，以使空气在膜电极组合件410的整个阴极表面上蛇形流动。单点 链线箭头代表空气和阴极废气的流动。该图示也用于随后描述电池结构的 任何附图中。

与密封垫形成为一体的MEA 41A、阴极隔离器42A和阳极隔离器43A 实际上具有用于形成冷却水供给歧管和用于形成冷却水排放歧管的其它 通孔以及冷却水流路。为了简化图示和说明起见，省去了这些元件。

说明第二电池40B的结构。

图3是示意性示出第一实施方案中的第二电池40B的结构的分解立体 图。与第一电池40A类似，第二电池40B具有矩形形状，并且包括插入阴 极隔离器42B和阳极隔离器43B之间的与密封垫形成为一体的MEA 41B。 与密封垫形成为一体的MEA 41B具有被密封框架构件(未显示)围绕的 膜电极组合件410。

第二电池40B的与密封垫形成为一体的MEA 41B、阴极隔离器42B 和阳极隔离器43B在与第一电池40A的与密封垫形成为一体的MEA 41A、 阴极隔离器42A和阳极隔离器43A中形成的通孔相同的位置处具有相同形 状的通孔。第二电池40B的与密封垫形成为一体的MEA 41B和阴极隔离 器42B与第一电池40A的与密封垫形成为一体的MEA 41A和阴极隔离器 42A相同。

阳极隔离器43B在其与膜电极组合件410的阳极相对的表面上具有形 成于通孔43ai和通孔43ao之间的槽43Bd，以使氢在膜电极组合件410的 整个阳极表面上蛇形流动。如图所示，槽43Bd具有设置在靠近下游通孔 43ao的区域中的限制元件43e，以减小流动通道的截面积。限制元件43e 可与阳极隔离器43B形成为一体，或者可以作为待连接到槽43Bd的单独 构件提供。用于测量氢浓度的氢浓度传感器43s设置在限制元件43e的下 游，即，在限制元件43e和通孔43ao之间的槽43Bd中。在该实施方案结 构中的阳极隔离器43B中形成的槽43Bd相当于本发明的第二燃料气体流 路。在该实施方案的结构中，除限制元件43e以外的槽43Bd的其余区域 相当于本发明的未变小区域。限制元件43e和通孔43ao之间的槽43Bd在 下文称为“限制元件43e下游的未变小区域”。

在排放阀55(见图1)处于关闭状态的发电过程中，第二电池40B的 阳极隔离器43B上限制元件43e下游的未变小区域中的压力变得低于其它 区域中的压力。因此，限制元件43e下游的未变小区域累积了第二电池40B 中产生的杂质气体，并且累积了第一电池40A中产生的并流过阳极废气排 放歧管的杂质气体。也就是说，与形成于第一电池40A的阳极隔离器43A 上的槽43d相比，第二电池40B的阳极隔离器43B上的限制元件43e下游 的未变小区域因杂质气体的浓度升高和导致的氢浓度相对降低而具有较 高的电位。位于第二电池40B的阳极隔离器43B上的限制元件43e下游的 未变小区域中的氢浓度传感器43s有效地检测燃料电池堆100中的氢浓度 降低和杂质气体浓度升高。

B2.杂质气体排放控制

图4是显示在第一实施方案中执行的一系列杂质气体排放控制的流程 图。控制单元80的CPU在发电过程中偶尔执行杂质气体排放控制。排放 阀55在开始进行杂质气体排放控制时是关闭的。

CPU接收来自氢浓度传感器43s的第二电池40B的阳极隔离器43B上 的限制元件43e下游的未变小区域中的氢浓度测量值(步骤S100)，并且 确定所测量的氢浓度是否降低至或低于预设参考水平(步骤S110)。氢浓 度的参考水平设定为例如在膜电极组合件410中的阴极催化剂层没有因氢 浓度降低而引起的碳氧化的无碳氧化范围的下限。

当在步骤S100中接收的氢浓度降低到或低于预设参考水平(步骤 S110：是)时，CPU打开排放阀55(步骤S120)，使得能够将包含杂质气 体的阳极废气排出燃料电池堆100。另一方面，当氢浓度高于预设参考水 平(步骤S110：否)时，重复步骤S100和S110的过程。

然后，CPU确定从打开排放阀55起预设的阀打开时间是否已经过去 (步骤S130)。阀打开时间设定为将杂质气体充分排出燃料电池堆100所 需的一定时间段。

在预设的阀打开时间过去之后(步骤S130：是)，CPU关闭排放阀55 (步骤S140)以停止将包含杂质气体的阳极废气排出燃料电池堆100。

第一实施方案的结构在阳极闭端型燃料电池系统1000中能够有效使 用氢作为燃料气体，并且防止燃料电池堆100的膜电极组合件410因碳氧 化而劣化。

C.第二实施方案

C1.电池的结构

图5是示意性示出本发明第二实施方案中的第二电池40C的结构的分 解立体图。与第一实施方案中描述的第一电池40A类似，第二实施方案的 第二电池40C具有矩形形状，并且包括插入阴极隔离器42C和阳极隔离器 43C之间的与密封垫形成为一体的MEA41C。与密封垫形成为一体的 MEA41C具有被密封框架构件(未显示)围绕的膜电极组合件410C。

第二电池40C的与密封垫形成为一体的MEA41C、阴极隔离器42C 和阳极隔离器43C在与第一电池40A的与密封垫形成为一体的MEA41A、 阴极隔离器42A和阳极隔离器43A中形成的通孔相同的位置处具有相同形 状的通孔。第二电池40C的与密封垫形成为一体的MEA41C和阴极隔离 器42C与第一电池40A的与密封垫形成为一体的MEA 41A和阴极隔离器 42A相同。

与第一实施方的阳极隔离器43C类似，第二实施方案的阳极隔离器 43C在其与膜电极组合件410C的阳极相对的表面上具有形成于通孔43ai 和通孔43ao之间的槽43Cd，以使氢在膜电极组合件410C的整个阳极表 面上蛇形流动。槽43Cd具有设置在靠近下游通孔43ao的区域中的限制元 件43e，以减小流动通道的截面积。与第一实施方案的阳极隔离器43B不 同，第二实施方案的阳极隔离器43C在限制元件43e下游的未变小区域中， 即在限制元件43e和通孔43ao之间的槽43Cd中没有氢浓度传感器43s。 在第二实施方案的结构中，部分电极(partial electrode)410p设置在膜电 极组合件410C的阴极上的待与阴极上的其它区域绝缘的相对区域中。膜 电极组合件410C的阴极上的相对区域与氢浓度传感器43s位于第一实施 方案的结构中时限制元件43e下游的未变小区域相对。第二电池40C还具 有测量部分电极410p的部分电位或局部阴极电位的电位传感器44。

在排放阀55(见图1)处于关闭状态的发电过程中，与第一实施方案 中描述的第一电池40A的阳极隔离器43A上形成的槽43d相比，第二电池 40C的阳极隔离器43C上的限制元件43e下游的未变小区域因杂质气体浓 度升高和所导致的氢浓度相对降低而具有较高的电位。在该未变小下游区 域中氢浓度的降低导致通过电解质膜与该未变小下游区域相对的相对区 域中的局部阴极电位升高。通过电位传感器44测量部分电极410p的阴极 电极间接地检测燃料电池堆100中氢浓度的降低和杂质气体浓度的升高。

C2.杂质气体排放控制

图6是显示在第二实施方案中执行的一系列杂质气体排放控制的流程 图。控制单元80的CPU在发电过程中偶尔执行杂质气体排放控制。排放 阀55在开始进行杂质气体排放控制时是关闭的。

CPU接收来自电位传感器44的部分电极410p的分电位(步骤S200)， 并且确定所测量的分电位是否升高至或高于预设参考水平(步骤S210)。 分电位的参考水平设定为例如在膜电极组合件410C中的阴极催化剂层没 有因氢浓度降低而引起的碳氧化的无碳氧化范围的上限。

当在步骤S200中接收的部分电极410p的分电位升高到或高于预设参 考水平(步骤S210：是)时，CPU估算阳极废气中包含的杂质气体浓度 的升高和所导致的氢浓度过度的相对降低。CPU由此打开排放阀55(步 骤S220)，使得能够将包含杂质气体的阳极废气排出燃料电池堆100。另 一方面，当部分电极410p的分电位低于预设参考水平(步骤S210：否) 时，重复步骤S200和S210的过程。

然后，CPU确定从打开排放阀55起预设的阀打开时间是否已经过去 (步骤S230)。阀打开时间设定为将杂质气体充分排出燃料电池堆100所 需的一定时间段。

在预设的阀打开时间过去之后(步骤S230：是)，CPU关闭排放阀55 (步骤S240)以停止将包含杂质气体的阳极废气排出燃料电池堆100。

第二实施方案的结构在阳极闭端型燃料电池系统1000中也使得能够 有效使用氢作为燃料气体，并且防止燃料电池堆100的膜电极组合件410C 因碳氧化而劣化。

D.第三实施方案

D1.电池和集电器的结构

图7是示意性示出本发明第三实施方案中的第二电池40D的结构的分 解立体图。与第一实施方案中描述的第一电池40A类似，第三实施方案的 第二电池40D具有矩形形状，并且包括插入阴极隔离器42D和阳极隔离器 43D之间的与密封垫形成为一体的MEA 41D。与密封垫形成为一体的 MEA 41D具有被密封框架构件(未显示)围绕的膜电极组合件410。

第二电池40D的与密封垫形成为一体的MEA 41D、阴极隔离器42D 和阳极隔离器43D在与第一电池40A的与密封垫形成为一体的MEA 41A、 阴极隔离器42A和阳极隔离器43A中形成的通孔相同的位置处具有相同形 状的通孔。第二电池40D的与密封垫形成为一体的MEA 41D和阴极隔离 器42D与第一电池40A的与密封垫形成为一体的MEA 41A和阴极隔离器 42A相同。第三实施方案的阳极隔离器43D与第二实施方案的阳极隔离器 43C相同。第三实施方案的阳极隔离器43D在其与膜电极组合件410的阳 极相对的表面上具有形成于通孔43ai和通孔43ao之间的槽43Dd，以使氢 在膜电极组合件410的整个阳极表面上蛇形流动。槽43Dd具有设置在靠 近下游通孔43ao的区域中的限制元件43e，以减小流动通道的截面积。

在第三实施方案的结构中，第二电池40D位于燃料电池堆100的一端， 其对应于图1所示的第一实施方案的结构中靠近集电器30a的位置。第三 实施方案的燃料电池堆100具有集电器30Da，所述集电器30Da的结构与 第一实施方案的集电器30a不同。

图8显示第三实施方案的集电器30Da的示意性结构。图8(a)是从第 二电池40D观察的集电器30Da的平面图，图8(b)是沿图8(a)中的线A-A 截取的截面图。在图8(a)的图示中省去了收集电流的端子。

如图8(a)所示，第三实施方案的集电器30Da为矩形形状，并且在对 应于第二电池40D的与密封垫形成为一体的MEA 41D、阴极隔离器42D 和阳极隔离器43D中用于形成氢供给歧管的通孔、用于形成空气供给歧管 的通孔、用于形成阳极废气排放歧管的通孔和用于形成阴极废气排放歧管 的通孔的位置处具有通孔30ai、30ci、30ao和30co。集电器30Da还在与 阳极隔离器43D接触的并与阳极隔离器43D上的限制元件43e下游的未变 小区域对应的特定位置处具有局部电流检测器300。局部电流检测器300 检测未变小区域的膜电极组合件410中产生的局部电流流动。

局部电流检测器300包括局部电流测量板310、绝缘构件320、连接元 件330和电流传感器340，如图8(b)所示。局部电流测量板310通过绝缘 构件320与集电器30Da的周围区域绝缘。局部电流测量板310的表面与 集电器30Da的表面齐平，以使集电器30Da和局部电流测量板310都能够 与阳极隔离器43D接触。局部电流测量板310通过连接元件330与集电器 30Da的周围区域连接。位于连接元件330上的电流传感器340测量流过局 部电流测量板310的局部电流。

在排放阀55(见图1)处于关闭状态下的发电过程中，与第一实施方 案中描述的第一电池40A的阳极隔离器43A上形成的槽43d相比，第二电 池40D的阳极隔离器43D上限制元件43e下游的未变小区域因杂质气体浓 度的升高和所导致的氢浓度相对降低而具有较高的电位。该未变小的下游 区域中的氢浓度降低导致该未变小的下游区域的膜电极组合件410的发电 量局部降低，并且降低了该局部区域中的电流流动。通过局部电流传感器 300的电流传感器340测量在因氢浓度降低而具有较高电位的该局部区域 中流动的局部电流，间接测量了燃料电池堆100中的氢浓度降低和杂质气 体浓度升高。

D2.杂质气体排放控制

图9是显示在第三实施方案中执行的一系列杂质气体排放控制的流程 图。控制单元80的CPU在发电过程中偶尔执行杂质气体排放控制。排放 阀55在开始进行杂质气体排放控制时是关闭的。

CPU接收来自电流传感器340的流过局部电流测量板310的局部电流 的测量值(步骤S300)，并且确定所测量的局部电流是否降低至或低于预 设参考水平(步骤S310)。局部电流的参考水平设定为例如在膜电极组合 件410中的阴极催化剂层没有因氢浓度降低而引起的碳氧化的无碳氧化范 围的下限。

当在步骤S300中接收的局部电流降低到或低于预设参考水平(步骤 S310：是)时，CPU估算阳极废气中包含的杂质气体浓度的升高和所导致 的氢浓度过度的相对降低。CPU由此打开排放阀55(步骤S320)，使得能 够将包含杂质气体的阳极废气排出燃料电池堆100。另一方面，当局部电 流高于预设参考水平(步骤S310：否)时，重复步骤S300和S310的过程。

然后，CPU确定从打开排放阀55起预设的阀打开时间是否已经过去 (步骤S330)。阀打开时间设定为将杂质气体充分排出燃料电池堆100所 需的一定时间段。

在预设的阀打开时间过去之后(步骤S330：是)，CPU关闭排放阀55 (步骤S340)以停止将包含杂质气体的阳极废气排出燃料电池堆100。

第三实施方案的结构在阳极闭端型燃料电池系统1000中也能够有效 使用氢作为燃料气体，并且防止燃料电池堆100的膜电极组合件410因碳 氧化而劣化。

E.第四实施方案

E1.电池的结构

图10显示本发明第四实施方案中的第二电池40E的阴极隔离器42E、 与密封垫形成为一体的MEA 41E和阳极隔离器43E的结构。与第一实施 方案中描述的第一电池40A类似，第四实施方案的第二电池40E具有矩形 形状，并且包括插入阴极隔离器42E和阳极隔离器43E之间的与密封垫形 成为一体的MEA 41E。

图10(a)是从与密封垫形成为一体的MEA 41E观察的阴极隔离器42E 的立体图。图10(b)是从阴极隔离器42E观察的与密封垫形成为一体的 MEA 41E的立体图。图10(c)是从与密封垫形成为一体的MEA 41E观察的 阳极隔离器43E的立体图。

如图所示，第二电池40E的与密封垫形成为一体的MEA 41E、阴极隔 离器42E和阳极隔离器43E在与第一电池40A的与密封垫形成为一体的 MEA 41A、阴极隔离器42A和阳极隔离器43A中形成的通孔相同的位置 处具有相同形状的通孔。

如图10(b)中清楚可见的，第四实施方案的与密封垫形成为一体的 MEA 41E具有与第一到第三实施方案的与密封垫形成为一体的MEA 41B、41C和41D完全不同的结构。在第四实施方案的与密封垫形成为一 体的MEA 41E中，膜电极组合件410E设置在通孔41ai和通孔41ao之间 的狭窄区域中。与密封垫形成为一体的MEA 41E在其基本上中心处，即 在第一到第三实施方案中设置膜电极组合件410或410C处具有由例如金 属板制成的导电构件420。

如图10(c)所示的，阳极隔离器43E具有在通孔43ai和通孔43ao之间 形成的槽43Ed，以使氢沿膜电极组合件410E的阳极表面流动。槽43Ed 具有比在第一电池40A(见图2)中形成的槽43d的流路长度明显更短的 流路长度。第二电池40E中的槽43Ed所限定的气体流路实际上具有与第 一电池40A中的槽43d所限定的气体流路的压力损失实际等同的压力损 失。

如10(a)所示，阴极隔离器42E具有形成于通孔42ci和通孔42co之间 的槽42Ed，以使空气沿膜电极组合件410E的阴极表面流动。

如10(a)和10(c)所示，阴极隔离器42E和阳极隔离器43E分别具有绝 缘构件42i和绝缘构件43i，以防止设置在与密封垫形成为一体的MEA 41E 中的膜电极组合件410E产生的电流流入与密封垫形成为一体的MEA 41E 的导电构件420中或流入靠近第二电池40E的第一电池40A中。

图11是沿10(b)中的线B-B截取的第二电池40E的截面图。

如图所示，设置在与密封垫形成为一体的MEA 41E中的膜电极组合 件410E具有依以下次序形成于电解质膜411的阳极侧表面上的阳极催化 剂层412和阳极气体扩散层414，和依以下次序形成于电解质膜411的阴 极侧表面上的阴极催化剂层413和阴极气体扩散层415。膜电极组合件 410E通过经由阳极隔离器43E上的槽43Ed供给的氢和经由阴极隔离器 42E上的槽42Ed供给的空气中的氧的电化学反应发电。如前所述，阴极 隔离器42E和阳极隔离器43E分别具有绝缘构件42i和43i。因此，膜电 极组合件410E中产生的电流不流入邻近的第一电池40A中或流入与燃料 电池堆100连接的负荷中。电压传感器45连接到第二电池40E，以测量第 二电池40E的开路电压，如图11所示。

在排放阀55(见图1)处于关闭状态的发电过程中，与第一电池40A 的阳极隔离器43A上形成的槽43d相比，第二电池40E的阳极隔离器43E 上的槽43Ed因氢浓度降低而具有较高的电位。降低的氢浓度降低了膜电 极组合件410E的发电性能。通过电压传感器45测量第二电池40E的开路 电压，以高精度地检测燃料电池堆100中的氢浓度降低和杂质气体浓度升 高。

E2.杂质气体排放控制

图12是显示在第四实施方案中执行的一系列杂质气体排放控制的 流程图。控制单元80的CPU在发电过程中偶尔执行杂质气体排放控制。 排放阀55在开始进行杂质气体排放控制时是关闭的。

CPU接收来自电压传感器45的第二电池40E的开路电压的测量值 (步骤S400)，并且确定所测量的开路电压是否降低至或低于预设参考水 平(步骤S410)。开路电压的参考水平设定为例如在膜电极组合件410E 中的阴极催化剂层没有因氢浓度降低而发生的碳氧化的无碳氧化范围的 下限。

当在步骤S400中接收的开路电压降低到或低于预设参考水平(步骤 S410：是)时，CPU估算阳极废气中包含的杂质气体浓度的升高和所导致 的氢浓度过度的相对降低。CPU由此打开排放阀55(步骤S420)，使得能 够将包含杂质气体的阳极废气排出燃料电池堆100。另一方面，当第二电 池40E的开路电压高于预设参考水平(步骤S410：否)时，重复步骤S400 和S410的过程。

然后，CPU确定从打开排放阀55起预设的阀打开时间是否已经过 去(步骤S430)。阀打开时间设定为将杂质气体充分排出燃料电池堆100 所需的一定时间段。

在预设的阀打开时间过去之后(步骤S430：是)，CPU关闭排放阀 55(步骤S440)以停止将包含杂质气体的阳极废气排出燃料电池堆100。

第四实施方案的结构在阳极闭端型燃料电池系统1000中也能够有 效使用氢作为燃料气体，并且防止燃料电池堆100的膜电极组合件410E 因碳氧化而劣化。

F.第五实施方案

在上述第一到第四实施方案中，燃料电池系统1000的基本操作条件 是在排放阀55完全关闭状态下的闭端操作。在本发明第五实施方案中的燃 料电池系统的基本操作条件是在排放阀55处于轻度打开状态下的连续低 排放操作。

连续低排放操作基本上将燃料气体保留在燃料电池堆100中，如同 闭端操作。在第五实施方案的燃料电池系统中，调节排放阀55的打开度， 以允许将与燃料电池堆100中的燃料气体消耗量相比流量极低的阳极废气 连续排出燃料电池系统。这种连续的低排放操作将阳极废气排放歧管中累 积的杂质逐渐排出燃料电池系统，并且使杂质从阳极气体(燃料气体)流 路逐渐转移到阳极废气排放歧管。这种布置有效地将阳极气体流路中的杂 质浓度保持在足够低的水平上。

G.修改方案

上述实施方案在所有方面都应当视为举例说明性的而非限制性的。 在不脱离本发明主要特征的范围或精神的情况下，可以进行许多修改、变 化和变更。下面给出一些可能的修改方案的实例。

G1.修改实例1

第一实施方案的杂质气体排放控制在步骤S130中在自排放阀55打 开起预设的阀打开时间过去之后关闭排放阀55。修改的杂质气体流排放控 制可以控制氢浓度传感器43s以在打开排放阀55之后连续监测氢浓度，并 且响应于氢浓度恢复至或高于预设参考氢浓度关闭排放阀55。

第二实施方案的杂质气体排放控制在步骤S230中在自排放阀55打 开起预设的阀打开时间过去之后关闭排放阀55。修改的杂质气体流排放控 制可以控制电位传感器44以在打开排放阀55之后连续监测部分电极410p 的分电位，并且响应于分电位恢复至或低于预设参考电位关闭排放阀55。

第三实施方案的杂质气体排放控制在步骤S330中在自排放阀55打 开起预设的阀打开时间过去之后关闭排放阀55。修改的杂质气体流排放控 制可以控制电流传感器340以在打开排放阀55之后连续监测流过局部电流 测量板310的局部电流，并且响应于局部电流恢复至或高于预设参考电流 值关闭排放阀55。

第四实施方案的杂质气体排放控制在步骤S430中在自排放阀55打 开起预设的阀打开时间过去之后关闭排放阀55。修改的杂质气体流排放控 制可以控制电压传感器45以在打开排放阀55之后连续监测第二电池40E 的开路电压，并且响应于开路电压恢复至或高于预设参考电压关闭排放阀 55。

G2.修改实例2

在上述第一实施方案的结构中，氢浓度传感器43s设置在第二电池 40B中。基于氢浓度传感器43s所测量的氢浓度进行杂质气体排放控制。 然而，氢浓度传感器43s不是必需的。一个可能的修改方案可以使用测量 作为杂质气体的氮的浓度的氮浓度传感器代替氢浓度传感器43s。在该修 改结构中，基于由氮传感器测量的氮浓度进行杂质气体排放控制。

G3.修改实例3

在上述第二实施方案的结构中，部分电极410p设置在膜电极组合件 410C的阴极上，电位传感器44测量部分电极410p的阴极电位。然而， 该布置不是限制性的。在一个修改结构中，部分电极设置在通过电解质膜 与部分电极410p的位置相对的特定位置处的膜电极组合件410C的阳极 上，电位传感器测量部分电极的阳极电位。这是因为阳极上氢浓度的降低 升高了阳极电位和阴极电位。

G4.修改实例4

在上述第一到第三实施方案中，限制元件43e位于形成于第二电池 40B、40C或40D中的槽43Bd、43Cd或43Dd下游。然而，限制元件43e 的这种布置不是限制性的。限制元件43e可以位于槽43Bd、43Cd或43Dd 中的任何位置处。

G5.修改实例5

在上述第一到第三实施方案中，限制元件43e设置在形成于第二电 池40B、40C或40D中的槽43Bd、43Cd或43Dd的一部分中。槽43Bd、 43Cd或43Dd可以形成为使槽43Bd、43Cd或43Dd的整个区域上的流动 通道的截面积小于形成于第一电池40A上的槽43d中流动通道的截面积。

G6.修改实例6

在上述实施方案中，燃料电池堆100只具有一个第二电池。然而， 第二电池的数目不限于一个，而是可以为多个。在具有多个第二电池的燃 料电池堆100中，优选的杂质气体流排放控制基于多个第二电池中最低的 第二电池中燃料气体浓度确定将阳极废气排出燃料电池堆100的排放时 刻。

G7.修改实例7

在上述实施方案中，每个电池中的氢流路和空气流路是由阳极隔离 器和阴极隔离器中形成的槽限定的。作为替代方案，可由导电多孔体替代 槽的形成来限定氢和空气的流路。