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)明涉及一種包括具有氫可滲透金屬層的燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，并涉及一種用于防止燃料電池里的氫可滲透金屬層退化的技術(shù)。
背景技術(shù)：
在使用由烴重整材料制成的重整氣作為燃料的燃料電池系統(tǒng)里，重整氣被凈化，以便降低在重整氣中的一氧化碳(CO)含量。通過純化器(purifier)執(zhí)行重整氣的凈化，所述純化器例如在重整器里結(jié)合有氫可滲透的隔膜和可選擇氧化部分的氫氣純化器。為了避免由于結(jié)合了這樣的純化器而帶來的燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜化，JP05-299105披露了一種燃料電池，其在電解質(zhì)層上具有氫可滲透金屬層，且未凈化的重整氣可以用作燃料。
然而，當(dāng)氫可滲透金屬暴露于在低溫下的氫氣下時，氫可滲透金屬吸收氫氣，它引起氫脆。另一方面，當(dāng)燃料電池的反應(yīng)在高溫下進行時，溫度的增加導(dǎo)致在氫可滲透金屬層里發(fā)生金屬擴散。在具有氫可滲透金屬層的燃料電池里，如果當(dāng)氫可滲透金屬層的溫度在某一溫度范圍之外時供應(yīng)氫氣，那么氫可滲透金屬層會退化，可能會損壞燃料電池的產(chǎn)品壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是防止在燃料電池里氫可滲透金屬層的退化。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，其具有電解質(zhì)；陰極，其被設(shè)置在所述電解質(zhì)的一側(cè)；陽極，其具有氫可滲透金屬層且被設(shè)置在所述電解質(zhì)的另一側(cè)；陰極通道，其用于向所述陰極供應(yīng)氧化氣體；陽極通道，其用于向所述陽極供應(yīng)包含氫氣的燃料氣體；氫可滲透金屬層退化防止部分，其被配置以降低所述陽極通道中的氫的分壓，以便防止所述氫可滲透金屬層的退化；溫度參數(shù)獲取部分，其被設(shè)置以獲取與所述氫可滲透金屬層的溫度相關(guān)的參數(shù)；以及燃料電池控制器，其用于控制所述燃料電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其中，所述燃料電池控制器具有退化防止模式，用于當(dāng)由所述溫度參數(shù)表示的所述氫可滲透金屬層的溫度偏離預(yù)定的溫度范圍時，使得所述氫可滲透金屬層退化防止部分工作。
根據(jù)這種配置，當(dāng)所述氫可滲透金屬層的溫度偏離預(yù)定溫度范圍時，降低了在陽極通道里的氫的分壓。結(jié)果，防止了氫可滲透金屬層的退化。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，其具有電解質(zhì)；陰極，其被設(shè)置在所述電解質(zhì)的一側(cè)；陽極，其具有氫可滲透金屬層且被設(shè)置在所述電解質(zhì)的另一側(cè)；陰極通道，其用于向所述陰極供應(yīng)氧化氣體；陽極通道，其用于向所述陽極供應(yīng)包含氫的燃料氣體；氫可滲透金屬層退化防止部分，其被配置以通過調(diào)節(jié)供應(yīng)到所述燃料電池的氣體的溫度，來防止所述氫可滲透金屬層的退化；溫度參數(shù)獲取部分，其被配置以獲取與所述氫可滲透金屬層的溫度相關(guān)的參數(shù)；以及燃料電池控制器，其用于控制所述燃料電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其中，所述燃料電池控制器具有退化防止模式，用于當(dāng)由所述溫度參數(shù)表示的所述氫可滲透金屬層的溫度偏離預(yù)定的溫度范圍時，使得所述氫可滲透金屬層防止部分工作。
根據(jù)這種配置，當(dāng)氫可滲透金屬層的溫度偏離預(yù)定的溫度范圍時，氫可滲透金屬層的溫度能夠恢復(fù)到所述預(yù)定溫度范圍。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，其具有電解質(zhì)；陰極，其被設(shè)置在所述電解質(zhì)的一側(cè)；陽極，其具有氫可滲透金屬層且被設(shè)置在所述電解質(zhì)的另一側(cè)；陰極通道，其用于向所述陰極供應(yīng)氧化氣體；陽極通道，其用于向所述陽極供應(yīng)包含氫的燃料氣體；以及低溫氣體供應(yīng)部分，其用于將溫度低于所述燃料電池的工作溫度的氣體供應(yīng)到所述燃料電池；其中，所述低溫氣體供應(yīng)部分包括低溫氣體加熱部分，該低溫氣體加熱部分被配置以通過對沒有到達所述燃料電池的工作溫度的范圍內(nèi)的氣體進行加熱，來防止由于所述低溫氣體的冷卻而引起的所述氫可滲透金屬層的退化。
根據(jù)這種配置，抑制了在氫可滲透金屬層里的局部溫度降低。結(jié)果，防止了由于局部溫度降低而引起的氫可滲透金屬層的退化。
本發(fā)明可以以各種模式實現(xiàn)，例如用于燃料電池系統(tǒng)的控制設(shè)備或方法，配備有這樣的控制設(shè)備的車輛，用于實現(xiàn)這樣的控制設(shè)備或控制方法的功能的計算機程序，用于記錄這樣的計算機程序的記錄介質(zhì)，等等。


圖1是作為本發(fā)明實施例的電動車的示意圖；圖2是顯示在實施例1里的燃料電池系統(tǒng)200的配置的示意圖；圖3是顯示組成燃料電池210的單電池400的配置的剖面圖；圖4是顯示在實施例1里的工作模式轉(zhuǎn)換程序的流程圖；圖5是顯示在實施例2中的燃料電池系統(tǒng)200a的配置的示意圖；圖6是顯示在實施例2里的工作模式轉(zhuǎn)換程序的流程圖；圖7是顯示在實施例3里的燃料電池系統(tǒng)200b的配置的示意圖；圖8是顯示在實施例4里的燃料電池系統(tǒng)200c的配置的示意圖；圖9是顯示在實施例5里的燃料電池系統(tǒng)200d的配置的示意圖；圖10是顯示在實施例6里的燃料電池系統(tǒng)200e的配置的示意圖；圖11是顯示在實施例7里的燃料電池系統(tǒng)200f的配置的示意圖；圖12是顯示在實施例7里的工作模式轉(zhuǎn)換程序的流程圖；圖13是顯示在實施例8里的燃料電池系統(tǒng)200g的配置的示意圖；
圖14是顯示在實施例9里的燃料電池系統(tǒng)200h的配置的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例按照下面的順序進行描述A.實施例1B.實施例2C.實施例3D.實施例4E.實施例5F.實施例6G.實施例7H.實施例8I.實施例9J.變型A.實施例1圖1是作為本發(fā)明的實施例的電動車的示意圖。電動車100包括供電系統(tǒng)15。供電系統(tǒng)15通過配線40連接到驅(qū)動換流器26和高壓輔助設(shè)備28。連接到驅(qū)動換流器26的驅(qū)動馬達30是用于產(chǎn)生電動車100的推力。驅(qū)動馬達30和高壓附件28是供電系統(tǒng)15的負載。
供電系統(tǒng)15包括燃料電池系統(tǒng)200和二次電池22。二次電池22通過DC/DC變換器24連接到配線40。這樣DC/DC變換器24和燃料電池210就并聯(lián)連接到配線40。
二次電池22供應(yīng)電能，以便在燃料電池系統(tǒng)200啟動時驅(qū)動在燃料電池系統(tǒng)200里的部件，同時將電能供應(yīng)給負載，直到燃料電池系統(tǒng)200的預(yù)熱完成。同樣，如果燃料電池210的可用電能不充足，那么二次電池22就供應(yīng)缺少的電能。二次電池22設(shè)置有用于檢測二次電池22的充電狀態(tài)(SoC)的充電狀態(tài)監(jiān)控器23。及時對二次電池22的充電/放電電流值進行積分的SoC儀表或者電壓傳感器可以用作充電狀態(tài)監(jiān)控器23。
DC/DC變換器24通過設(shè)定目標(biāo)電壓來調(diào)節(jié)配線40的電壓，該配線40是變換器24的輸出側(cè)。調(diào)節(jié)作為燃料電池210的輸出電壓的配線40的電壓來調(diào)節(jié)來自燃料電池210的輸出電能。
驅(qū)動馬達30是同步馬達，并包括用于形成旋轉(zhuǎn)磁場的三相線圈。來自供電系統(tǒng)15的電能通過驅(qū)動換流器26被變換為三相交流電流。然后，三相交流電流被供應(yīng)到驅(qū)動馬達30。驅(qū)動馬達30的輸出軸34通過減速齒輪32連接到車輛驅(qū)動軸36上。車輛速度傳感器37設(shè)置在車輛驅(qū)動軸36上。
高壓附件28使用由供電系統(tǒng)15供應(yīng)的、未變換的電能。供應(yīng)電壓是300V或更高。例如，用于將空氣供應(yīng)到燃料電池210的空氣泵和用于提供重整材料的泵可以用作高壓附件28。這樣的設(shè)備包括在燃料電池系統(tǒng)200里，盡管它在圖1中表示為位于供電系統(tǒng)15之外的高壓附件28。高壓附件28也包括包括在電動車100里的設(shè)備，例如空調(diào)。
電動車100還包括控制器50。控制器50設(shè)置為具有CPU、ROM、RAM、定時器等的微型計算機?？刂破?0獲取的輸入信號包括上述充電狀態(tài)監(jiān)控器23輸出的信號，以及車輛速度傳感器37輸出的信號。另外，例如顯示例如啟動開關(guān)的“開”和“關(guān)”狀態(tài)、位置移動、腳制動器的“開”和“關(guān)”狀態(tài)以及電動車100的加速器的打開的信號的這樣的信號輸入到控制器50中。在獲取了這樣的信號時，控制器50執(zhí)行各種控制過程，并輸出驅(qū)動信號到DC/DC變換器24、燃料電池系統(tǒng)200的部件、驅(qū)動換流器26、高壓附件28等。
圖2是顯示在實施例1中的燃料電池系統(tǒng)200的配置的示意圖。燃料電池系統(tǒng)200包括燃料電池控制器230、燃料電池210、重整器220、以及凈化器(clarifier)232。
燃料電池210包括陽極通道212、陰極通道214以及冷卻劑氣體通道216。通常，燃料電池210設(shè)置為燃料電池組，該燃料電池組包括具有陽極、陰極和電解質(zhì)的層狀的多個單電池(如下所述)。然而，在圖2中，為了繪圖方便，燃料電池描繪為一個單電池。
引入陽極通道212的燃料氣體包含了氫氣作為燃料，引入到陰極通道214的氧化氣體包含了氧氣作為氧化劑。氫氣和氧氣被分別供應(yīng)給在單電池里的陽極和陰極，并被燃料電池反應(yīng)消耗掉。由于燃料電池反應(yīng)而引起氫氣濃度的降低的燃料氣體作為陽極排出氣體從燃料電池210排出。類似地，氧氣濃度已經(jīng)下降的氧化氣體作為陰極排出氣體從燃料電池210排出。
陽極通道212的第一陽極通道末端212a通過第二燃料氣體管路244連接到燃料氣體旁通閥290的第二端口290b。燃料氣體旁通閥290的第一端口290a通過第一燃料氣體管路242連接到作為燃料氣體供應(yīng)源的重整器220。
重整器220包括重整部件222，該重整部件222通過用蒸汽和空氣(外部供應(yīng))使烴(重整材料)起反應(yīng)來重整重整材料。重整器220還包括用于加熱重整部件222的加熱部件224。供應(yīng)到重整部件222和加熱部件224的重整材料通過重整材料供應(yīng)泵280，通過重整材料管路240從外部重整材料供應(yīng)單元供應(yīng)到重整器。
通過重整材料和外部供應(yīng)空氣的催化燃燒，加熱部件224產(chǎn)生熱量。在加熱部件224上產(chǎn)生的熱量被傳遞到重整部件222上并用于重整反應(yīng)。由重整材料和空氣的燃燒產(chǎn)生的高溫廢氣通過沒有圖示的管路被排出到外面。
陽極通道212的第二陽極通道末端212e通過陽極排出氣體管路270連接到凈化器232。通過燃燒，凈化器232滅活(inactivate)陽極排出氣體里的可燃組分。在可燃組分被滅活之后，凈化器232將廢氣釋放進入大氣中。
陽極排出氣體管路270在陽極通道212的第二陽極通道末端212e和凈化器232之間具有支路。該支路通過燃料氣體旁通管路246連接到燃料氣體旁通閥290的第三端口290c。下面描述在實施例1中把燃料氣體旁通閥290和燃料氣體旁通管路246用作氣體供應(yīng)減少單元的方法。
陰極通道214的第一陰極通道末端214a通過氧化氣體管路250連接到第一空氣供應(yīng)泵284。第一空氣供應(yīng)泵284對空氣加壓使其作為氧化氣體，并將其供應(yīng)到陰極通道214。陰極排出氣體通過沒有圖示的管路從陰極通道214的第二陰極通道末端214e排出到大氣中。
冷卻劑氣體通道216的第一冷卻劑氣體通道末端216a通過冷卻氣體管路260連接到第二空氣供應(yīng)泵282。由冷卻劑氣體通道216的第一冷卻劑氣體通道末端216a供應(yīng)的空氣在穿過冷卻劑氣體通道216過程中冷卻了燃料電池210，并從冷卻劑氣體通道216的第二冷卻劑氣體通道末端216e排出。
重整器220由燃料電池控制器230進行控制。燃料電池控制器230獲取在燃料電池系統(tǒng)200里的部件的溫度，該溫度由例如連接到燃料電池210的溫度傳感器286的溫度傳感器獲得?；趤碜钥刂破?0(圖1)的指令以及所獲得的在燃料電池系統(tǒng)里部件的溫度，燃料電池控制器230控制燃料電池系統(tǒng)200的部件，例如泵280、282和284、以及閥290。燃料電池控制器230可以結(jié)合在控制器50里，并且它也可以設(shè)置為與控制器50分開的微型計算機。
燃料電池控制器230具有正常工作模式和旁通模式。在正常工作模式中，燃料氣體旁通閥290的第一端口290a和第二端口290b打開，而第三端口290c關(guān)閉。在這種模式下，燃料氣體旁通閥290的第一端口290a和第二端口290b連通，這樣由第一燃料氣體管路242供應(yīng)的燃料氣體通過第二燃料氣體管路244供應(yīng)到陽極通道212。
在旁通模式中，燃料電池控制器230關(guān)閉燃料氣體旁通閥290的第二端口290b，并打開燃料氣體旁通閥290的第一端口290a和第三端口290c。通過開關(guān)燃料氣體旁通閥290，停止了對陽極通道212的燃料氣體的供應(yīng)，燃料氣體被送到凈化器232。
在旁通模式執(zhí)行期間，燃料氣體沒有供應(yīng)到陽極通道212。因此在燃料電池210里的發(fā)電停止。當(dāng)在燃料電池210里停止了發(fā)電時，由例如高壓附件28(圖1)和驅(qū)動換流器26(圖1)的負載所使用的電能由通過變換器24(圖1)連接到配線40的二次電池22(圖1)供應(yīng)。
圖3是顯示組成燃料電池210的單電池400的配置的剖面圖。燃料電池210具有燃料電池組，在該燃料電池組里單電池400層疊在一起。單電池400設(shè)置有電解質(zhì)層410以及圍繞電解質(zhì)層410的兩個分離器422和424。兩個分離器422和424由例如可滲透氣體且導(dǎo)電的壓制碳(press-formed carbon)的材料形成。
電解質(zhì)層410具有由氧化物固體制成的電解質(zhì)414、包含鉑(Pt)的陰極412、以及包含鈀(Pd)的陽極420。諸如BaCeO3或SrCeO3的質(zhì)子導(dǎo)電陶瓷例如可以用作電解質(zhì)414。在本實施例中，鉑用作陰極，但是銠(Rh)或另一種貴金屬，或者LaGaMnO3或其它導(dǎo)電陶瓷也可以用作陰極。
陽極420具有氫可滲透金屬層416以及用于分離氫氣分子的氫氣分子分離層418。例如，薄的鈀隔膜可以用作氫氣分子分離層418。例如，諸如鈀或釩(V)的基本金屬，或者包含鈀或釩的合金，可以用作在氫可滲透金屬層416里的材料。
與第一分離器422和第二分離器424的電解質(zhì)層410相對，設(shè)置凹入部分。設(shè)置在第一分離器422處的凹入部分在第一分離器422和陰極412之間形成了氧化氣體通道432(與圖2里的陰極通道214相對應(yīng))。同樣，設(shè)置在第二分離器424處的凹入部分在第二分離器424和陽極420之間形成燃料氣體通道434(與圖2里的陽極通道212相對應(yīng))。
引入到燃料氣體通道434里的燃料氣體中的氫氣分子在氫氣分子分離層418被分離，從而變?yōu)橘|(zhì)子。分離的質(zhì)子通過氫可滲透金屬層416到達電解質(zhì)414。電解質(zhì)414將質(zhì)子供應(yīng)到陰極412。在陰極412里，由陽極420供應(yīng)的質(zhì)子和在引入到氧化氣體通道432的氧化氣體中的氧氣進行反應(yīng)，并產(chǎn)生水。這個燃料電池反應(yīng)伴隨著質(zhì)子通過電解質(zhì)414的運動，并當(dāng)電極通過外部導(dǎo)體從陽極420移到陰極412時繼續(xù)進行。
圖4是顯示在實施例1中工作模式轉(zhuǎn)換程序的流程圖。在燃料電池系統(tǒng)200(圖2)啟動之后，以特定時間間隔執(zhí)行這個程序。
在步驟S100里，燃料電池控制器230(圖2)獲取基于設(shè)置在燃料電池210(圖2)上的溫度傳感器286的輸出的代表氫可滲透金屬層416(圖3)的溫度的參數(shù)(下文中稱為“溫度參數(shù)”)。例如，通過對溫度傳感器286的輸出進行以試驗方法發(fā)現(xiàn)的合適變換，可以估算溫度參數(shù)。
在步驟S200中，燃料電池控制器230確定溫度參數(shù)所代表的氫可滲透金屬層416的溫度(下文中稱為“氫可滲透金屬層溫度”)是否高于預(yù)定上限溫度。如果氫可滲透金屬層溫度高于預(yù)定上限溫度，那么該過程就移到步驟S400，開始執(zhí)行旁通模式。如果氫可滲透金屬層溫度低于預(yù)定上限溫度，那么該過程就進入步驟S202。
基于可以防止在氫可滲透金屬層416里發(fā)生金屬擴散的溫度，設(shè)定上限溫度。如果可滲透金屬層416保持在高溫狀態(tài)下，那么金屬擴散就會在它和氫氣分子分離層418(圖3)之間發(fā)生?？梢钥紤]這個特征，以便設(shè)定上限溫度。所述上限溫度例如設(shè)定為一個稍微低于可以在氫可滲透金屬層416里避免過多金屬擴散的上限的值。例如，如果鈀用于氫氣分子分離層418，而釩用于氫可滲透金屬層416，那么上限溫度可以設(shè)定為低于700℃的任意溫度。
在步驟S202中，燃料電池控制器230確定氫可滲透金屬層溫度是否低于預(yù)定下限溫度。如果氫可滲透金屬層溫度低于預(yù)定溫度，那么所述過程移到步驟S400，開始執(zhí)行旁通模式。如果氫可滲透金屬層處于預(yù)定下限溫度之上，那么所述過程就進入步驟S300。
基于可以防止氫可滲透金屬層416的氫脆化的溫度，設(shè)定下限溫度。如果氫可滲透金屬層416暴露于處于低溫下的氫氣，氫氣就會被吸收，所述吸收會引起氫脆化?？梢钥紤]這種特征，以便設(shè)定下限溫度。下限溫度例如設(shè)定為一個稍微高于下限的值，在所述下限處即使氫可滲透金屬層416暴露于氫氣下，也可以避免過多的氫脆化。例如，如果釩用于氫可滲透金屬層416，下限溫度可以設(shè)定為在200℃之上的任意溫度。
在步驟S300里，燃料電池控制器230確定工作模式是否是旁通模式。如果它是旁通模式，那么在步驟S302里工作模式從旁通模式轉(zhuǎn)換為正常工作模式。如果工作模式不是旁通模式，那么程序終止。
在實施例1中，如果燃料電池210(圖2)的氫可滲透金屬層溫度偏離到預(yù)定溫度范圍之外，那么執(zhí)行旁通模式。從而燃料氣體就從陽極通道212(圖2)轉(zhuǎn)移到燃料氣體旁通管路246(圖2)中。通過轉(zhuǎn)移燃料氣體，在重整器220里產(chǎn)生的重整氣體的體積可以維持在預(yù)定量之上，并維持重整器220的工作，同時停止將燃料氣體供應(yīng)到燃料電池210。
以這種方式，如果在實施例1中的燃料電池系統(tǒng)200(圖2)的氫可滲透金屬層溫度降低到預(yù)定下限溫度之下時，包含氫氣的氣體就不供應(yīng)給陽極通道212。從而抑制了氫可滲透金屬層416(圖3)的氫脆化，使得可以防止氫可滲透金屬層416的退化。
同樣，由于來自于重整重整材料的反應(yīng)的熱量和來自于加熱部件224(圖2)的熱量，在重整器220(圖2)里產(chǎn)生的燃料氣體通常變得比燃料電池210的工作溫度要高。如果在實施例1中的燃料電池系統(tǒng)200里氫可滲透金屬層溫度增加到上限溫度以上，那么可以抑制由于高溫燃料氣體而引起的溫度增加。從而抑制了在氫可滲透金屬層416里的金屬擴散，使得可以防止氫可滲透金屬層416的退化。
在實施例1中，燃料電池系統(tǒng)設(shè)置為通過使用燃料氣體旁通閥290(圖2)改變?nèi)剂蠚怏w路徑，使得停止了將燃料氣體供應(yīng)到陽極通道212。但是總起來說，燃料電池系統(tǒng)可以設(shè)置為降低供應(yīng)到陽極通道212中燃料氣體的流速。可以例如通過在燃料氣體路徑上提供調(diào)節(jié)閥來代替燃料氣體旁通閥290，來調(diào)節(jié)供應(yīng)到陽極通道212中的燃料氣體流速。
B.實施例2圖5是顯示在實施例2中的燃料電池系統(tǒng)200a的配置的示意圖。燃料電池系統(tǒng)200(圖2)不同于實施例1的地方在于具有用于將轉(zhuǎn)移的燃料氣體供應(yīng)到陰極通道214的路徑。具體來說，設(shè)置在燃料氣體通道上的燃料氣體旁通閥290的第三端口290c通過第一燃料氣體旁通管路246a連接到可燃氣體供應(yīng)閥292的第一端口292a?？扇細怏w供應(yīng)閥292的第二端口292b通過第二燃料氣體旁通管路246b連接到設(shè)置在陽極排出氣體管路270上的支路。氧化氣體管路250a在第一空氣供應(yīng)泵284和第一陰極通道末端214a之間具有支路。這個支路通過可燃氣體供應(yīng)管路246c連接到可燃氣體供應(yīng)閥292的第三端口292c。其它的配置基本和實施例1中的相同。
燃料電池控制器230a具有如實施例1那樣的正常工作模式和旁通模式。在正常工作模式，如實施例1那樣控制燃料氣體旁通閥290。然而，在旁通模式里，關(guān)閉燃料氣體旁通閥290的第二端口290b，并打開第一端口290a和第三端口290c。同樣，打開可燃氣體供應(yīng)閥292的第一端口292a和第二端口292b，并關(guān)閉第三端口292c。因此，通過第一燃料氣體管路242供應(yīng)的燃料氣體被通過第一燃料氣體旁通管路246a、可燃氣體供應(yīng)閥292以及第二燃料氣體旁通管路246b送到凈化器232。
此外，燃料電池控制器230a具有用于加熱氫可滲透金屬層416(圖3)的加熱模式。在加熱模式里，關(guān)閉燃料氣體旁通閥290的第二端口290b，并打開第一端口290a和第三端口290c。同樣，關(guān)閉可燃氣體供應(yīng)閥292的第二端口292b，并打開第一端口292a和第三端口292c。因此，通過第一燃料氣體管路242供應(yīng)的燃料氣體被通過第一燃料氣體旁通管路246a、可燃氣體供應(yīng)閥292以及可燃氣體供應(yīng)管路246c送到陰極通道214。
通過可燃氣體供應(yīng)管路246c供應(yīng)的燃料氣體與通過氧化氣體管路250a供應(yīng)的空氣相混合，變?yōu)榭扇蓟旌蠚怏w。所述混合氣體供應(yīng)到陰極通道214。在陰極通道214里的混合氣體由于陰極的反應(yīng)而引起燃燒反應(yīng)，所述陰極接觸陰極通道214，并作為氧化催化劑具有激活性。氫可滲透金屬層416通過在陽極通道214里的燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量進行加熱。
圖6是顯示在實施例2里的工作模式轉(zhuǎn)換程序的流程圖。在這個流程圖里，涉及加熱模式的步驟S310、S312和S410加入到如圖4所示的實施例1的流程圖的步驟里。
在實施例2里，如果在步驟S202里確定氫可滲透金屬層溫度低于下限溫度，那么開始在步驟S410里執(zhí)行加熱模式。在開始執(zhí)行加熱模式之后，程序終止。
同樣，在實施例2里，如果在步驟S300里確定工作模式不是旁通模式，那么所述過程移到步驟S310。在步驟S310里，確定工作模式是否是加熱模式。如果是加熱模式，那么工作模式就在步驟S312中從加熱模式轉(zhuǎn)換為正常模式。如果工作模式不是加熱模式，那么程序終止。
以這種方式，如果在實施例2里氫可滲透金屬層溫度低于下限溫度，那么通過在陰極通道214(圖5)里的混合氣體的燃燒，加熱氫可滲透金屬層416(圖3)。因此，實施例2相對于實施例1的優(yōu)越之處在于在前者里，當(dāng)氫可滲透金屬層溫度低于預(yù)定下限溫度時容易使得氫可滲透金屬層416的溫度升高，使得易于恢復(fù)氫可滲透金屬層溫度。然而，實施例1相對于實施例2的優(yōu)越之處在于燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡單。
在實施例2里，混合氣體在加熱模式里被供應(yīng)到陰極通道214，通過在陰極通道214里的燃燒反應(yīng)來加熱氫可滲透金屬層416，但是總起來說，混合氣體可以供應(yīng)給在燃料電池210(圖5)里設(shè)置氧化催化劑的通道里。例如，如果氧化催化劑設(shè)置在冷卻劑氣體通道216(圖5)里，混合氣體可以被引入冷卻劑氣體通道216里，以便加熱氫可滲透金屬層。同樣，混合氣體可以被供應(yīng)給陽極通道212。如果混合氣體被引入陽極通道212里，優(yōu)選的是，如果混合氣體供應(yīng)給陽極通道212，在混合氣體里氧化組分對氫氣的比例大于化學(xué)計量比。
C.實施例3圖7是顯示在實施例3里的燃料電池系統(tǒng)200b的配置的示意圖。燃料電池系統(tǒng)200b不同于在實施例2里的燃料電池系統(tǒng)200a(圖5)之處在于轉(zhuǎn)移的燃料氣體被供應(yīng)給重整器220的加熱部件224，而不是凈化器232。具體來講，可燃氣體供應(yīng)閥292的第二端口292b通過第二可燃氣體供應(yīng)管路246d連接到加熱部件224。其它配置基本與實施例2中的那些相同。
在實施例3中，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)200b的工作模式是旁通模式時，轉(zhuǎn)移的燃料氣體通過第二可燃氣體供應(yīng)管路246d供應(yīng)到加熱部件224。在供應(yīng)的燃料氣體和外部供應(yīng)的空氣之間的燃燒反應(yīng)產(chǎn)生了熱量。
以這種方式，當(dāng)在實施例3里工作模式是旁通模式時，燃料氣體在加熱部件224燃燒，而不是在凈化器232燃燒。因此，實施例3相對于實施例2的優(yōu)越之處在于用于加熱重整部件222的重整材料的數(shù)量減少了，從而提高了燃料電池系統(tǒng)200的燃料效率。然而，實施例2相對于實施例3的優(yōu)越之處在于加熱部件224的配置更加簡單了。
如同實施例2、實施例3相對于實施例1更加優(yōu)越之處那樣，在那種情況下，當(dāng)氫可滲透金屬層溫度低于預(yù)定下限溫度時，更加容易恢復(fù)氫可滲透金屬層溫度。然而，實施例1相對于實施例3的優(yōu)越之處在于燃料電池系統(tǒng)的配置更加簡單了。
D.實施例4圖8是顯示在實施例4里的燃料電池系統(tǒng)200c的配置的示意圖。燃料電池系統(tǒng)200c不同于在實施例1里的燃料電池系統(tǒng)200(圖2)之處在于它具有熱交換器234和用于將廢氣從加熱部件224供應(yīng)到熱交換器234以便加熱冷卻氣體的管路。具體來講，第二空氣供應(yīng)泵282通過第一冷卻氣體管路260a連接到熱交換器234的第一氣體流動入口234a。第一氣體流動入口234a通過在熱交換器234內(nèi)的通道連接到第一氣體流動出口234e。第一氣體流動出口234e通過第二冷卻氣體管路260b連接到設(shè)置在燃料電池210里的第一冷卻劑氣體通道末端216a。熱交換器234的第二氣體流動入口234b通過第二重整器廢氣管路247b連接到重整器廢氣路徑轉(zhuǎn)換閥294的第三端口294c。重整器廢氣路徑轉(zhuǎn)換閥294的第一端口294a連接到重整器220的加熱部件224。其它配置基本和實施例1里的那些相同。
實施例3的燃料電池控制器230c具有正常工作模式和旁通模式，這和實施例2的燃料電池控制器230a相類似。在實施例4里，燃料氣體旁通閥290以類似于實施例2里的那些模式那樣進行控制。
在旁通模式里，燃料電池控制器230c打開重整器廢氣路徑轉(zhuǎn)換閥294的第一端口294a和第二端口294b，并關(guān)閉第三端口294c。因此，在旁通模式里，來自加熱部件224的廢氣通過重整器廢氣管路274a和重整器廢氣路徑轉(zhuǎn)換閥294從加熱部件224排出到外面。
在加熱模式里，燃料電池控制器230c關(guān)閉重整器廢氣路徑轉(zhuǎn)換閥294的第二端口294b并打開第一端口294a和第三端口294c。因此，來自加熱部件224的廢氣就通過第一重整器廢氣管路274a、重整器廢氣路徑轉(zhuǎn)換閥294以及第二重整器廢氣管路274b從加熱部件224供應(yīng)到熱交換器234。
從第一氣體流動入口234a流到第一氣體流動出口234e的冷卻氣體被加熱，同時從加熱部件224供應(yīng)到熱交換器234的廢氣從熱交換器234的第二氣體流動入口234b到達第二氣體流動出口234f。然后，在加熱冷卻氣體之后，來自加熱部件224的廢氣從第二氣體流動出口234f被排出到外面。
以這種方式，在實施例4里通過熱交換器234加熱冷卻氣體。然后，被加熱的冷卻氣體被供應(yīng)到冷卻劑氣體通道216，從而加熱氫可滲透金屬層416(圖3)。因此，實施例4相對于實施例1的優(yōu)越之處類似于實施例2和實施例3，其在于當(dāng)氫可滲透金屬層溫度低于預(yù)定下限溫度時容易使得氫可滲透金屬層416的溫度上升，使得其容易恢復(fù)氫可滲透金屬層溫度。
同樣，實施例4相對于實施例2和實施例3的優(yōu)越之處在于通過供應(yīng)高溫氣體加熱氫可滲透金屬層416，這樣氫可滲透金屬層416的溫度就成為均勻的了。然而，實施例1到實施例3相對于實施例4的優(yōu)越之處在于燃料電池系統(tǒng)的配置更加簡單。
在實施例4里，通過加熱的冷卻氣體加熱氫可滲透金屬層416，但是總起來說，高溫氣體可以供應(yīng)給設(shè)置在燃料電池210里的通道。例如，通過加熱引入到陽極通道214里的氧化氣體，可以加熱氫可滲透金屬層416。同樣，由燃燒器產(chǎn)生的高溫氣體可以引入到設(shè)置在燃料電池210處的通道。
同樣，在實施例4里，來自加熱部件224的廢氣用作加熱冷卻氣體的熱源，但是也可以使用一些其它的熱源。例如，催化劑可以設(shè)置在熱交換器234的通道里，且可燃混合氣體供應(yīng)到熱交換器234，以便引起燃燒反應(yīng)，所產(chǎn)生的熱量可以用作加熱冷卻氣體的來源。
E.實施例5圖9是顯示實施例5里的燃料電池系統(tǒng)200d的配置的示意圖。燃料電池系統(tǒng)200d不同于實施例1里的燃料電池系統(tǒng)200(圖2)在于前者配置有用于冷卻氧化氣體的水噴霧器236。具體來講，氧化氣體管路250b在第一空氣供應(yīng)泵284和第一陰極通道末端214a之間具有支路。這個支路通過供水管路252連接到水噴霧器236。其它配置基本與實施例1里的那些相同。
在實施例5里的燃料電池控制器230d具有類似于實施例1的燃料電池控制器230的正常工作模式和旁通模式。在這些模式里，類似于實施例1那樣控制燃料氣體旁通閥290。
當(dāng)氫可滲透金屬層溫度高于如上所述的預(yù)定上限溫度時，燃料電池控制器230d操作水噴霧器236。水噴霧器236使得外部供應(yīng)的水霧化，并將其通過供水管路252供應(yīng)到氧化氣體管路250b。通過使水呈霧狀蒸發(fā)掉熱量，冷卻氧化氣體。通過供應(yīng)如此冷卻的氧化氣體來冷卻氫可滲透金屬層416(圖3)。
以這種方式，當(dāng)氫可滲透金屬層溫度高于預(yù)定上限溫度時，可以冷卻氫可滲透金屬層416(圖3)。因此，實施例5相對于實施例1到實施例4的優(yōu)越之處在于當(dāng)氫可滲透金屬層溫度高于預(yù)定上限溫度時，在前者中容易使得氫可滲透金屬層416的溫度降低，使得其容易恢復(fù)氫可滲透金屬層溫度。然而，實施例2到實施例4相對于實施例5的優(yōu)越之處在于當(dāng)氫可滲透金屬層溫度低于預(yù)定下限溫度時，它更加容易恢復(fù)氫可滲透金屬層溫度。同樣，實施例1相對于實施例5的優(yōu)越之處在于燃料電池系統(tǒng)的配置更加簡單。
在實施例5里，通過由水噴霧器236供應(yīng)的水的蒸發(fā)熱量來供應(yīng)氧化氣體，但是總起來說，只要可以冷卻供應(yīng)到燃料電池210的氣體那么其它方法也是很好的。例如，通過其中引入了冷卻介質(zhì)的熱交換器可以冷卻供應(yīng)到燃料電池210的氣體，從而冷卻氫可滲透金屬層416。
F.實施例6圖10是顯示在實施例6里的燃料電池系統(tǒng)200e的配置的示意圖。燃料電池系統(tǒng)200e不同于在實施例1里的燃料電池系統(tǒng)200(圖2)之處在于前者配備有氫氣分離器238，來代替燃料氣體旁通閥290。
具體來講，第一燃料氣體管路242a連接到重整部件222和第一氫氣分離器旁通閥296的第一端口296a。同樣，第二燃料氣體管路244a連接到第二氫氣分離器旁通閥298的第二端口298b。通過氫氣分離器旁通管路248a連接第一氫氣分離器旁通閥296的第二端口296b和第二氫氣分離器旁通閥298的第一端口298a。
氫氣分離器238的氣體流動入口238a通過第一氫氣分離器連接管路248b連接到第一氫氣分離器旁通閥296的第三端口296c。氫氣分離器238的氣體流動出口238b通過第二氫氣分離器連接管路248c連接到第二氫氣分離器旁通閥298的第三端口298c。同樣，氫氣分離器238的氫氣流動出口238c通過氫氣排出管路272連接到設(shè)置在陽極排出氣體管路270處的支路。
氫氣分離器238的氣體流動入口238a和氣體流動出口238b通過設(shè)置在氫氣分離器238處的通道互相連通。當(dāng)燃料氣體通過這個通道時，在燃料氣體里的氫氣到達具有設(shè)置在通道壁里的氫可滲透金屬的隔膜，并穿過氫氣流動出口238c。氫氣的這種穿過引起在氫氣通過氫氣分離器238的同時，燃料氣體里的氫氣的濃度下降。
在實施例6里，用于降低在燃料氣體里的氫氣濃度的氫氣濃度降低部件包括氫氣分離器旁通閥296和298、氫氣分離器連接管路248b和248c、氫氣分離器238以及氫氣排出管路272。其它配置基本和實施例1中的那些相同。
實施例6的燃料電池控制器230e具有正常工作模式和氫氣分離模式。在正常工作模式里，燃料電池控制器230e打開第一氫氣分離器旁通閥296的第一端口296a和第二端口296b，并關(guān)閉第三端口296c。同樣，燃料電池控制器230e打開氫氣分離器旁通閥298的第一端口298a和第二端口298b，并關(guān)閉第三端口298c。由重整部件222供應(yīng)的燃料氣體穿過第一燃料氣體管路242a、氫氣分離器旁通管路248a以及第二燃料氣體管路244a，并沒有變化地被供應(yīng)到陽極通道212。
在氫氣分離模式里，燃料電池控制器230e關(guān)閉第一氫氣分離器旁通閥296的第二端口296b并打開第一端口296a和第三端口296c。同樣，燃料電池控制器230e關(guān)閉第二氫氣分離器旁通閥298的第二端口298b，并打開第一端口298a和第三端口298c。由重整部件222供應(yīng)的燃料氣體穿過第一燃料氣體管路242a、第一氫氣分離器連接管路248b，并供應(yīng)到氫氣分離器238。這樣，其氫氣濃度已經(jīng)通過氫氣分離器238得到降低的燃料氣體穿過第二氫氣分離器連接管路248c和第二燃料氣體管路244a，并供應(yīng)到陽極通道212。
在實施例6里，如果氫可滲透金屬層溫度偏離預(yù)定溫度范圍，則執(zhí)行氫氣分離模式。執(zhí)行氫氣分離模式會降低供應(yīng)到陽極通道212的燃料氣體里的氫氣濃度。同樣，通過降低燃料氣體里的氫氣濃度，可以維持至少預(yù)定產(chǎn)量的來自重整器220的重整氣體，以便在降低對陽極通道212的氫氣供應(yīng)的同時繼續(xù)運行重整器220。
在實施例6的燃料電池系統(tǒng)200e里，如果氫可滲透金屬層溫度降低到預(yù)定下限溫度之下，供應(yīng)到陽極通道212的燃料電池里的氫氣濃度會降低。因此，可以抑制氫可滲透金屬層416(圖3)的氫脆化，以便防止氫可滲透金屬層416的退化。
同樣，如果具有低的氫氣濃度的燃料氣體被供應(yīng)到陽極通道212，那么在燃料電池反應(yīng)里的反應(yīng)量會減少。相應(yīng)地，在實施例6的燃料電池系統(tǒng)200e里，如果氫可滲透金屬層溫度高于預(yù)定上限溫度，那么通過降低供應(yīng)到陽極通道212的燃料氣體里的氫氣濃度來抑制燃料電池反應(yīng)。因此，由于燃料電池反應(yīng)引起的溫度上升被抑制了。結(jié)果，可以抑制在氫可滲透金屬層416里的金屬擴散，并可以防止氫可滲透金屬層416的退化。
以這種方式，可以在氫可滲透金屬層溫度偏離預(yù)定范圍時，在實施例6里防止氫可滲透金屬層416的退化，這類似于實施例1。實施例6相對于實施例1的優(yōu)越之處在于在氫可滲透金屬層溫度降到預(yù)定下限溫度之下時，可以抑制由于燃料氣體熱量引起的氫可滲透金屬層溫度的降低。
在實施例6里，由氫氣分離器238排出的氫氣穿過凈化器232，并被排出，但是如果氫可滲透金屬層溫度降到預(yù)定下限溫度之下，氫氣可以如同在實施例2和實施例3中那樣供應(yīng)給陰極通道214。在這樣的情況下，其優(yōu)越之處在于從氫氣分離器238供應(yīng)的氫氣的燃燒使得很容易恢復(fù)氫可滲透金屬層溫度。
同樣，在實施例6里，在燃料氣體里的氫氣濃度降低，從而抑制了氫可滲透金屬層416的退化，但是總起來說，如果在陽極通道212里可以降低氫氣的分壓那么它也是足夠的。例如，即使較低氫氣濃度氣體供應(yīng)部分提供給了氫氣濃度低于到達陽極通道212的燃料氣體的供應(yīng)氣體(包括不包含氫氣的氣體)，也可以降低氫氣的分壓，這樣可以防止氫可滲透金屬層416的退化。
C.實施例7圖11是顯示實施例7的燃料電池系統(tǒng)200f的配置的示意圖。燃料電池系統(tǒng)200f不同于在實施例6中的燃料電池系統(tǒng)200e(圖10)之處在于前者配備有燃料氣體旁通閥290。具體來講，重整部件222和第一氫氣分離器旁通閥296的第一端口292a通過兩個燃料氣體管路242b和242c和燃料氣體旁通閥290相連接。燃料氣體旁通閥290的第三端口290c通過燃料氣體旁通管路272a連接到設(shè)置在氫氣排出管路272b處的支路。其它配置基本和實施例6中的那些相同。
實施例7的燃料電池控制器230f具有正常工作模式、旁通模式以及氫氣分離模式。在正常工作模式里，類似于實施例1中的正常工作模式，來控制燃料氣體旁通閥290。同樣，類似于實施例6的正常工作模式，來控制兩個氫氣分離器旁通閥296和298。因此，在正常工作模式里，由重整部件222提供的燃料氣體沒有變化地被供應(yīng)到陽極通道212里。
在旁通模式里，類似于實施例1的旁通模式，來控制燃料氣體旁通閥290。同樣，類似于實施例6的正常工作模式，來控制兩個氫氣分離器旁通閥296和298。因此，在旁通模式里，由重整部件222供應(yīng)的燃料氣體通過燃料氣體旁通管路272a和氫氣排出管路272b供應(yīng)到凈化器232。
在氫氣分離模式里，類似于實施例1的正常工作模式，來控制燃料氣體旁通閥290。同樣，類似于實施例6的氫氣分離模式，來控制兩個氫氣分離器旁通閥296和298。因此，在通過氫氣分離器238降低了氫氣濃度之后，由重整部件222供應(yīng)的燃料氣體被供應(yīng)到陽極通道212。
圖12是顯示在實施例7里的工作模式轉(zhuǎn)換程序的流程圖。所述流程圖不同于如圖6所示的實施例2的流程圖之處在于執(zhí)行與氫氣分離模式相關(guān)的步驟S320、S322以及S420，來代替與加熱模式相關(guān)的步驟S310、S312以及S410。
在實施例7里，如果在步驟S202里確定氫可滲透金屬層溫度低于下限溫度，則開始在步驟S420里執(zhí)行氫氣分離。在開始執(zhí)行氫氣分離之后，程序終止。
同樣，在實施例7里，如果在步驟S300里確定工作模式不是旁通模式，則所述過程移到步驟S320。在步驟S320里，確定工作模式是否是氫氣分離模式。如果工作模式是氫氣分離模式，那么在步驟S322里就將工作模式從氫氣分離模式轉(zhuǎn)換為正常工作模式。如果工作模式不是氫氣分離模式，則程序終止。
如果氫可滲透金屬層溫度低于預(yù)定下限溫度，在實施例7里，執(zhí)行氫氣分離模式，氫氣濃度已經(jīng)降低的燃料氣體被供應(yīng)到陽極通道212。因此，類似于實施例6，可以防止氫可滲透金屬層416(圖3)的退化。
如果氫可滲透金屬層溫度高于預(yù)定上限溫度，在實施例7里，執(zhí)行旁通模式，并停止將燃料氣體供應(yīng)到陽極通道212。因此，類似于實施例1，可以抑制氫可滲透金屬層416的退化。
以這種方式，當(dāng)在實施例7里氫可滲透金屬層溫度偏離預(yù)定范圍時，如同在實施例1中那樣，可以抑制氫可滲透金屬層416的退化。實施例7相對于實施例1的優(yōu)越之處在于在前者中，當(dāng)氫可滲透金屬層溫度降到低于預(yù)定下限溫度時，可以使用燃料氣體熱量來抑制氫可滲透金屬層溫度的下降。同樣，實施例7相對于實施例6的優(yōu)越之處在于如果氫可滲透金屬層溫度增加到預(yù)定上限溫度之上，那么燃料氣體的熱量就不供應(yīng)給燃料電池210，這樣可以更好地抑制氫可滲透金屬層溫度的增加。實施例1和實施例6相對于實施例7的優(yōu)越之處在于在前者中，燃料電池系統(tǒng)的配置更加簡單。
H.實施例8圖13是顯示在實施例8里的燃料電池系統(tǒng)200g的配置的示意圖。燃料電池系統(tǒng)200g不同于如圖2所示實施例1里的燃料電池系統(tǒng)200之處在于它沒有配備用于轉(zhuǎn)移燃料氣體的機構(gòu)，盡管它配備有用于加熱氧化氣體的熱交換器300。具體來講，第一空氣供應(yīng)泵284通過第一氧化氣體管路254a連接到熱交換器300的氣體流動入口300a。熱交換器300的氣體流動出口300e通過第二氧化氣體管路254b連接到第一陰極通道末端214a。熱交換器300的氣體流動入口300a和氣體流動出口300e通過設(shè)置在熱交換器300里的氣體通道302連接。氣體通道302連接到附屬設(shè)備，該附屬設(shè)備例如泵280、282以及284、閥等，該附屬設(shè)備的溫度在燃料電池系統(tǒng)200g工作期間增加。當(dāng)氧化氣體通過氣體通道302時由附屬設(shè)備來加熱氧化氣體。其它配置基本和在實施例1里的那些相同。
以這種方式，在實施例8里，可以對比燃料電池的工作溫度更低的低溫氧化氣體加熱，這樣可以抑制由于低溫氧化氣體的引入而引起的氫可滲透金屬層416(圖3)的溫度降低。因此，可以防止由于局部溫度降低引起的氫可滲透金屬層416的退化。
在實施例8里，氧化氣體被加熱并被供應(yīng)到陰極通道214，但是總起來說，如果可以對供應(yīng)到燃料電池210并比燃料電池210的工作溫度低的低溫氣體進行加熱，則它也是足夠的。例如，即使冷卻氣體被加熱并被供應(yīng)到冷卻劑氣體通道216，也可以防止氫可滲透金屬層416的退化。
I.實施例9圖14是顯示在實施例9里燃料電池系統(tǒng)200h的配置的示意圖。燃料電池系統(tǒng)200h不同于如圖13所示的實施例8的燃料電池系統(tǒng)200g之處在于前者具有用于在燃料氣體和冷卻氣體之間交換熱量的熱交換器310，來替代用于加熱氧化氣體的熱交換器300。具體來講，重整部件222通過第一燃料氣體管路243a連接到熱交換器310的氣體流動入口310a。熱交換器310的氣體流動出口310e通過第二燃料氣體管路243b連接到第一陽極通道末端212a。第二空氣供應(yīng)泵282通過第一冷卻氣體管路262a連接到熱交換器310的第二氣體流動入口310b。熱交換器310的第二氣體流動出口310f通過第二冷卻氣體管路262b連接到第一冷卻劑通道末端216a。其它配置基本和實施例8里的那些相同。
在氣體通過熱交換器310時，供應(yīng)到熱交換器310的冷卻氣體和燃料氣體進行熱交換。通過這種燃料氣體和冷卻氣體的熱交換，冷卻了燃料氣體。這種熱交換也加熱了冷卻氣體。
以這種方式，在實施例9里，對超出燃料電池210的工作溫度的高溫燃料氣體進行冷卻，對低于燃料電池210的工作溫度的低溫冷卻氣體進行加熱。因此，可以同時抑制在氫可滲透金屬層416(圖3)里的局部溫度升高和局部溫度下降，這樣可以防止氫可滲透金屬層416的退化。實施例9相對于實施例8的優(yōu)越之處在于可以同時抑制在氫可滲透金屬層416里的局部溫度升高和局部溫度下降。然而，實施例8相對于實施例9的優(yōu)越之處在于燃料電池系統(tǒng)的配置更加簡單。
在實施例9里，通過燃料氣體和冷卻氣體的熱交換，燃料氣體被冷卻而冷卻氣體被加熱，但是總起來說，如果對超出燃料電池210的工作度的高溫氣體可以進行冷卻，并且對低于燃料電池210的工作溫度的低溫氣體可以進行加熱，那么它就足夠了。例如，可以通過燃料氣體和氧化氣體之間的熱交對換燃料氣體進行冷卻而對氧化氣體進行加熱。同樣，燃料氣體可以通過來自冷卻通道的陽極排出氣體和廢氣進行冷卻，而氧化氣體和冷卻氣體可以通過一些其它加熱源進行加熱。
J.變型本發(fā)明并不局限于上述的實施例和模式，而是可以在不背離本發(fā)明的范圍和精神的情況下簡化為以各種其它模式實施，舉例來說，例如下面的這些變型。
J1.變型1在上述的實施例4和實施例5里，提供了旁通機構(gòu)，以便在氫可滲透金屬層溫度偏離預(yù)定溫度范圍的情況下轉(zhuǎn)移燃料氣體，但是，當(dāng)氫可滲透金屬層溫度偏離預(yù)定溫度范圍時，不提供旁通機構(gòu)，也可以調(diào)節(jié)供應(yīng)燃料電池的氣體的溫度。如果氫可滲透金屬層溫度低于下限溫度，那么例如通過加熱氧化氣體，可以防止氫可滲透金屬層的退化。同樣，如果氫可滲透金屬層溫度高于上限溫度，那么通過加熱燃料氣體可以防止氫可滲透金屬層的退化。在這種情況下，可以類似于實施例4里那樣，執(zhí)行對供應(yīng)到燃料電池的氣體的加熱。同樣，例如可以類似于在實施例5里那樣，執(zhí)行對供應(yīng)到燃料電池的氣體的冷卻。
J2.變型2在實施例2到實施例5里，存在有用于氫可滲透金屬層的或者加熱部件或者冷卻部件，以便防止氫可滲透金屬層的退化，但是這個加熱部件和冷卻部件可以同時用于一個燃料電池系統(tǒng)中。例如，如果氫可滲透金屬層溫度低于預(yù)定下限溫度，那么類似于實施例4那樣，可以加熱氫可滲透金屬層，如果氫可滲透金屬層溫度高于預(yù)定上限溫度，那么類似于實施例5那樣，可以冷卻氫可滲透金屬層。
J3.變型3在實施例2到實施例5里，對氧化氣體和冷卻氣體供應(yīng)到燃料電池沒有進行調(diào)節(jié)，但是，可以通過調(diào)節(jié)氣體供應(yīng)，來促進氫可滲透金屬層溫度的降低或升高。例如當(dāng)氫可滲透金屬層溫度低于預(yù)定下限溫度時，可以通過降低供應(yīng)到燃料電池的冷卻氣體的量，來促使氫可滲透金屬層溫度升高。同樣，例如當(dāng)氫可滲透金屬層溫度高于預(yù)定上限溫度時，可以通過增加供應(yīng)到燃料電池的冷卻氣體的量，來促使氫可滲透金屬層溫度的降低。
J4.變型4在上面的實施例中，由重整器產(chǎn)生的重整氣體用作燃料氣體，但是，其它非重整氣體也可以用作燃料氣體?？梢允褂脧母邏簹錃夤藁驓錃獯鎯辖鸸?yīng)的氫氣，作為非重整燃料氣體。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池，其具有電解質(zhì)；陰極，其被設(shè)置在所述電解質(zhì)的一側(cè)；陽極，其具有氫可滲透金屬層且被設(shè)置在所述電解質(zhì)的另一側(cè)；陰極通道，其用于向所述陰極供應(yīng)氧化氣體；陽極通道，其用于向所述陽極供應(yīng)包含氫的燃料氣體；氫可滲透金屬層退化防止部分，其被配置以降低所述陽極通道中的氫的分壓，以便防止所述氫可滲透金屬層的退化溫度參數(shù)獲取部分，其被設(shè)置以獲取與所述氫可滲透金屬層的溫度相關(guān)的參數(shù)；以及燃料電池控制器，其用于控制所述燃料電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其中，所述燃料電池控制器具有退化防止模式，用于當(dāng)由所述溫度參數(shù)表示的所述氫可滲透金屬層的溫度偏離預(yù)定的溫度范圍時，使得所述氫可滲透金屬層退化防止部分工作。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述氫可滲透金屬層退化防止部分包括氣體供應(yīng)減少部分，其被配置以通過減少對所述陽極通道的所述燃料氣體的供應(yīng)，來降低所述陽極通道中的氫的分壓。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述氫可滲透金屬層退化防止部分包括氫分離設(shè)備，用于分離燃料氣體中的氫；以及氫濃度降低部分，其被配置以通過將氫濃度已被所述氫分離設(shè)備降低的燃料氣體供應(yīng)到所述陽極通道，來降低所述陽極通道中氫的分壓。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述氫可滲透金屬層退化防止部分還包括氣體供應(yīng)減少部分，用于通過減少對所述陽極通道的所述燃料氣體的供應(yīng)，來降低所述陽極通道中氫的分壓；以及燃料電池控制器，其被配置以當(dāng)由所述溫度參數(shù)表示的所述氫可滲透金屬層的溫度低于預(yù)定下限溫度時，使得所述氫濃度降低部分工作，并且當(dāng)由所述溫度參數(shù)表示的所述氫可滲透金屬層的溫度高于預(yù)定上限溫度時，使得所述氣體供應(yīng)減少部分工作。
5.如權(quán)利要求1至3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述氫可滲透金屬層退化防止部分包括低氫濃度氣體供應(yīng)部分，所述低氫濃度氣體供應(yīng)部分被配置以通過將具有低于所述燃料氣體的氫濃度的氣體供應(yīng)給所述陽極通道，來降低所述陽極通道中的氫的分壓。
6.如權(quán)利要求1至5所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括溫度升高促進部分，其被配置以促進所述氫可滲透金屬層中的溫度升高；以及溫度升高模式，其用于當(dāng)由所述溫度參數(shù)表示的所述氫可滲透金屬層的溫度低于所述預(yù)定溫度范圍的下限溫度時，使得所述溫度升高促進部分工作。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池包括加熱通道，所述加熱通道是被提供了氧化催化劑的氣體通道，并且所述溫度升高促進部分包括氫可滲透金屬層加熱部分，所述氫可滲透金屬層加熱部分被配置以通過將包括可燃組分和氧化組分的氣體供應(yīng)到所述加熱通道，來加熱所述氫可滲透金屬層。
8.如權(quán)利要求1至7所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括溫度降低促進部分，其被配置以促進所述氫可滲透金屬層的溫度的降低，其中，所述燃料電池控制器包括溫度降低模式，用于當(dāng)由所述溫度參數(shù)表示的所述氫可滲透金屬層的溫度高于所述預(yù)定溫度范圍的上限溫度時，使得所述溫度降低促進部分工作。
9.如權(quán)利要求1至8所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括重整器，所述重整器從具有氫元素的重整材料產(chǎn)生包含氫的燃料氣體，其中，所述燃料電池控制器在維持所述重整器工作的同時，使得所述氫可滲透金屬層退化防止部分工作。
10.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池，其具有電解質(zhì)；陰極，其被設(shè)置在所述電解質(zhì)的一側(cè)；陽極，其具有氫可滲透金屬層且被設(shè)置在所述電解質(zhì)的另一側(cè)；陰極通道，其用于向所述陰極供應(yīng)氧化氣體；陽極通道，其用于向所述陽極供應(yīng)包含氫的燃料氣體；氫可滲透金屬層退化防止部分，其被配置以通過調(diào)節(jié)供應(yīng)到所述燃料電池的氣體的溫度，來防止所述氫可滲透金屬層的退化；溫度參數(shù)獲取部分，其被配置以獲取與所述氫可滲透金屬層的溫度相關(guān)的參數(shù)；以及燃料電池控制器，其用于控制所述燃料電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其中，所述燃料電池控制器具有退化防止模式，用于當(dāng)由所述溫度參數(shù)表示的所述氫可滲透金屬層的溫度偏離預(yù)定的溫度范圍時，使得所述氫可滲透金屬層防止部分工作。
11.如權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述氫可滲透金屬層退化防止部分包括被設(shè)置以冷卻供應(yīng)到所述燃料電池的氣體的供應(yīng)氣體冷卻部分，并且當(dāng)所述氫可滲透金屬層的溫度高于預(yù)定上限溫度時，所述燃料電池控制器使得所述供應(yīng)氣體冷卻部分工作。
12.如權(quán)利要求10或11所述的燃料系統(tǒng)，其中，所述氫可滲透金屬層退化防止部分包括被設(shè)置以加熱供應(yīng)到所述燃料電池的氣體的供應(yīng)氣體加熱部分，并且當(dāng)所述氫可滲透金屬層的溫度低于預(yù)定下限溫度時，所述燃料電池控制器使得所述供應(yīng)氣體加熱部分工作。
13.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池，其具有電解質(zhì)；陰極，其被設(shè)置在所述電解質(zhì)的一側(cè)；陽極，其具有氫可滲透金屬層且被設(shè)置在所述電解質(zhì)的另一側(cè)；陰極通道，其用于向所述陰極供應(yīng)氧化氣體；陽極通道，其用于向所述陽極供應(yīng)包含氫的燃料氣體；以及低溫氣體供應(yīng)部分，其用于將溫度低于所述燃料電池的工作溫度的氣體供應(yīng)到所述燃料電池；其中，所述低溫氣體供應(yīng)部分包括低溫氣體加熱部分，所述低溫氣體加熱部分被配置以通過對沒有達到所述燃料電池的工作溫度的范圍內(nèi)的氣體進行加熱，來防止由于所述低溫氣體的冷卻而引起的所述氫可滲透金屬層的退化。
14.如權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括輔助設(shè)備，所述輔助設(shè)備的溫度在所述燃料電池系統(tǒng)工作期間上升，其中，通過使用所述低溫氣體冷卻所述輔助設(shè)備，所述低溫氣體加熱部分加熱所述低溫氣體。
15.如權(quán)利要求13或14所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括高溫氣體供應(yīng)部分，用于將溫度高于所述燃料電池的工作溫度的氣體供應(yīng)到所述燃料電池，其中，所述高溫氣體供應(yīng)部分包括高溫氣體冷卻部分，所述高溫氣體冷卻部分被配置以通過對沒有達到所述燃料電池的工作溫度的范圍內(nèi)的高溫氣體進行冷卻，來防止由于所述高溫氣體的加熱而引起的所述氫可滲透金屬層的退化。
16.如權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括熱交換器，所述熱交換器被配置以在所述低溫氣體和所述高溫氣體之間交換熱，其中，所述低溫氣體加熱部分使用所述熱交換器加熱所述低溫氣體，而所述高溫氣體冷卻部分則使用所述熱交換器冷卻所述高溫氣體。
全文摘要
提供了一種用于防止燃料電池210中的氫可滲透金屬層退化的技術(shù)。燃料電池系統(tǒng)200包括燃料電池210，其具有帶有氫可滲透金屬層的陽極，并包括燃料電池控制器230，用于控制燃料電池系統(tǒng)200的工作狀態(tài)；溫度參數(shù)獲取部分，用于獲取氫可滲透金屬層的溫度參數(shù)；以及氫可滲透金屬層退化防止部分，其降低用于將燃料氣體供應(yīng)給陽極的陽極通道212中的氫的分壓。如果由所述溫度參數(shù)表示的氫可滲透金屬層的溫度偏離預(yù)定的溫度范圍，燃料電池控制器230使得所述氫可滲透金屬層退化防止部分工作，以便防止氫可滲透金屬層的退化。
文檔編號H01M8/06GK1926710SQ200580006209
公開日2007年3月7日 申請日期2005年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月26日
發(fā)明者荻野溫, 青山智, 伊澤康浩, 鹽川諭, 志滿津孝, 青木博史, 三井宏之 申請人:豐田自動車株式會社