燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在JP2012-134166A中，作為以往的燃料電池系統(tǒng)，公開了具備怠速停止(idle-Stop)功能的系統(tǒng)，其中，所述怠速停止功能是指在低負載時等將燃料電池的發(fā)電暫時停止，通過2次電池的電力來運轉(zhuǎn)燃料電池系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在基于燃料電池的發(fā)電中，為了抑制電解質(zhì)膜的機械強度的降低，根據(jù)燃料電池的負載來控制供應(yīng)給各自的電極的各反應(yīng)氣體的壓力，以使燃料電池內(nèi)的陽極側(cè)與陰極側(cè)的差壓(以下稱作“膜間差壓”。)不會成為規(guī)定的允許膜間差壓以上。
[0004]在此，在燃料電池系統(tǒng)的啟動時或從怠速停止的恢復(fù)時(以下也稱作“IS恢復(fù)時”。)等，在基于燃料電池的發(fā)電的開始時，一般來說成為在燃料電池內(nèi)的陽極氣體流道中混入了作為雜質(zhì)的空氣的狀態(tài)。因此，在基于燃料電池的發(fā)電的開始時，需要將該陽極氣體流道內(nèi)的空氣從燃料電池的活性區(qū)域(發(fā)電區(qū)域)中排出。
[0005]因此，在啟動時，允許膜間差壓成為允許膜間差壓以上，將陽極氣體的供應(yīng)壓控制為例如最大壓力而盡可能提高。由此，能夠?qū)㈥枠O氣體流道內(nèi)的空氣迅速從活性區(qū)域全部排出，并且通過陽極氣體進行置換。
[0006]另一方面，在IS恢復(fù)時也允許膜間差壓成為允許膜間差壓以上，則IS恢復(fù)與啟動相比頻度高，因此，擔(dān)憂電解質(zhì)膜的機械強度的降低，存在變得不能確保所要求的燃料電池的耐久性能的顧慮。
[0007]因此，在IS恢復(fù)時，考慮例如以根據(jù)燃料電池的負載而變動的陰極氣體的壓力為基準(zhǔn)，在膜間差壓不超過允許膜間差壓的范圍內(nèi)盡可能提高陽極氣體的供應(yīng)壓。
[0008]然而，若這樣的話，IS恢復(fù)時的陽極氣體的供應(yīng)壓基本上變得比啟動時更低，因此，存在不能將陽極氣體流道內(nèi)的空氣完全地由陽極氣體進行置換的情況。
[0009]在該情況下，關(guān)于殘留在陽極氣體流道內(nèi)的空氣，需要通過對陽極廢氣進行清除而逐漸向陽極氣體排出通路進行排出，但是，若在清除中燃料電池的負載降低而陰極氣體的供應(yīng)壓降低并且陽極氣體的供應(yīng)壓降低，則存在已排出到陽極氣體排出通路的空氣再次逆流來到活性區(qū)域內(nèi)的顧慮。
[0010]如此，在陽極氣體流道內(nèi)空氣殘留的狀態(tài)下，若暫時排出的空氣再次逆流到活性區(qū)域，則特別是在活性區(qū)域的下游促進饑餓(Starvat1n)的發(fā)生。
[0011]本發(fā)明著眼于這樣的問題而完成，其目的在于提供一種燃料電池系統(tǒng)，能夠在IS恢復(fù)時，抑制電解質(zhì)膜的機械強度的降低，并且抑制饑餓的發(fā)生。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的某個方式，提供具有能夠?qū)⒒谌剂想姵氐陌l(fā)電暫時停止的怠速停止功能的燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)具備:陰極壓力控制部，基于燃料電池的負載，控制供應(yīng)給燃料電池的陰極氣體的壓力；以及陽極壓力控制部，將供應(yīng)給燃料電池的陽極氣體的壓力控制為陰極氣體的壓力以上，以使與陰極氣體的壓力的差壓成為規(guī)定差壓以下。然后，陽極壓力控制部在從怠速停止的恢復(fù)時，將供應(yīng)給燃料電池的陽極氣體的壓力，控制為對相當(dāng)于大氣壓的規(guī)定壓加上所述規(guī)定差壓后的恢復(fù)時壓力。
【附圖說明】
[0013]圖1是說明本發(fā)明的一實施方式的燃料電池的結(jié)構(gòu)的圖。
[0014]圖2是圖1的燃料電池的I1-1I截面圖。
[0015]圖3是本發(fā)明的一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的概略圖。
[0016]圖4是說明本發(fā)明的一實施方式的陽極壓力控制的流程圖。
[0017]圖5是說明通常脈動運行的內(nèi)容的方框圖。
[0018]圖6是表示氫分壓下限值運算部的詳細結(jié)構(gòu)的方框圖。
[0019]圖7是表示脈動控制部的詳細結(jié)構(gòu)的流程圖。
[0020]圖8是說明氫置換促進處理的流程圖。
[0021]圖9是說明啟動時活性區(qū)域內(nèi)氫置換促進處理的內(nèi)容的流程圖。
[0022]圖10是說明啟動時緩沖罐內(nèi)氫置換促進處理的內(nèi)容的流程圖。
[0023]圖11是說明啟動時脈動運行的內(nèi)容的方框圖。
[0024]圖12是說明IS恢復(fù)時活性區(qū)域內(nèi)氫置換促進處理的內(nèi)容的流程圖。
[0025]圖13是說明IS恢復(fù)時緩沖罐內(nèi)氫置換處理的流程圖。
[0026]圖14是說明IS恢復(fù)時脈動運行的內(nèi)容的方框圖。
[0027]圖15是說明本發(fā)明的一實施方式的陽極壓力控制的動作的時序圖。
【具體實施方式】
[0028]以下，參照附圖，說明本發(fā)明的一實施方式。
[0029]燃料電池通過陽極電極(燃料極)和陰極電極(氧化劑極)夾持電解質(zhì)膜，對陽極電極供應(yīng)含有氫的陽極氣體(燃料氣體)，對陰極電極供應(yīng)含有氧的陰極氣體(氧化劑氣體)，從而進行發(fā)電。在陽極電極以及陰極電極這兩個電極進行的電極反應(yīng)如下。
[0030]陽極電極:2H2—4H++4e—...(I)
[0031]陰極電極:4H++4e+O2—^21^0...(2)
[0032]通過該(I)(2)的電極反應(yīng)，燃料電池產(chǎn)生I伏特左右的電動勢。
[0033]圖1以及圖2是說明本發(fā)明的一實施方式的燃料電池10的結(jié)構(gòu)的圖。圖1是燃料電池10的概略立體圖。圖2是圖1的燃料電池10的I1-1I截面圖。
[0034]燃料電池10構(gòu)成為在MEAll的表里兩面上配置陽極隔離膜(Separat0r)12和陰極隔離膜13。
[0035]MEAll具備電解質(zhì)膜111、陽極電極112、以及陰極電極113 JEAll在電解質(zhì)膜111的一個面上具有陽極電極112，在另一個面上具有陰極電極113。在以下的說明中，將在MEAll之中，供應(yīng)陽極氣體以及陰極氣體，發(fā)生上述的電極反應(yīng)的區(qū)域，根據(jù)需要而稱作“活性區(qū)域”。
[0036]電解質(zhì)膜111是由氟系樹脂形成的質(zhì)子導(dǎo)電性的離子交換膜。電解質(zhì)膜111在濕潤狀態(tài)下表現(xiàn)良好的導(dǎo)電性。
[0037]陽極電極112具備催化劑層112a和氣體擴散層112b。觸媒層112a與電解質(zhì)膜111接觸。觸媒層112a由鉑金或者攜帶了鉑金等的炭黑粒子而形成。氣體擴散層112b被設(shè)置在觸媒層112a的外側(cè)(電解質(zhì)膜111的相反側(cè))，且與陽極隔離膜12接觸。氣體擴散層112b由具有充分的氣體擴散性以及導(dǎo)電性的構(gòu)件而形成，例如，由通過碳纖維組成的線織成的碳布而形成。
[0038]陰極電極113也與陽極電極112同樣地，具備觸媒層113a和氣體擴散層113b。
[0039]陽極隔離膜12與氣體擴散層112b接觸。陽極隔離膜12具有用于對陽極電極112供應(yīng)陽極氣體的多個溝狀的陽極氣體流道121。
[0040]陰極隔離膜13與氣體擴散層113b接觸。陰極隔離膜13具有用于對陰極電極113供應(yīng)陰極氣體的多個溝狀的陰極氣體流道131。
[0041]流過陽極氣體流道121的陽極氣體和流過陰極氣體流道131的陰極氣體相互平行地向反方向流動。也可以設(shè)為相互平行地向同一方向流動。
[0042]在將這樣的燃料電池10作為汽車用動力源而使用的情況下，由于所要求的電力大，因此，作為將幾百片的燃料電池10進行了層疊的燃料電池堆(stack)l而使用。然后，構(gòu)成對燃料電池堆I供應(yīng)陽極氣體以及陰極氣體的燃料電池系統(tǒng)100，并取出車輛驅(qū)動用的電力。
[0043]圖3是本發(fā)明的一實施方式的燃料電池系統(tǒng)100的概略圖。
[0044]燃料電池系統(tǒng)100具備燃料電池堆1、陰極氣體供排裝置2、陽極氣體供排裝置3、堆冷卻裝置4、電力系統(tǒng)5、控制器6。
[0045]燃料電池堆I將多片燃料電池10進行了層疊，并且接受陽極氣體以及陰極氣體的供應(yīng)，對車輛的驅(qū)動所需的電力進行發(fā)電。燃料電池堆I作為用于取出電力的端子，其具備陽極電極側(cè)輸出端子Ia和陰極電極側(cè)輸出端子lb。
[0046]陰極氣體供排裝置2具備陰極氣體供應(yīng)通路21、陰極氣體排出通路22、過濾器23、空氣流量傳感器24、陰極壓縮機25、陰極壓力傳感器26、水分回收裝置(水回收裝置(WaterRecovery Device)；以下稱作“WRD”。)27、陰極調(diào)壓閥28。陰極氣體供排裝置2對燃料電池堆I供應(yīng)陰極氣體，并且將從燃料電池堆I排出的陰極廢氣排出至外部空氣。
[0047]陰極氣體供應(yīng)通路21是對燃料電池堆I供應(yīng)的陰極氣體所流動的通路。陰極氣體供應(yīng)通路21的一端連接到過濾器23，且另一端連接到燃料電池堆I的陰極氣體入口孔。
[0048]陰極氣體排出通路22是從燃料電池堆I排出的陰極廢氣所流動的通路。陰極氣體排出通路22的一端連接到燃料電池堆I的陰極氣體出口孔，且另一端成為開口端。陰極廢氣是陰極氣體與由電極反應(yīng)產(chǎn)生的水蒸氣的混合氣體。
[0049]過濾器23對要取入到陰極氣體供應(yīng)通路21的陰極氣體中的異物進行去除。
[0050]空氣流量傳感器24被設(shè)置在與陰極壓縮機25相比更上游的陰極氣體供應(yīng)通路21中?？諝饬髁總鞲衅?4對被供應(yīng)給陰極壓縮機25且最終被供應(yīng)給燃料電池堆I的陰極氣體的流量進行檢測。
[0051]陰極壓縮機25被設(shè)置在陰極氣體供應(yīng)通路21中。陰極壓縮機25經(jīng)由過濾器23而將作為陰極氣體的空氣(外部空氣)取入到陰極氣體供應(yīng)通路21中，供應(yīng)給燃料電池堆I。
[0052]陰極壓力傳感器26被設(shè)置在陰極壓縮機25與WRD27之間的陰極氣體供應(yīng)通路21中。陰極壓力傳感器26對WRD27的陰極氣體入口部附近的陰極氣體的壓力(以下稱作“陰極壓力”。)進行檢測。以下，將該陰極壓力傳感器26的檢測值，稱作檢測陰極壓力。在本實施方式中，將該檢測陰極壓力，代用為面向活性區(qū)域的陰極氣體流道131內(nèi)的壓力。
[0053]WRD27被連接到陰極氣體供應(yīng)通路21以及陰極氣體排出通路22的各自，對在陰極氣體排出通路22中流動的陰極廢氣中的水分進行回收，通過該回收的水分對在陰極氣體供應(yīng)通路21中流動的陰極氣體進行加濕。
[0054]陰極調(diào)壓閥28被設(shè)置在與WRD27相比更下游的陰極氣體排出通路22中。陰極調(diào)壓閥28通過控制器6被進行開閉控制，將被供應(yīng)給燃料電池堆I的陰極氣體的壓力調(diào)節(jié)為期望的壓力。另外，也可以設(shè)為不設(shè)置陰極調(diào)壓閥28，而是設(shè)置節(jié)流孔(orifice)等的節(jié)流器。
[0055]陽極氣體供排裝置3對燃料電池堆I供應(yīng)陽極氣體，并且，將從燃料電池堆I排出的陽極廢氣排出到陰極氣體排出通路22。陽極氣體供排裝置3具備高壓罐31、陽極氣體供應(yīng)通路32、陽極調(diào)壓閥33、陽極壓力傳感器34、陽極氣體排出通路35、緩沖罐36、清除通路37、清除閥38。
[0056]高壓罐31將供應(yīng)給燃料電池堆I的陽極氣體保持在高壓狀態(tài)而進行儲藏。
[0057]陽極氣體供應(yīng)通路32是用于將從高壓罐31排出的陽極氣體供應(yīng)給燃料電池堆I的通路。陽極氣體供應(yīng)通路32的一端被連接到高壓罐31，另一端被連接到燃料電池堆I的陽極氣體入口孔。
[0058]陽極調(diào)壓閥33被設(shè)置在陽極氣體供應(yīng)通路32中。陽極調(diào)壓閥33通過控制器6被進行開閉控制，將被供應(yīng)給燃料電池堆I的陽極氣體的壓力調(diào)節(jié)為期望的壓力。
[0059]陽極壓力傳感器34被設(shè)置在與陽極調(diào)壓閥33相比更下游的陽極氣體供應(yīng)通路32中，對被供應(yīng)給燃料電池堆I的陽極氣體的壓力(以下稱作“陽極壓力”。)進行檢測。以下，將該陽極壓力傳感器34的檢測值稱作“檢測陽極壓力”。在本實施方式中，將該檢測陽極壓力，代用為面向活性區(qū)域的陽極氣體流道121內(nèi)的壓力。
[0060]陽極氣體排出通路35的一端被連接到燃料電池堆I的陽極氣體出口孔，另一端被連接到緩沖罐36 ο在陽極氣體排出通路35中排出在電極反應(yīng)中未使用的剩余的陽極氣體與從陰極電極側(cè)向陽極電極側(cè)透過來的氮或水分(生成水或水蒸氣)等的雜