燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為了在因燃料電池單元的濕潤程度的下降而使燃料電池的發(fā)電量減少時在短時間內(nèi)使燃料電池單元的發(fā)電量增大，從而使燃料電池單元的陰極包括導(dǎo)電性材料、催化劑和用于覆蓋上述導(dǎo)電性材料及催化劑的離子聚合物。當在時間tc1處燃料電池的輸出電壓值VFC變?yōu)榈陀陂撝惦妷褐礦FCTH且燃料電池的電阻值RFC變?yōu)楦哂陂撝惦娮柚礡FCTH時，實施使被輸送到燃料電池的氧化劑氣體量QOFC增大的氧化劑氣體增量控制。
【專利說明】
燃料電池系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]—直以來，已知一種如下的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)具備:燃料電池單元，其具有膜電極接合體和氧化劑氣體通道，其中，所述膜電極接合體具備電解質(zhì)以及分別被配置于電解質(zhì)的兩側(cè)的陰極及陽極，所述氧化劑氣體通道向陰極供給氧化劑氣體;氧化劑氣體供給通道，其被連結(jié)在氧化劑氣體通道的入口上;氧化劑氣體供給器，其被配置于氧化劑氣體供給通道內(nèi)并用于向陰極輸送氧化劑氣體。
[0003]當燃料電池單元的、尤其是電解質(zhì)或電極的濕潤程度變低時，燃料電池單元的發(fā)電量或效率有可能變低。在此，燃料電池單元的濕潤程度通過燃料電池單元的輸出電流值來表示。即，燃料電池單元的輸出電流值隨著燃料電池單元的濕潤程度變低而變小。另一方面，當燃料電池單元中被輸送有氧化劑氣體時，通過從燃料電池單元流出的氧化劑氣體或陰極廢氣從而會使水分從燃料電池單元中被帶走。當被輸送到燃料電池單元的氧化劑氣體量變少時，從燃料電池單元中被帶走的水分含量將變少。
[0004]因此，公知一種如下的燃料電池系統(tǒng)，S卩，在燃料電池單元的輸出電流小于預(yù)先確定的閾值電流值時，對氧化劑氣體供給器進行控制以使向燃料電池單元輸送的氧化劑氣體量減少(參照專利文獻I)。其結(jié)果為，被陰極廢氣帶走的水分含量減少，因此，燃料電池單元的濕潤程度逐漸升高、即被恢復(fù)。
[0005]在先技術(shù)文獻
[0006]專利文獻
[0007]專利文獻1:日本特開2011-222176號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明要解決的問題
[0009]然而，在專利文獻I中，只不過是抑制了從燃料電池單元中被帶走的水分。因此，存在需要花費較長時間來使燃料電池單元的發(fā)電量增大或恢復(fù)這一問題點。
[0010]用于解決問題的方案
[0011]根據(jù)本發(fā)明，提供一種燃料電池系統(tǒng)，具備:燃料電池單元，其具有膜電極接合體和氧化劑氣體通道，其中，所述膜電極接合體具備電解質(zhì)以及分別被配置于電解質(zhì)的兩側(cè)的陰極及陽極，所述氧化劑氣體通道向陰極供給氧化劑氣體;氧化劑氣體供給通道，其被連結(jié)在氧化劑氣體通道的入口上;氧化劑氣體供給器，其被配置于氧化劑氣體供給通道內(nèi)并用于向陰極輸送氧化劑氣體，在所述燃料電池系統(tǒng)中，所述陰極包含導(dǎo)電性材料、催化劑和用于覆蓋所述導(dǎo)電性材料及催化劑的離子聚合物，在燃料電池單元的輸出電壓值低于預(yù)先確定的閾值電壓值且燃料電池單元的電阻值高于預(yù)先確定的閾值電阻值時，所述燃料電池系統(tǒng)實施對氧化劑氣體供給器進行控制以使被輸送到燃料電池單元的氧化劑氣體量增大的氧化劑氣體增量控制。
[0012]發(fā)明的效果
[0013]在由于燃料電池單元的濕潤程度的下降而使燃料電池單元的發(fā)電量減少時，能夠在短時間內(nèi)使燃料電池單元的發(fā)電量增大。
【附圖說明】
[0014]圖1為燃料電池系統(tǒng)的整體圖。
[0015]圖2為膜電極接合體的局部放大剖視圖。
[0016]圖3為陰極的局部放大剖視圖。
[0017]圖4為對在陰極中的電化學(xué)反應(yīng)進行說明的示意圖。
[0018]圖5為表示離子聚合物的氧溶解度的線圖。
[0019]圖6為表示現(xiàn)有技術(shù)中的燃料電池單元的輸出電壓值的變化的線圖。
[0020]圖7為表示本發(fā)明的實施例中的燃料電池單元的輸出電壓值的變化的線圖。
[0021 ]圖8為對恢復(fù)控制進行說明的時序圖。
[0022]圖9為對恢復(fù)控制進行說明的時序圖。
[0023]圖10為對恢復(fù)控制進行說明的時序圖。
[0024]圖11為表示執(zhí)行恢復(fù)控制的程序的流程圖。
[0025]圖12為表示執(zhí)行恢復(fù)控制的程序的流程圖。
[0026]圖13為本發(fā)明的另一實施例的燃料電池系統(tǒng)A的整體圖。
[0027]圖14為對本發(fā)明的另一實施例的恢復(fù)控制進行說明的時序圖。
[0028]圖15為對本發(fā)明的另一實施例的恢復(fù)控制進行說明的時序圖。
[0029]圖16為對本發(fā)明的另一實施例的恢復(fù)控制進行說明的時序圖。
[0030]圖17為表示執(zhí)行本發(fā)明的另一實施例的恢復(fù)控制的程序的流程圖。
[0031]圖18為表示執(zhí)行本發(fā)明的另一實施例的恢復(fù)控制的程序的流程圖。
[0032]圖19為對氧化劑氣體增量控制的另一實施例進行說明的時序圖。
[0033]圖20為表示增大氧化劑氣體量QOFCI與燃料電池單元的電阻值RFC之間的關(guān)系的線圖。
[0034]圖21為表示維持時間tFCI與燃料電池單元的電阻值RFC之間的關(guān)系的線圖。
[0035]圖22為表示增量次數(shù)NFCI與燃料電池單元的電阻值RFC之間的關(guān)系的線圖。
【具體實施方式】
[0036]參照圖1，燃料電池系統(tǒng)A具備燃料電池單元I。燃料電池單元I具有膜電極接合體
2。如圖2所示，膜電極接合體2具備膜狀的電解質(zhì)2e、被形成在電解質(zhì)2e的一側(cè)的陽極2a和被形成在電解質(zhì)2e的另一側(cè)的陰極2c ο如圖1所示，上述陽極2a及陰極2c—方面經(jīng)由DC/AC轉(zhuǎn)換器3而例如與車輛驅(qū)動用的電動機4電連接，另一方面經(jīng)由AC/AC轉(zhuǎn)換器5而與蓄電器6電連接。在圖1所示的燃料電池系統(tǒng)A中，蓄電器6由蓄電池構(gòu)成。此外，如圖1及圖2所示，在燃料電池單元I內(nèi)，形成有用于向陽極2a供給燃料氣體的燃料氣體通道10和向陰極2c供給氧化劑氣體的氧化劑氣體通道20。在燃料電池單元I內(nèi)還形成有用于向燃料電池單元I供給冷卻水的冷卻水通道30。
[0037]另外，在圖1所示的燃料電池系統(tǒng)A中，設(shè)置有多個燃料電池單元I，通過使這些燃料電池單元I互相串聯(lián)層疊，從而形成了燃料電池堆。在這種情況下，上述的燃料氣體通道
10、氧化劑氣體通道20及冷卻水通道30分別互相連結(jié)在一起。
[0038]在燃料氣體通道10的入口上連結(jié)有燃料氣體供給通道11，燃料氣體供給通道11被連結(jié)在燃料氣體源12上。在本發(fā)明的實施例中，燃料氣體由氫形成，燃料氣體源12由氫罐形成。在燃料氣體供給通道11內(nèi)，配置有對在燃料氣體供給通道11內(nèi)流動的燃料氣體的量進行控制的燃料氣體控制閥13。另一方面，在燃料氣體通道10的出口上連結(jié)有陽極廢氣通道14，在陽極廢氣通道14內(nèi)配置有對在陽極廢氣通道14內(nèi)流動的陽極廢氣的量進行控制的陽極廢氣控制閥15。當燃料氣體控制閥13開閥時，燃料氣體源12內(nèi)的燃料氣體經(jīng)由燃料氣體供給通道11而向燃料電池單元I內(nèi)的燃料氣體通道10內(nèi)被供給。此時，從燃料氣體通道10中流出的氣體、即陽極廢氣，將流入到陽極廢氣通道14內(nèi)。
[0039]此外，在氧化劑氣體通道20的入口上連結(jié)有氧化劑氣體供給通道21，氧化劑氣體供給通道21被連結(jié)在氧化劑氣體源22上。在本發(fā)明的實施例中，氧化劑氣體由空氣形成，氧化劑氣體源22由大氣形成。在氧化劑氣體供給通道21內(nèi)配置有對氧化劑氣體進行壓送的氧化劑氣體供給器或壓縮機23。另一方面，在氧化劑氣體通道20的出口上連結(jié)有陰極廢氣通道24。當壓縮機23被驅(qū)動時，氧化劑氣體源22內(nèi)的氧化劑氣體經(jīng)由氧化劑氣體供給通道21而被供給到燃料電池單元I內(nèi)的氧化劑氣體通道20內(nèi)。此時，從氧化劑氣體通道20中流出的氣體、即陰極廢氣，將流入到陰極廢氣通道24內(nèi)。
[0040]在圖1所示的實施例中，燃料電池單元I由逆流式燃料電池單元形成。即，燃料氣體通道10的入口及氧化劑氣體通道20的出口彼此相鄰，燃料氣體通道10的出口及氧化劑氣體通道20的入口彼此相鄰，因此，燃料氣體及氧化劑氣體在燃料電池單元I內(nèi)以彼此大致平行且朝向相反方向的方式流動。在另一實施例中，燃料電池單元I由并流式燃料電池單元形成。即，燃料氣體通道10的入口及氧化劑氣體通道20的入口彼此相鄰，燃料氣體通道10的出口及氧化劑氣體通道20的出口彼此相鄰，因此，燃料氣體及氧化劑氣體在燃料電池單元I內(nèi)以彼此大致平行且朝向相同方向的方式流動。在又一實施例中，燃料電池單元I由錯流式燃料電池單元形成。即、燃料氣體及氧化劑氣體在燃料電池單元I內(nèi)以彼此大致正交的方式流動。
[0041]進一步參照圖1，冷卻水供給通道31的一端被連接在冷卻水通道30的入口上，冷卻水供給通道31的另一端被連接在冷卻水供給通道31的出口上。在冷卻水供給通道31內(nèi)，配置有對冷卻水進行壓送的冷卻水栗32和散熱器33。散熱器33上游的冷卻水供給通道31和散熱器33與冷卻水栗32之間的冷卻水供給通道31通過散熱器旁通通道34而被相互連結(jié)在一起。此外，設(shè)置有分別對在散熱器旁通通道34內(nèi)流動的冷卻水量進行控制的散熱器旁通控制閥35。在圖1所示的燃料電池系統(tǒng)A中，散熱器旁通控制閥35由三通閥形成，并被配置在散熱器旁通通道34的入口處。當冷卻水栗32被驅(qū)動時，從冷卻水栗32噴出的冷卻水將經(jīng)由冷卻水供給通道31而流入到燃料電池單元I內(nèi)的冷卻水通道30內(nèi)，接著，將穿過冷卻水通道30而流入到冷卻水供給通道31內(nèi)，再經(jīng)由散熱器33或散熱器旁通通道34而返回至冷卻水栗32。在這種情況下，當通過散熱器旁通控制閥35而使被輸送到散熱器33的冷卻水量增大時，冷卻水溫度將下降，因此，燃料電池單元I的溫度下降?；蛘撸攺睦鋮s水栗32噴出的冷卻水量增大時，燃料電池單元I的溫度也下降。如此，冷卻水供給通道31、冷卻水栗32、散熱器旁通控制閥35作為對燃料電池單元溫度進行控制的燃料電池單元溫度控制器而發(fā)揮作用。
[0042]電子控制單元50由數(shù)字計算機構(gòu)成，并具備通過雙向性總線51而相互連接的ROM(只讀存儲器)52、RAM(隨機存取存儲器)53、CPU(微處理器)54、輸入端口 55以及輸出端口56。在與燃料電池單元I內(nèi)的冷卻水通道30相鄰的冷卻水供給通道31上，安裝有對冷卻水的溫度進行檢測的溫度傳感器40。通過溫度傳感器40而被檢測出的冷卻水溫表示燃料電池單元I的溫度。此外，在燃料電池單元I的陽極2a和陰極2c之間，設(shè)置有分別對燃料電池單元I的輸出電壓值以及電阻值進行檢測的電壓計41以及電阻儀42。溫度傳感器40、電壓計41以及電阻儀42的輸出信號經(jīng)由相對應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換器57而向輸入端口 55輸入。另一方面，輸出端口 56經(jīng)由相對應(yīng)的驅(qū)動電路58而與燃料氣體控制閥13、陽極廢氣控制閥15、壓縮機23、冷卻水栗32、以及散熱器旁通控制閥35連接。
[0043]圖3為表示陰極2c的局部放大剖視圖。如圖3所示，陰極2c包含顆粒狀的導(dǎo)電性材料2cl、覆蓋導(dǎo)電性材料2cl的離子聚合物2c2和被負載于導(dǎo)電性材料2cl上的顆粒狀的催化劑2c3。此外，在圖3所示的示例中，導(dǎo)電性材料2cl由炭構(gòu)成，離子聚合物2c2由與電解質(zhì)2e相同或類似的電解質(zhì)構(gòu)成，催化劑2c3由白金構(gòu)成。另外，在圖3中，2c4表示在陰極2c上所形成的間隙。
[0044]另外，當在燃料電池單元I內(nèi)的燃料氣體通道10內(nèi)被供給有燃料氣體并在氧化劑氣體通道20內(nèi)被供給有氧化劑氣體時，在燃料電池單元I中將產(chǎn)生電能。所產(chǎn)生的電能將被輸送至車輛驅(qū)動用電動機4，并由此使電機4被驅(qū)動。或者，所產(chǎn)生的電能被輸送到蓄電器6中，從而被存儲起來。
[0045]在這種情況下，在陰極2c中，將實施如下的電化學(xué)反應(yīng)(I)。
[0046]02+4H++4e ~
[0047]S卩，如圖4所示，氫離子H+穿過電解質(zhì)2e而到達陰極2c、尤其是催化劑2c3的表面。此外，氧O2透過離子聚合物2c2而到達催化劑2c3的表面?；蛘撸鮋2穿過在陰極2c上所形成的間隙(圖3)而到達催化劑2c3。而且，電子e—經(jīng)由導(dǎo)電性材料2cl而到達催化劑2c3的表面。其結(jié)果為，發(fā)生了上述的電化學(xué)反應(yīng)(I)，并產(chǎn)生水分。
[0048]但是，一直以來已知存在如下情況，S卩，當燃料電池單元I的溫度變高時，將由于水分蒸發(fā)量的增大而使燃料電池單元1、尤其是膜電極接合體2的濕潤程度下降，并且當燃料電池單元I的濕潤程度下降時，燃料電池單元I的發(fā)電量或效率則有可能變低。針對該現(xiàn)象的機理，本申請
【發(fā)明人】們進行了深入細致的研究，其結(jié)果為，辨明了燃料電池單元I的發(fā)電量的下降與離子聚合物2c2的氧透過率有關(guān)。參照圖5而對這種情況進行說明。
[0049]圖5為表示離子聚合物的周圍氣氛的相對濕度(％)與離子聚合物的氧溶解度之間的關(guān)系的實驗結(jié)果。該相對濕度表示離子聚合物的濕潤程度。根據(jù)圖5可知，當相對濕度下降時，離子聚合物的氧溶解度下降。另一方面，離子聚合物的氧透過度能夠通過離子聚合物的氧溶解度與離子聚合物的氧擴散系數(shù)之積來表示。因此，當離子聚合物的濕潤程度下降時，離子聚合物的氧透過率將會下降。
[0050]如果離子聚合物的氧透過率下降，則到達陰極2c的氧化劑氣體量或氧量將減少。其結(jié)果為，上述的電化學(xué)反應(yīng)(I)將變得不易進行，因此，燃料電池單元I的發(fā)電量會減少。這就是在燃料電池單元I的濕潤程度下降時所產(chǎn)生的燃料電池單元I的發(fā)電量減少的機理。
[0051]如此一來，如果在燃料電池單元I的濕潤程度變低時，使透過離子聚合物2c2的氧化劑氣體或氧的量增大或恢復(fù)，則能夠使燃料電池單元I的發(fā)電量增大或恢復(fù)。為了使透過離子聚合物2c2的氧化劑氣體量增大，只要使陰極2c周圍的氧化劑氣體量增大即可，因此，只要使被輸送到燃料電池單元I或氧化劑氣體通道20中的氧化劑氣體量增大即可。
[0052]另一方面，燃料電池單元I的濕潤程度通過燃料電池單元I的電阻值來表示。即，燃料電池單元I的電阻值隨著燃料電池單元I的濕潤程度變低而變大。
[0053]另一方面，在通常的發(fā)電控制過程中，以使燃料電池單元I的輸出電流值一致于根據(jù)燃料電池單元I的目標發(fā)電量而確定的目標電流值的方式，對燃料電池系統(tǒng)A實施控制。因此，當考慮到燃料電池單元I的發(fā)電量可通過燃料電池單元I的輸出電流值與輸出電壓值之積來表不時，可認為是，對于同一輸出電流值而言，輸出電壓值較低時與輸出電壓值較高時相比，燃料電池單元I的發(fā)電量減少了。
[0054]因此，在本發(fā)明的實施例中，在燃料電池單元I的輸出電壓值低于預(yù)先確定的閾值電壓值且燃料電池單元I的電阻值高于預(yù)先確定的閾值電阻值時，實施對氧化劑氣體供給器23進行控制以使被輸送到燃料電池單元I的氧化劑氣體量增大的氧化劑氣體增量控制。其結(jié)果為，氧化劑氣體通道20內(nèi)的氧化劑氣體量或濃度被增大，由此，透過離子聚合物而到達陰極2c的氧化劑氣體量被增大。因此，燃料電池單元I的發(fā)電量被迅速地增大。
[0055]燃料電池單元I的發(fā)電量增大的含義為，通過上述的電化學(xué)反應(yīng)(I)而生成的水分量增大。其結(jié)果為，燃料電池單元I的濕潤程度上升或被恢復(fù)。當燃料電池單元I的濕潤程度上升時，離子聚合物的氧透過率將上升，因此，燃料電池單元I的發(fā)電量被進一步增大。
[0056]但是，已知一種如下的現(xiàn)有技術(shù)，S卩，在燃料電池單元I的濕潤程度變低時，實施使被輸送到燃料電池單元I的氧化劑氣體量減少的氧化劑氣體量減少控制。在該現(xiàn)有技術(shù)中，由于減少了通過陰極廢氣而從燃料電池單元I中被帶走的水分量，因此使燃料電池單元I的濕潤程度升高，由此使燃料電池單元I的發(fā)電量被增大或被恢復(fù)。但是，當氧化劑氣體量減少時，陰極2c周圍的氧化劑氣體量將減少，因此，透過離子聚合物而到達陰極2c的氧化劑氣體量進一步減少。因此，燃料電池單元I的發(fā)電量在氧化劑氣體量減少控制的初期進一步減少，并在其后增大。即，在氧化劑氣體量減少控制中，使燃料電池單元I的發(fā)電量增大需要花費較長時間。
[0057]另一方面，還已知另一種現(xiàn)有技術(shù)，S卩，在燃料電池單元I的濕潤程度變低時，進行使燃料電池單元I的溫度下降的燃料電池溫度下降控制。在該另一種現(xiàn)有技術(shù)中，由于在燃料電池單元I的陰極2c周圍，水蒸氣的冷凝被促進，因此使燃料電池單元I的濕潤程度升高，由此使燃料電池單元I的發(fā)電量被增大或被恢復(fù)。但是，在通過降低燃料電池單元I的冷卻水溫度來實施燃料電池溫度下降控制的情況下，使燃料電池單元I的溫度下降需要花費較長時間?；蛘?，如果使燃料電池單元I的溫度下降，則上述的電化學(xué)反應(yīng)(I)將變得難以進行。無論如何，使燃料電池單元I的發(fā)電量增大或恢復(fù)都需要花費較長時間。
[0058]圖6為表示實施了上述的燃料電池溫度下降控制時的燃料電池單元I的輸出電壓值VFC的實驗結(jié)果。在圖6中，ta I表示燃料電池單元I的輸出電壓值VFC低于預(yù)先確定的閾值電壓值VFCTH且燃料電池單元I的電阻值高于預(yù)先確定的閾值電阻值的時間。根據(jù)圖6可知，即使開始實施了燃料電池溫度下降控制，燃料電池單元I的輸出電壓值VFC也會持續(xù)下降一段時間，并在一段時間之后開始上升。即，在這種情況下，使燃料電池單元I的發(fā)電量增大或恢復(fù)需要花費較長時間。
[0059]與此相對，圖7為表示實施了氧化劑氣體增量控制時的燃料電池單元I的輸出電壓值VFC的實驗結(jié)果。在圖7中，tb I表示燃料電池單元I的輸出電壓值VFC低于預(yù)先確定的閾值電壓值VFCTH且燃料電池單元I的電阻值高于預(yù)先確定的閾值電阻值的時間。根據(jù)圖7可知，當開始實施氧化劑氣體增量控制時，燃料電池單元I的輸出電壓值VFC立刻上升，因此會在短時間內(nèi)被恢復(fù)。
[0060]實際上，根據(jù)本申請
【發(fā)明人】們的實驗，關(guān)于輸出電壓值VFC從低于閾值電壓值VFCTH起到恢復(fù)為止所需要的時間，在圖6的示例中為大約2分鐘，相對于此，在圖7的示例中則為大約I秒。
[0061]接下來，參照圖8至圖10，進一步對本發(fā)明的實施例進行說明。
[0062]在圖8所示的示例中，當在時間tcI處燃料電池單元I的輸出電壓值VFC變?yōu)榈陀陬A(yù)先確定的閾值電壓值VFCTH且燃料電池單元I的電阻值RFC變?yōu)楦哂陬A(yù)先確定的閾值電阻值RFCTH時，開始實施上述的氧化劑氣體增量控制。其結(jié)果為，被輸送到燃料電池單元I的氧化劑氣體量QOFC從基礎(chǔ)氧化劑氣體量QOFCB增大至增大氧化劑氣體量QOFCI并被維持。另外，基礎(chǔ)氧化劑氣體量QOFCB為，未實施氧化劑氣體增量控制的通?？刂茣r的氧化劑氣體量，例如根據(jù)燃料電池單元I的目標發(fā)電量而被確定。
[0063 ]接著，當在時間t c2處燃料電池單元I的輸出電壓值VFC變?yōu)殚撝惦妷褐礦FCTH以上時，即當燃料電池單元I的輸出電壓值VFC被恢復(fù)時，停止實施氧化劑氣體增量控制。其結(jié)果為，被輸送到燃料電池單元I的氧化劑氣體量QOFC返回至基礎(chǔ)氧化劑氣體量Q0FCB。另外，在圖8所示的示例中，在時間tc2處燃料電池單元I的電阻值RFC變?yōu)榈陀陂撝惦娮柚礡FCTH，因此被恢復(fù)。即，以此方式暫時性地實施氧化劑氣體增量控制，從而由此使燃料電池單元I的輸出電壓值VFC及電阻值RFC被恢復(fù)。
[0064]在圖9所示的示例中，當在時間tdl處燃料電池單元I的輸出電壓值VFC變?yōu)榈陀陂撝惦妷褐礦FCTH且燃料電池單元I的電阻值RFC變?yōu)楦哂陂撝惦娮柚礡FCTH時，開始實施上述的氧化劑氣體增量控制。接著，當在時間td2處電阻值RFC變?yōu)楦哂陬A(yù)先確定的上限電阻值RFCl時，停止實施氧化劑氣體增量控制。其結(jié)果為，被輸送到燃料電池單元I的氧化劑氣體量QOFC返回至基礎(chǔ)氧化劑氣體量Q0FCB。此外，在時間td2處開始實施使燃料電池單元I的溫度下降的燃料電池溫度下降控制。其結(jié)果為，燃料電池單元I的溫度TFC從基礎(chǔ)燃料電池單元溫度TFCB下降至下降燃料電池單元溫度TFCBL并被維持。另外，基礎(chǔ)燃料電池單元溫度TFCB為，未實施燃料電池溫度下降控制的通?？刂茣r的燃料電池單元溫度，例如以不超過固定值的方式而被控制。此外，通過冷卻水的溫度下降及冷卻水的增量中的一方或雙方來實施燃料電池溫度下降控制。
[0065]當實施氧化劑氣體增量控制時，存在通過陰極廢氣而從燃料電池單元I中被帶走的水分量增大，從而燃料電池單元I的電阻值RFC變得過高的可能性。因此，在圖9所示的示例中，在氧化劑氣體增量控制中，在電阻值RFC高于上限電阻值RFCl時，停止實施氧化劑氣體增量控制。其結(jié)果為，阻止了電阻值RFC變得過高的情況。另一方面，依然需要恢復(fù)輸出電壓值VFC。因此，在圖9所示的示例中，在通過使燃料電池單元I的電阻值RFC高于上限電阻值RFCl來使氧化劑氣體增量控制停止時，實施的是燃料電池溫度下降控制。其結(jié)果為，輸出電壓值VFC逐漸上升，電阻值RFC逐漸下降。
[0066]接著，當在時間td3處燃料電池單元I的輸出電壓值VFC變?yōu)殚撝惦妷褐礦FCTH以上且燃料電池單元I的電阻值RFC變?yōu)殚撝惦娮柚礡FCTH以下時，即當燃料電池單元I的輸出電壓值VFC及電阻值RFC均被恢復(fù)時，將停止實施燃料電池溫度下降控制。其結(jié)果為，燃料電池單元I的溫度返回至基礎(chǔ)燃料電池單元溫度TFCB。
[0067]在圖10所示的示例中，當在時間tel處燃料電池單元I的輸出電壓值VFC變?yōu)榈陀陂撝惦妷褐礦FCTH且燃料電池單元I的電阻值RFC變?yōu)楦哂陂撝惦娮柚礡FCTH時，開始實施上述的氧化劑氣體增量控制。接著，當在時間te2處電阻值RFC變?yōu)楦哂谏舷揠娮柚礡FCl時，停止實施氧化劑氣體增量控制，并且開始實施燃料電池溫度下降控制。
[0068]接著，盡管在時間te3處燃料電池單元I的電阻值RFC變?yōu)榱碎撝惦娮柚礡FCTH以下、即盡管電阻值RFC被恢復(fù)了，但在燃料電池單元I的輸出電壓值VFC低于閾值電壓值VFCTH時，也將開始實施用于使燃料電池單元I的輸出電壓值上升的其他控制。即，可以認為，在這種情況下，由于與燃料電池單元I的濕潤程度的下降這一理由不同的理由，例如由于溢流，從而使燃料電池單元I的輸出電壓值VFC下降。因此，在圖10所示的示例中，實施用于消除溢流的其他控制。
[0069 ]接著，當在時間te4處燃料電池單元I的輸出電壓值VFC變?yōu)殚撝惦妷褐礦FCTH以上時、即當輸出電壓值VFC被恢復(fù)時，停止實施上述的其他控制。
[0070]另外，在圖8至圖10所示的示例中，在燃料電池單元I的電阻值RFC變?yōu)楦哂陂撝惦娮柚礡FCTH之后，燃料電池單元I的輸出電壓值VFC變?yōu)榈陀陂撝惦妷褐礦FCTH。在另一示例中，在輸出電壓值VFC變?yōu)榈陀陂撝惦妷褐礦FCTH之后，電阻值RFC變?yōu)楦哂陂撝惦娮柚礡FCTH0
[0071]燃料電池單元I的輸出電壓值及電阻值依存于燃料電池單元I的目標電流值或輸出電流值和燃料電池單元I的溫度。在本發(fā)明的實施例中，閾值電壓值VFCTH及閾值電阻值RFCTH分別作為例如燃料電池單元I的目標電流值及燃料電池單元I的溫度的函數(shù)而被預(yù)先確定，并以映射圖的形式而被存儲在R0M52內(nèi)。但是，燃料電池單元I的輸出電壓值及電阻值能夠根據(jù)燃料電池單元I的時間性劣化的程度而變動。因此，在本發(fā)明的另一實施例中，閾值電壓值VFCTH及閾值電阻值RFCTH根據(jù)燃料電池單元I的時間性劣化的程度而被補正。
[0072]圖11及圖12為表示上述的本發(fā)明的實施例的執(zhí)行恢復(fù)控制的程序。該程序以每隔固定時間的中斷而被執(zhí)行。
[0073]參照圖11及圖12，在步驟100中，對燃料電池單元I的輸出電壓值VFC是否低于閾值電壓值VFCTH進行判斷。在VFC > VFCTH時，結(jié)束處理循環(huán)。在VFC< VFCTH時，接著進入步驟101，并對燃料電池單元I的電阻值RFC是否高于閾值電阻值RFCTH進行判斷。在RFC > RFCTH時，接著進入步驟102并開始實施氧化劑氣體增量控制。在接下來的步驟103中，對燃料電池單元I的輸出電壓值VFC是否在閾值電壓值VFCTH以上進行判斷。在VFC > VFCTH時、即在輸出電壓值VFC被恢復(fù)時，接著進入步驟104并停止實施氧化劑氣體增量控制。接著，結(jié)束處理循環(huán)。與此相對，在VFC< VFCTH時、即在輸出電壓值VFC還未恢復(fù)時，進入步驟105并對燃料電池單元I的電阻值RFC是否高于上限電阻值RFCl進行判斷。在RFC SRFCl時，返回至步驟102并繼續(xù)實施氧化劑氣體增量控制。在RFORFC1時，接著進入步驟106并停止實施氧化劑氣體增量控制。接著，進入步驟107。
[0074]在步驟107中，開始實施燃料電池溫度下降控制。在接下來的步驟108中，對燃料電池單元I的電阻值RFC是否在閾值電阻值RFCTH以下進行判斷。在RFC > RFCTH時、即在電阻值RFC還未恢復(fù)時，返回至步驟107并繼續(xù)實施燃料電池溫度下降控制。在RFC < RFCTH時、即在電阻值RFC被恢復(fù)時，接著進入步驟109并停止實施燃料電池溫度下降控制。在接下來的步驟110中，對燃料電池單元I的輸出電壓值VFC是否在閾值電壓值VFCTH以上進行判斷。在VFC> VFCTH時，結(jié)束處理循環(huán)。在步驟101及步驟110中，在VFC < VFCTH時、即在VFC < VFCTH且RFC < RFCTH時，進入步驟111并實施上述的其他處理。
[0075]圖13表不本發(fā)明的另一實施例。在圖13所不的另一實施例中，對陰極廢氣通道24內(nèi)的壓力、即燃料電池單元I的背壓進行控制的背壓控制閥25被配置在陰極廢氣通道24內(nèi)。背壓控制閥25通常以將燃料電池單元I的背壓維持為固定的方式被實施控制，并且當背壓控制閥25的開度被減小時，燃料電池單元I的背壓將上升。
[0076]在本發(fā)明的另一實施例中，實施上述的氧化劑氣體增量控制，并且實施使燃料電池單元I的背壓上升的背壓上升控制。在這種情況下，通過減小背壓控制閥25的開度來實施背壓上升控制。當實施氧化劑氣體增量控制并且實施背壓上升控制時，燃料電池單元1、尤其是陰極2c周圍的氧化劑氣體量或濃度將進一步升高。其結(jié)果為，能夠使燃料電池單元I的發(fā)電量更迅速地被增大或被恢復(fù)。
[0077]接下來，參照圖14至圖16來進一步對本發(fā)明的另一實施例進行說明。
[0078]在圖14所示的示例中，當在時間tfl處燃料電池單元I的輸出電壓值VFC變?yōu)榈陀陬A(yù)先確定的閾值電壓值VFCTH且燃料電池單元I的電阻值RFC變?yōu)楦哂陬A(yù)先確定的閾值電阻值RFCTH時，首先，將開始實施上述的氧化劑氣體增量控制。其結(jié)果為，被輸送到燃料電池I的氧化劑氣體量QOFC從基礎(chǔ)氧化劑氣體量QOFCB起被增大。
[0079]接著，當在時間tf2處氧化劑氣體量QOFC被增大至增大氧化劑氣體量QOFCI時，開始實施背壓上升控制。其結(jié)果為，燃料電池I的背壓PB從基礎(chǔ)背壓PBB被上升至上升背壓PBR并被維持。如果在氧化劑氣體量QOFC被增大之前實施背壓上升控制，則存在燃料電池I的陰極2c周圍的氧化劑氣體量反而減少的可能性。因此，在圖14所示的示例中，是在增大了氧化劑氣體量QOFC之后開始實施背壓上升控制的。另外，基礎(chǔ)背壓PBB為未實施背壓上升控制的通常控制時的背壓，并根據(jù)來自壓縮機23的氧化劑氣體量而被確定。
[0080]接著，當在時間tf 3處燃料電池I的輸出電壓值VFC變?yōu)殚撝惦妷褐礦FCTH以上時、即當燃料電池I的輸出電壓值VFC被恢復(fù)時，停止實施氧化劑氣體增量控制及背壓上升控制。其結(jié)果為，被輸送到燃料電池I的氧化劑氣體量QOFC返回至基礎(chǔ)氧化劑氣體量QOFCB，而燃料電池I的背壓PB返回至基礎(chǔ)背壓PBB。另外，在圖14所示的示例中，在時間tf3處燃料電池I的電阻值RFC低于閾值電阻值RFCTH，因此被恢復(fù)。
[0081 ]在圖15所示的示例中，當在時間tgI處燃料電池I的輸出電壓值VFC變?yōu)榈陀陂撝惦妷褐礦FCTH且燃料電池I的電阻值RFC變?yōu)楦哂陂撝惦娮柚礡FCTH時，開始實施上述的氧化劑氣體增量控制。接著，當在時間tg2處氧化劑氣體量QOFC增大至增大氧化劑氣體量QOFCI時，開始實施背壓上升控制。接著，當在時間tg3處電阻值RFC變?yōu)楦哂陬A(yù)先確定的上限電阻值RFCl時，停止實施氧化劑氣體增量控制及背壓上升控制。其結(jié)果為，被輸送到燃料電池I的氧化劑氣體量QOFC返回至基礎(chǔ)氧化劑氣體量Q0FCB，而燃料電池I的背壓I3B返回至基礎(chǔ)背壓PBB。此外，在時間tg3處，開始實施燃料電池溫度下降控制。其結(jié)果為，燃料電池I的溫度TFC從基礎(chǔ)燃料電池溫度TFCB下降至下降燃料電池溫度TFCBL并被維持。其結(jié)果為，輸出電壓值VFC逐漸上升，電阻值RFC逐漸下降。
[0082]接著，當在時間tg4處燃料電池I的輸出電壓值VFC變?yōu)殚撝惦妷褐礦FCTH以上且燃料電池I的電阻值RFC變?yōu)殚撝惦娮柚礡FCTH以下時，即當燃料電池I的輸出電壓值VFC及電阻值RFC均被恢復(fù)時，停止實施燃料電池溫度下降控制。其結(jié)果為，燃料電池I的溫度返回至基礎(chǔ)燃料電池溫度TFCB。
[0083]在圖16所示的示例中，當在時間thI處燃料電池I的輸出電壓值VFC變?yōu)榈陀陂撝惦妷褐礦FCTH且燃料電池I的電阻值RFC變?yōu)楦哂陂撝惦娮柚礡FCTH時，開始實施上述的氧化劑氣體增量控制。接著，當在時間th2處氧化劑氣體量QOFC增大至增大氧化劑氣體量QOFCI時，開始實施背壓上升控制。接著，當在時間th3處電阻值RFC變?yōu)楦哂谏舷揠娮柚礡FCl時，停止實施氧化劑氣體增量控制及背壓上升控制，并且開始實施燃料電池溫度下降控制。
[0084]接著，盡管在時間th4處燃料電池I的電阻值RFC成為了閾值電阻值RFCTH以下、SP盡管電阻值RFC被恢復(fù)了，但在燃料電池I的輸出電壓值VFC低于閾值電壓值VFCTH時，也將實施上述的其他控制，例如實施消除溢流的其他控制。
[0085]接著，當在時間th5處燃料電池I的輸出電壓值VFC變?yōu)殚撝惦妷褐礦FCTH以上時、即當輸出電壓值VFC被恢復(fù)時，停止實施上述的其他控制。
[0086]圖17及圖18表示上述的本發(fā)明的另一實施例的執(zhí)行恢復(fù)控制的程序。該程序以每隔固定時間的中斷而被執(zhí)行。
[0087]參照圖17及圖18，在步驟1O中，對燃料電池I的輸出電壓值VF C是否低于閾值電壓值VFCTH進行判斷。在VFC 2 VFCTH時，結(jié)束處理循環(huán)。在VFC<VFCTH時，接著進入步驟101并對燃料電池I的電阻值RFC是否高于閾值電阻值RFCTH進行判斷。在RFC > RFCTH時，接著進入步驟102并開始實施氧化劑氣體增量控制。在接下來的步驟102a中，在氧化劑氣體量QOFC被增大至增大氧化劑氣體量QOFCI之后，開始實施背壓上升控制。在接下來的步驟103中，對燃料電池I的輸出電壓值VFC是否在閾值電壓值VFCTH以上進行判斷。在VFC > VFCTH時，即在輸出電壓值VFC被恢復(fù)時，接著進入步驟104a并停止實施氧化劑氣體增量控制及背壓上升控制。接著，結(jié)束處理循環(huán)。與此相對，在VFC< VFCTH時，即在輸出電壓值VFC還未恢復(fù)時，進入步驟1 5并對燃料電池I的電阻值RFC是否高于上限電阻值RFCI進行判斷。在RFC < RFCI時，返回至步驟102并繼續(xù)實施氧化劑氣體增量控制及背壓上升控制。在RFORFC1時，接著進入步驟106a并停止實施氧化劑氣體增量控制及背壓上升控制。接著，進入步驟107。
[0088]在步驟107中，開始實施燃料電池溫度下降控制。在接下來的步驟108中，對燃料電池I的電阻值RFC是否在閾值電阻值RFCTH以下進行判斷。在RFC > RFCTH時，即在電阻值RFC還未恢復(fù)時，返回至步驟107并繼續(xù)實施燃料電池溫度下降控制。在RFC < RFCTH時，即在電阻值RFC被恢復(fù)時，接著進入步驟109并停止實施燃料電池溫度下降控制。在接下來的步驟110中，對燃料電池I的輸出電壓值VFC是否在閾值電壓值VFCTH以上進行判斷。在VFC >VFCTH時，結(jié)束處理循環(huán)。在步驟101及步驟110中，在￥?(:<￥?(:1'!1時，即在￥?(:<￥?(:1'!1且1^〇SRFCTH時，進入步驟111并實施上述的其他處理。
[0089]由于本發(fā)明的另一實施例的其他結(jié)構(gòu)及作用與本發(fā)明的實施例的構(gòu)成及作用相同，因此省略說明。
[0090]在至此敘述的本發(fā)明的各實施例中，在氧化劑氣體增量控制中，被輸送到燃料電池I的氧化劑氣體量QOFC持續(xù)性地增大。與此相對，在圖19所示的實施例中，氧化劑氣體量QOFC間歇性地增大。即，氧化劑氣體量QOFC從基礎(chǔ)氧化劑氣體量QOFCB增大至增大氧化劑氣體量QOFCI并被維持，接著在經(jīng)過維持時間tFCI時，返回至基礎(chǔ)氧化劑氣體量QOFCB。像這樣的氧化劑氣體的增量作用僅被實施增量次數(shù)NFCI。
[0091]在此，如圖20所示，在增大氧化劑氣體量QOFCI多于上限氣體量QOFCIl時，燃料電池I的電阻值RFC將變得高于上限電阻值RFCl。因此，增大氧化劑氣體量QOFCI被設(shè)定在上限量QOFCIl以下。
[0092]此外，如圖21所示，在維持時間tFCI長于上限時間tFC11時，燃料電池I的電阻值RFC將變得高于上限電阻值RFCl。因此，維持時間tFCI被設(shè)定在上限時間tFCI I以下。
[0093]而且，如圖22所示，在增量次數(shù)NFCI多于上限值NFC11時，燃料電池I的電阻值RFC將變得高于上限電阻值RFCl。因此，增量次數(shù)NFCI被設(shè)定在上限值NFCII以下。
[0094]另一方面，在至此敘述的各實施例中，在氧化劑氣體增量控制中，在燃料電池的電阻值RFC變?yōu)榱烁哂谏舷揠娮柚礡FCl時，被輸送到燃料電池I的氧化劑氣體量QOFC將返回至基礎(chǔ)氧化劑氣體量Q0FCB。在另一實施例中，在氧化劑氣體增量控制中，在燃料電池的電阻值RFC變?yōu)榱烁哂谏舷揠娮柚礡FCl時，將實施與基礎(chǔ)氧化劑氣體量QOFCB相比而使氧化劑氣體量QOFC減少的氧化劑氣體減量控制。當實施氧化劑氣體減量控制時，由于減少了通過陰極廢氣而從燃料電池I中被帶走的水分量，因此提高了燃料電池I的濕潤程度。
[0095]接下來，對燃料電池系統(tǒng)A的另一實施例進行說明。在燃料電池系統(tǒng)A的另一實施例中，還設(shè)置有將陽極廢氣控制閥15上游的陽極廢氣通道14和燃料氣體控制閥13下游的燃料氣體供給通道11相互連結(jié)的循環(huán)通道、和被配置在循環(huán)通道內(nèi)的陽極廢氣栗，并且利用陽極廢氣栗而使陽極廢氣通道14內(nèi)的陽極廢氣的一部分或全部經(jīng)由循環(huán)通道返回至燃料氣體供給通道11。
[0096]在陽極廢氣中含有水分。因此，像燃料電池系統(tǒng)A的另一實施例那樣，當陽極廢氣通道14內(nèi)的陽極廢氣返回至燃料氣體供給通道11時，該水分將與氣體一起返回至燃料電池I內(nèi)。其結(jié)果為，燃料電池I的濕潤程度不易變低。
[0097]與此相對，在圖1及圖13所示的燃料電池系統(tǒng)A中，陽極廢氣通道14與燃料氣體供給通道11并未相互連結(jié)，因此，陽極廢氣并未從陽極廢氣通道14返回至燃料氣體供給通道11，而是在陽極廢氣通道14內(nèi)流動。如此一來，能夠簡化燃料電池系統(tǒng)A的結(jié)構(gòu)，從而能夠降低成本。但是，在這種情況下，陽極廢氣中所含有的水分并未返回至燃料電池I。因此，在圖1及圖13所示的燃料電池系統(tǒng)A中，燃料電池I的濕潤程度容易變低。因此，在本發(fā)明的各實施例中，在燃料電池I的輸出電壓值下降且燃料電池I的濕潤程度下降時，實施氧化劑氣體增量控制。顯然，本發(fā)明也適用于上述的燃料電池系統(tǒng)A的另一實施例。
[0098]本申請主張日本專利申請第2013-266968號的權(quán)利，并在此援引其公開的所有內(nèi)容。
[0099]符號說明
[0100]A、燃料電池系統(tǒng)；
[0101]1、燃料電池單元；
[0102]2、膜電極接合體；
[0103]2c、陰極；
[0104]2cl、導(dǎo)電性材料；
[0105]2c2、離子聚合物；
[0106]20、氧化劑氣體通道；
[0107]21、氧化劑氣體供給通道；
[0108]23、壓縮機；
[0109]41、電壓計；
[0110]42、電阻儀。
【主權(quán)項】
1.一種燃料電池系統(tǒng)，具備: 燃料電池單元，其具有膜電極接合體和氧化劑氣體通道，其中，所述膜電極接合體具備電解質(zhì)以及分別被配置于電解質(zhì)的兩側(cè)的陰極及陽極，所述氧化劑氣體通道向陰極供給氧化劑氣體； 氧化劑氣體供給通道，其被連結(jié)在氧化劑氣體通道的入口上； 氧化劑氣體供給器，其被配置于氧化劑氣體供給通道內(nèi)并用于向陰極輸送氧化劑氣體， 在所述燃料電池系統(tǒng)中， 所述陰極包含導(dǎo)電性材料、催化劑和用于覆蓋所述導(dǎo)電性材料及催化劑的離子聚合物，在燃料電池單元的輸出電壓值低于預(yù)先確定的閾值電壓值且燃料電池單元的電阻值高于預(yù)先確定的閾值電阻值時，所述燃料電池系統(tǒng)實施對氧化劑氣體供給器進行控制以使被輸送到燃料電池單元的氧化劑氣體量增大的氧化劑氣體增量控制。2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在氧化劑氣體增量控制過程中，在燃料電池單元的輸出電壓值變?yōu)榱烁哂陂撝惦妷褐禃r，停止氧化劑氣體增量控制。3.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在氧化劑氣體增量控制過程中，在燃料電池單元的電阻值變?yōu)榱烁哂陬A(yù)先確定的上限電阻值時，停止氧化劑氣體增量控制。4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述燃料電池系統(tǒng)具備對燃料電池單元的溫度進行控制的燃料電池溫度控制器，在由于燃料電池單元的電阻值變?yōu)榱烁哂谏舷揠娮柚刀寡趸瘎怏w增量控制被停止時，實施使燃料電池單元的溫度下降的燃料電池溫度下降控制。5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在燃料電池溫度下降控制過程中燃料電池單元的電阻值變?yōu)榱说陀陂撝惦娮柚禃r，停止燃料電池溫度下降控制。6.如權(quán)利要求1至5中的任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述燃料電池系統(tǒng)還具備: 陰極廢氣通道，其被連結(jié)在燃料電池單元的氧化劑氣體通道的出口上； 背壓控制閥，其被配置于陰極廢氣通道內(nèi)并對燃料電池單元的背壓進行控制， 在燃料電池單元的輸出電壓值低于預(yù)先確定的閾值電壓值且燃料電池單元的電阻值高于預(yù)先確定的閾值電阻值時，所述燃料電池系統(tǒng)實施所述氧化劑氣體增量控制，并且實施對背壓控制閥進行控制以使燃料電池單元的背壓上升的背壓上升控制。7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在實施所述氧化劑氣體增量控制以及所述背壓上升控制時，首先實施氧化劑氣體增量控制以使氧化劑氣體增大至預(yù)先確定的目標量并進行維持，接著實施背壓上升控制。8.如權(quán)利要求1至7中的任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在所述氧化劑氣體增量控制過程中，氧化劑氣體量被間歇性地增大。9.如權(quán)利要求1至8中的任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述燃料電池單元還具有向所述陽極供給燃料氣體的燃料氣體通道，所述燃料電池系統(tǒng)還具備:燃料氣體供給通道，其被連結(jié)在燃料氣體通道的入口上；陽極廢氣通道，其被連結(jié)在燃料氣體通道的出口上，陽極廢氣不會從陽極廢氣通道返回至燃料氣體供給通道而是在陽極廢氣通道內(nèi)流動。
【文檔編號】H01M8/04746GK105849957SQ201480060496
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年11月4日
【發(fā)明人】川原周也, 長谷川茂樹, 山上慶大
【申請人】豐田自動車株式會社