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)明涉及燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)在其停止發(fā)電時(shí)，會(huì)發(fā)生交叉泄漏(cross1eak)，即殘留在燃料電池內(nèi)的正極一側(cè)的氫氣透過電解質(zhì)膜而向負(fù)極一側(cè)移動(dòng)，并且負(fù)極一側(cè)的空氣中的氧氣和氮?dú)馔高^電解質(zhì)膜而向正極一側(cè)移動(dòng)。若發(fā)生交叉泄漏就會(huì)損壞電解質(zhì)膜，因此，為了防止所述交叉泄漏，例如在專利文獻(xiàn)1中公開了以下燃料電池停止方法當(dāng)停止發(fā)電時(shí)，使從燃料電池的負(fù)極排出的排出氣體再循環(huán)而將其供應(yīng)給負(fù)極，并通過排出氣體中的殘留的氧來繼續(xù)進(jìn)行發(fā)電，然后在發(fā)電電壓達(dá)到規(guī)定值以下時(shí)停止發(fā)電。
專利文獻(xiàn)1日本專利文獻(xiàn)特開2003-115317號(hào)公報(bào)。

發(fā)明內(nèi)容
然而，根據(jù)上述的公知技術(shù)，由于殘留氧的濃度逐漸降低，所以必須以一定的轉(zhuǎn)數(shù)驅(qū)動(dòng)用于使氧氣循環(huán)的壓縮機(jī)，因此不能稱之為燃耗(mileage)優(yōu)良的停止運(yùn)行方法。
另外，上述的公知技術(shù)涉及燃料電池系統(tǒng)的完全停止運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行方法，并不是用于抑制間歇運(yùn)行的停止發(fā)電期間的燃料電池的電解質(zhì)膜劣化的技術(shù)。該間歇運(yùn)行是指重復(fù)燃料電池的發(fā)電和停止發(fā)電的運(yùn)行模式。
根據(jù)申請(qǐng)人的經(jīng)驗(yàn)，在間歇運(yùn)行的停止發(fā)電期間，如果燃料電池的電解質(zhì)膜表面斷斷續(xù)續(xù)地產(chǎn)生缺氧狀態(tài)，則會(huì)觀測(cè)到燃料電池的耐久性下降的現(xiàn)象。如果在殘留有氫氣的狀態(tài)下氧化氣體的供應(yīng)量減少，則二者會(huì)在電解質(zhì)膜內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而造成電解質(zhì)膜受熱(反應(yīng)熱)而劣化。也就是說，通過如上述公知技術(shù)所公開那樣的燃料電池停止方法來消耗殘留氧的方法并不適于抑制間歇運(yùn)行的停止發(fā)電期間的電解質(zhì)膜劣化，在所述間歇運(yùn)行中頻繁地重復(fù)正常發(fā)電和停止發(fā)電。
因此，本發(fā)明是鑒于上述情況而作出的，其目的在于提供一種控制方法以及使用該控制方法的燃料電池系統(tǒng)，該控制方法能夠在抑制電解質(zhì)膜損壞和熱劣化的情況下使燃料電池系統(tǒng)停止發(fā)電，并且不使燃耗惡化。
為了解決上述問題，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池，在停止發(fā)電期間向該燃料電池供應(yīng)氧化氣體。
如上所述，在傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)中，如果不顧系統(tǒng)整體處于運(yùn)行當(dāng)中、因?yàn)檫M(jìn)入了停止發(fā)電期間而停止向燃料電池供應(yīng)氧化氣體的話，則電解質(zhì)膜可能會(huì)產(chǎn)生損壞或熱劣化。對(duì)此，根據(jù)本發(fā)明，即使燃料電池處于停止發(fā)電期間也供應(yīng)氧化氣體，因此能夠避免由于缺乏氧化氣體而引起以往的問題。
“燃料電池的停止發(fā)電期間”是指燃料電池系統(tǒng)處于運(yùn)行當(dāng)中、但停止燃料電池自身的發(fā)電的情況，例如可以例舉間歇運(yùn)行中的停止發(fā)電期間。但是，本發(fā)明不僅可以用于間歇運(yùn)行中，而且還可以作為因其他原因而引起的燃料電池的停止發(fā)電或燃料電池系統(tǒng)的完全停止運(yùn)行時(shí)的措施來應(yīng)用。
此外，優(yōu)選在燃料電池的停止發(fā)電期間斷續(xù)地向燃料電池供應(yīng)氧化氣體。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，通過不改變每單位時(shí)間的氧化氣體的供應(yīng)量、而是重復(fù)進(jìn)行有供給和無供給的運(yùn)行操作(供應(yīng)和不供應(yīng))，能夠在停止發(fā)電期間供應(yīng)適量的氧化氣體。
或者，還優(yōu)選在燃料電池的停止發(fā)電期間持續(xù)地向燃料電池供應(yīng)氧化氣體。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，例如如果改變氧化氣體的供應(yīng)量而連續(xù)地供應(yīng)氧化氣體的話，則能夠在停止發(fā)電期間供應(yīng)適量的氧化氣體。
另外，優(yōu)選將在停止發(fā)電期間向所述燃料電池供應(yīng)的所述氧化氣體供應(yīng)量設(shè)為防止燃料電池缺氧的最低供氧量以上。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，如果預(yù)先設(shè)定為不會(huì)發(fā)生缺氧的氧化氣體的供應(yīng)量，則由于在停止發(fā)電期間供應(yīng)該供應(yīng)量以上的氧化氣體，因此即使停止了發(fā)電自身也可以維持足以與殘留的燃料氣體繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)的氧化氣體量。由此，可以保護(hù)電解質(zhì)膜免受因缺氧而導(dǎo)致的損壞和熱劣化。
這里，優(yōu)選確保氧化氣體的供應(yīng)量以使氧化氣體流在燃料電池內(nèi)(例如隔板表面)均勻。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)一步防止局部產(chǎn)生缺氧狀態(tài)或發(fā)生熱劣化的情形。
而且，也可以將燃料電池的停止發(fā)電期間的氧化氣體的供應(yīng)量維持在與燃料電池的過干燥區(qū)域的下限對(duì)應(yīng)的供應(yīng)量以下。
此外，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池和向該燃料電池供應(yīng)氧化氣體的驅(qū)動(dòng)單元，該驅(qū)動(dòng)單元在燃料電池的停止發(fā)電期間從外部引入比該燃料電池的發(fā)電期間少的供應(yīng)量的氧化氣體。所述的結(jié)構(gòu)也不僅可以用于間歇運(yùn)行中，而且還可以作為因其他原因而引起的燃料電池的停止發(fā)電或燃料電池系統(tǒng)的完全停止運(yùn)行時(shí)的措施來應(yīng)用。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于在燃料電池的停止發(fā)電期間以少于發(fā)電期間的供應(yīng)量供應(yīng)氧化氣體，所以能夠盡量地抑制由驅(qū)動(dòng)單元消耗的電能。另一方面，由于以所述少的供應(yīng)量供應(yīng)的氧化氣體是從外部引入的，從而可以確保充足的氧氣濃度，因此還能夠抑制在燃料電池中產(chǎn)生變?yōu)槿毖鯛顟B(tài)的部分。
更具體來說，優(yōu)選將燃料電池的停止發(fā)電期間的氧化氣體的供應(yīng)量維持在使驅(qū)動(dòng)單元的消耗功率達(dá)到規(guī)定值以下的供應(yīng)量。
另外，當(dāng)燃料電池從發(fā)電期間轉(zhuǎn)為停止發(fā)電期間時(shí)，優(yōu)選逐漸減少向燃料電池供應(yīng)的氧化氣體的每單位時(shí)間的平均供應(yīng)量。
通常，在發(fā)電期間供應(yīng)充足的氧化氣體，因此在停止發(fā)電期間有發(fā)電期間供應(yīng)的氧化氣體會(huì)殘留下來的趨勢(shì)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于可以考慮殘留的氧化氣體的量而逐漸地減少氧化氣體的供應(yīng)量，所以能夠使燃料電池穩(wěn)定且快速地停止，而不會(huì)因急劇停止而產(chǎn)生局部的缺氧狀態(tài)。
此外，當(dāng)持續(xù)(連續(xù))地供應(yīng)氧化氣體時(shí)，優(yōu)選線性或漸近線性(一次曲線或漸近線)地減少向燃料電池供應(yīng)該氧化氣體的供應(yīng)量。
此時(shí)，作為逐漸減少氧化氣體的有效且具體的步驟，可以舉出進(jìn)行以不引起缺氧的間隔(時(shí)間間隔)來重復(fù)氧化氣體的供應(yīng)和不供應(yīng)的斷續(xù)供應(yīng)、并在將供應(yīng)期間的每單位時(shí)間的供應(yīng)量保持為恒定的情況下不斷地延長該時(shí)間間隔或者供應(yīng)期間的方法；在保持固定的時(shí)間間隔的情況下逐漸地減少斷續(xù)供應(yīng)的供應(yīng)期間中的每單位時(shí)間的氧化氣體的供應(yīng)量的方法；或者它們的混合方法(組合實(shí)施這些方法的方法)等。
換句話說，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)是每隔規(guī)定的時(shí)間間隔就以規(guī)定的期間、規(guī)定的每單位時(shí)間的供應(yīng)量向所述燃料電池供應(yīng)氧化氣體的系統(tǒng)，其中，可以逐漸地延長規(guī)定的時(shí)間間隔、或者逐漸地縮短規(guī)定的期間、或者逐漸地減少規(guī)定的每單位時(shí)間的供應(yīng)量，或者也可以通過將它們的一部分或全部組合起來而使氧化氣體的供應(yīng)量逐漸減少。
此外，根據(jù)另一個(gè)觀點(diǎn)，本發(fā)明提供的一種燃料電池系統(tǒng)的特征在于，在燃料電池的停止發(fā)電期間向燃料電池供應(yīng)氧化氣體。
此外，優(yōu)選在燃料電池的停止發(fā)電期間斷續(xù)地向燃料電池供應(yīng)所述氧化氣體。
此外，還優(yōu)選在燃料電池的停止發(fā)電期間持續(xù)地向燃料電池供應(yīng)氧化氣體。
另外，燃料電池的停止發(fā)電期間的氧化氣體的供應(yīng)量優(yōu)選在防止燃料電池缺氧的最低供氧量以上。
另外，本發(fā)明提供的一種具有供應(yīng)氧化氣體的驅(qū)動(dòng)單元的燃料電池系統(tǒng)的特征在于，在燃料電池的停止發(fā)電期間，通過驅(qū)動(dòng)單元從外部引入比燃料電池的發(fā)電期間少的供應(yīng)量的氧化氣體。
此外，當(dāng)燃料電池從發(fā)電期間轉(zhuǎn)為停止發(fā)電期間時(shí)，優(yōu)選逐漸地減少氧化氣體的每單位時(shí)間的平均供應(yīng)量。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，即使在燃料電池的停止發(fā)電期間也向燃料電池供應(yīng)氧化氣體，因此，能夠在抑制電解質(zhì)膜損壞或熱劣化的情況下使燃料電池停止發(fā)電，并且不使燃耗惡化。


圖1是示出本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的整體圖；圖2是示出第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)作(運(yùn)行方法的步驟)的一個(gè)例子的流程圖；圖3是示意性地示出燃料電池的空氣(氧化氣體)供應(yīng)量與因缺氧而引起的電解質(zhì)膜的耐久性之間的關(guān)系的圖；圖4是示意性地示出燃料電池的空氣(氧化氣體)供應(yīng)量與消耗功率之間的關(guān)系的圖；圖5是示意性地示出間歇運(yùn)行模式的發(fā)電期間與停止發(fā)電期間的電流密度變化的圖；圖6是示意性地示出間歇運(yùn)行模式的發(fā)電期間與停止發(fā)電期間的本發(fā)明的空氣供應(yīng)量的圖；圖7是示意性地示出第二實(shí)施方式的運(yùn)行方法中的停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)量控制的圖；圖8是示意性地示出第二實(shí)施方式的運(yùn)行方法(變形例)中的停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)量控制的圖；圖9是示意性地示出第三實(shí)施方式的運(yùn)行方法中的停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)量控制的圖；圖10是示意性地示出第三實(shí)施方式的運(yùn)行方法(第一變形例)中的停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)量控制的圖；圖11是示意性地示出第三實(shí)施方式的運(yùn)行方法(第二變形例)中的停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)量控制的圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參考附圖來說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。附圖的尺寸比例不限于圖示的比例。并且，各個(gè)實(shí)施方式僅僅是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，本發(fā)明可以不局限于此而廣泛地應(yīng)用。
(第一實(shí)施方式)第一實(shí)施方式適于用作安裝到移動(dòng)體上的燃料電池系統(tǒng)，所述移動(dòng)體諸如是電動(dòng)汽車等車輛、船舶、機(jī)器人、以及便攜式移動(dòng)終端等。在第一實(shí)施方式中應(yīng)用了本發(fā)明特有的停止發(fā)電控制(尤其是間歇運(yùn)行的停止發(fā)電期間的停止發(fā)電控制)。
圖1是示出該燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的整體圖。如圖1所示，該燃料電池系統(tǒng)包括燃料氣體系統(tǒng)10，用于向燃料電池堆1供應(yīng)作為燃料氣體的氫氣；氧化氣體系統(tǒng)20，用于供應(yīng)作為氧化氣體的空氣；冷卻系統(tǒng)30，用于冷卻燃料電池堆1；以及電力系統(tǒng)40。
燃料電池堆1具有層疊多個(gè)電池(cell)的堆結(jié)構(gòu)，該電池由隔板和夾在一對(duì)隔板之間的MEA(Membrane Electrode Assembly膜電極組)構(gòu)成，所述隔板具有氫氣、空氣以及冷卻液的流路。
MEA具有將高分子電解質(zhì)膜夾(夾持)在正極和負(fù)極這兩個(gè)電極之間的結(jié)構(gòu)。正極通過在多孔質(zhì)支撐層上設(shè)置正極用催化劑層而構(gòu)成，負(fù)極通過在多孔質(zhì)支撐層上設(shè)置負(fù)極用催化劑層而構(gòu)成。燃料電池用于引起水的電解的逆反應(yīng)，向正極(陰極)一側(cè)供應(yīng)作為燃料氣體的氫氣，向負(fù)極(陽極)一側(cè)供應(yīng)氧化氣體(空氣)。由此，在正極一側(cè)發(fā)生下述公式(1)表示的反應(yīng)，并且在負(fù)極一側(cè)發(fā)生公式(2)表示的反應(yīng)，從而使電子循環(huán)，并有電流流動(dòng)。
…(1)…(2)燃料氣體系統(tǒng)10包括作為氫氣供應(yīng)源的氫氣罐11、主閥SV1、調(diào)壓閥RG、燃料電池入口截止閥SV2，經(jīng)過了燃料電池堆1之后，還包括燃料電池出口截止閥SV3、氣液分離器12和截止閥SV4、氫泵13、以及止回閥RV。
在氫罐11中充填有高壓氫氣。氫供應(yīng)源除了高壓氫罐之外，還可以采用使用貯氫合金的氫罐、基于重整氣的氫供應(yīng)機(jī)構(gòu)、液體氫罐、液化燃料罐等各種供應(yīng)源。
主閥SV1控制氫氣的供應(yīng)。調(diào)壓閥RG調(diào)節(jié)下游的循環(huán)通路的壓力。燃料電池入口截止閥SV2和燃料電池出口截止閥SV3在燃料電池的停止發(fā)電時(shí)等被關(guān)閉。氣液分離器12在通常運(yùn)行時(shí)從氫排氣中除去由燃料電池堆1的電化學(xué)反應(yīng)生成的水分及其他雜質(zhì)，并通過截止閥SV4向外排出。氫泵13強(qiáng)制性地使循環(huán)通路中的氫氣循環(huán)。在止回閥RV的前面分支連接有排出通路，在排出通路上設(shè)有放氣閥SV5。
氧化氣體系統(tǒng)20包括空氣過濾器21、壓縮機(jī)22、以及加濕器23。空氣過濾器21將外部氣體凈化后將其引入到燃料電池系統(tǒng)中。壓縮機(jī)22(驅(qū)動(dòng)單元)以由控制部2指定的轉(zhuǎn)數(shù)來壓縮引入的外部氣體(作為氧化氣體的空氣)并將其供應(yīng)給燃料電池堆1。通過該壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)數(shù)控制來確定在間歇運(yùn)行的停止發(fā)電期間或在燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行完全停止時(shí)向燃料電池堆1供應(yīng)的的空氣的供應(yīng)量。加濕器23通過在被壓縮的空氣和空氣排氣之間進(jìn)行水分交換而給被壓縮的空氣施加適當(dāng)?shù)臐穸取?br> 通過圖中沒有示出的稀釋器將從燃料電池堆1排出的空氣排氣與從放氣閥SV5排出的氫排氣混合、稀釋，然后排出。
此外，冷卻系統(tǒng)30包括散熱器31、風(fēng)扇32以及冷卻水泵33，向燃料電池堆1內(nèi)部循環(huán)供應(yīng)冷卻液體。
另外，電力系統(tǒng)40包括蓄電池41、高壓變換器42、牽引逆變器43、牽引電動(dòng)機(jī)44、高壓輔機(jī)45、電流傳感器46、以及電壓傳感器47。
在燃料電池堆1中串聯(lián)或并聯(lián)連接了單電池，由此在正極A和負(fù)極C之間產(chǎn)生規(guī)定的高電壓(例如，約為500V)。高壓變換器42在電壓不同的燃料電池堆1和蓄電池41之間進(jìn)行電壓變換，從而將蓄電池41的電能用作燃料電池堆1的輔助電源，或者將來自燃料電池堆1的剩余電能充電到蓄電池41中。牽引逆變器43將直流電流變換為三相交流電流，并將其供應(yīng)給牽引電動(dòng)機(jī)44。例如在移動(dòng)體為車輛的情況下，牽引電動(dòng)機(jī)44產(chǎn)生使車輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。
作為高壓輔機(jī)45，可以舉出壓縮機(jī)22、氫泵13、風(fēng)扇32的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、冷卻水泵33等的電動(dòng)機(jī)類設(shè)備。電流傳感器46輸出與燃料電池堆1的發(fā)電電流對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)Sa，電壓傳感器47輸出與燃料電池堆1的端子電壓對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)Sv。
控制部2例如是在汽車的控制中所使用的公知的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其通過圖中未示出的CPU(中央處理器)依次執(zhí)行圖中未示出的ROM等所存儲(chǔ)的軟件程序，使燃料電池系統(tǒng)按照如圖2所示那樣的步驟工作。
該控制部2由多個(gè)微處理器構(gòu)成而非一個(gè)，并且由這些微處理器執(zhí)行各不相同的程序模塊而實(shí)現(xiàn)的各個(gè)功能通過協(xié)作來實(shí)現(xiàn)包括適于本發(fā)明的方法在內(nèi)的各種各樣的功能。
接著，對(duì)第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)作進(jìn)行說明。
本實(shí)施方式中的間歇運(yùn)行模式是提高輕載時(shí)的燃耗的運(yùn)行方法，是重復(fù)進(jìn)行一定期間的燃料電池的發(fā)電和一定期間的停止發(fā)電的運(yùn)行模式。本第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)中的運(yùn)行控制(停止控制)適用于該間歇運(yùn)行模式的停止發(fā)電期間。具體來說，在間歇運(yùn)行時(shí)的燃料電池堆1的停止發(fā)電期間，將空氣(氧化氣體)的供應(yīng)量維持在燃料電池堆1不會(huì)產(chǎn)生缺氧或熱劣化的最低供氧量以上。
這里，圖3示出了燃料電池的空氣供應(yīng)量與因缺氧而引起的電解質(zhì)膜的耐久性之間的關(guān)系。耐久性是相對(duì)表示MEA的高分子電解質(zhì)膜的受損程度的指標(biāo)，耐久性越低就越易于受損，壽命就越短，耐久性越高就越不容易受損，壽命就越高。
從圖3可知，如果氧量進(jìn)入低于規(guī)定的最低供氧量的缺氧區(qū)域，則高分子電解質(zhì)膜的耐久性就會(huì)出現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)。當(dāng)將能夠確保與該最低供氧量相當(dāng)?shù)难趿康目諝夤?yīng)量設(shè)為最低空氣供應(yīng)量Vmin時(shí)，如果向燃料電池供應(yīng)的空氣量在該最低空氣供應(yīng)量Vmin以上，則能夠維持燃料電池的耐久性。該最低空氣供應(yīng)量Vmin即為在本發(fā)明的燃料電池堆的停止發(fā)電期間中壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制區(qū)域中的空氣供應(yīng)量的下限值。
此外，在本實(shí)施方式中，不僅考慮高分子電解質(zhì)膜的耐久性，還考慮功率方面的要求來確定控制區(qū)域。即，將燃料電池堆1的停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)量維持在壓縮機(jī)22的消耗功率達(dá)到規(guī)定值以下的范圍內(nèi)的供應(yīng)量。
圖4示出了燃料電池的空氣供應(yīng)量和消耗功率的關(guān)系。隨著壓縮機(jī)22等驅(qū)動(dòng)單元的消耗功率上升，其轉(zhuǎn)數(shù)上升，從而可以輸出的空氣供應(yīng)量增大。雖然空氣供應(yīng)量會(huì)在某一程度內(nèi)幾乎與消耗功率相應(yīng)地增大，但消耗功率會(huì)隨著空氣供應(yīng)量的增大而逐漸達(dá)到頂點(diǎn)(趨于飽和)。
在燃料電池系統(tǒng)中，由公式(2)決定的必要氧量(公式(2)的反應(yīng)所需的氧量)根據(jù)對(duì)燃料電池要求的要求輸出功率值而變化，但如果空氣供應(yīng)量過多的話，從MEA的高分子電解質(zhì)膜表面被帶走的水分量就會(huì)變得過多，從而導(dǎo)致發(fā)電效率下降。這樣的區(qū)域就是該圖中示出的過干燥區(qū)域。在燃料電池堆1的發(fā)電期間，控制壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)數(shù)，以使空氣供應(yīng)量達(dá)到作為該過干燥區(qū)域的下限的最大空氣供應(yīng)量Vmax以下。
在空氣供應(yīng)量較少的區(qū)域，轉(zhuǎn)數(shù)越大、另外空氣供應(yīng)量越多，壓縮機(jī)22的消耗功率就越發(fā)增大。為了抑制消耗功率，優(yōu)選在可以確保所需空氣供應(yīng)量的范圍內(nèi)將壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)數(shù)盡量抑制得較低。因此，在超過上述最低空氣供應(yīng)量Vmin的范圍內(nèi)，將燃料電池堆1的停止發(fā)電期間的消耗功率上限值Plim確定為在控制上不會(huì)產(chǎn)生故障的值，并且將以該消耗功率驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)22時(shí)的空氣供應(yīng)量設(shè)為消耗功率抑制空氣供應(yīng)上限值Vlim。將該值作為停止發(fā)電期間的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制區(qū)域的上限值。
此外，在本實(shí)施方式中，設(shè)定能夠維持燃料電池堆1的各個(gè)單電池中的均勻的氧(氧化氣體)供應(yīng)的供應(yīng)量。即，當(dāng)在圖3所示的控制區(qū)域中驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)22時(shí)，與發(fā)電期間相比空氣的供應(yīng)量相對(duì)減少，因此流入包圍著MEA的隔板中的空氣的量也減少。
然而，在隔板中，用于確?？諝馀c電解質(zhì)膜的接觸面積并確保通過時(shí)間的通路被設(shè)置成復(fù)雜的形狀。這樣的通路形狀成為流經(jīng)隔板表面的空氣的阻力，因此盡管對(duì)于燃料電池整體來說空氣是流動(dòng)的，但仍有可能局部地產(chǎn)生由于空氣滯留而成為缺氧狀態(tài)的部分。
因此，在本實(shí)施方式中，作為燃料電池特有的下限值，將空氣會(huì)流經(jīng)單電池的大致所有部分、從而不會(huì)產(chǎn)生缺氧狀態(tài)的空氣供應(yīng)量設(shè)定為均勻空氣供應(yīng)量下限值。該均勻空氣供應(yīng)量下限值受單電池的隔板形狀的影響，因此通過實(shí)驗(yàn)等并根據(jù)隔板形狀而設(shè)定。如果該均勻空氣供應(yīng)最下限值大于上述用于防止缺氧的最低空氣供應(yīng)量Vmin，則將該均勻空氣供應(yīng)量下限值設(shè)定為停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)的控制區(qū)域的下限值。
在由上述用于防止高分子電解質(zhì)膜的缺氧狀態(tài)的最低空氣供應(yīng)量(最低供氧量)、用于抑制消耗功率的消耗功率抑制空氣供應(yīng)上限值、以及用于防止局部缺氧的均勻空氣供應(yīng)量下限值(最低供氧量)確定的空氣供應(yīng)的控制區(qū)域中驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)22。
例如在堆疊四百個(gè)單電池的燃料電池堆1中，該限制區(qū)域的空氣供應(yīng)量的范圍如下總量為20～50NL/min，對(duì)應(yīng)每個(gè)電池的量為0.05～0.125NL/min。
在圖2中示出了作為本第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)作(運(yùn)行方法的步驟)的一個(gè)例子的、在該空氣供應(yīng)的限制區(qū)域中驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)22時(shí)的流程圖。當(dāng)運(yùn)行本燃料電池系統(tǒng)時(shí)，定期或不定期地執(zhí)行該流程圖中示出的處理程序。只要可以達(dá)到本發(fā)明的目的，本流程圖中的各個(gè)處理項(xiàng)目也可以前后顛倒其順序。
在圖2中，在燃料電池的間歇運(yùn)行模式(間隙運(yùn)行狀態(tài))中，如果處于燃料電池堆1的發(fā)電期間(S1“否”)，控制部2以以下轉(zhuǎn)數(shù)來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)22(S10)，該轉(zhuǎn)數(shù)是通過基于對(duì)燃料電池的要求輸出功率的運(yùn)算而確定的。
當(dāng)進(jìn)入到間歇運(yùn)行的停止發(fā)電期間時(shí)(S1“是”)，控制部2以進(jìn)入如圖3所示的控制區(qū)域那樣的、預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)數(shù)來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)22(S2)。作為所述設(shè)定的轉(zhuǎn)數(shù)，例如可以例舉出預(yù)計(jì)可達(dá)到與控制區(qū)域的中心附近對(duì)應(yīng)的空氣供應(yīng)量的轉(zhuǎn)數(shù)。
然后，為了將停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)量維持在控制區(qū)域的范圍內(nèi)，控制部2進(jìn)行以下控制。
即，控制部2諸如參照壓力傳感器ps的檢測(cè)信號(hào)來測(cè)定空氣的供應(yīng)量，并檢查該空氣供應(yīng)量是否在控制區(qū)域的下限值Vmin(如上所述，最低空氣供應(yīng)量或者均勻空氣供應(yīng)下限值)以下(S3)。當(dāng)空氣供應(yīng)量在下限值Vmin以下時(shí)(S3“是”)，由于可以認(rèn)為進(jìn)入了燃料電池為局部缺氧狀態(tài)的缺氧區(qū)域(圖3)，所以控制部2輸出少許提高壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)數(shù)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(S4)。
另一方面，當(dāng)空氣供應(yīng)量達(dá)到控制區(qū)域的上限值Vlim以上時(shí)(S5“是”)，壓縮機(jī)22的消耗功率過大，因此控制部2輸出少許降低壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)數(shù)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(S6)。
另外，有時(shí)在燃料電池系統(tǒng)的完全停止運(yùn)行時(shí)也執(zhí)行所述停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)處理。在此情況下，停止供應(yīng)作為燃料氣體的氫氣，因此燃料電池的發(fā)電功率不斷下降。當(dāng)完全停止運(yùn)行時(shí)，只要高分子電解質(zhì)膜不發(fā)生劣化，就不需要供應(yīng)空氣。
因此，當(dāng)通過電流傳感器46和電壓傳感器47而掌握的發(fā)電功率在規(guī)定值Pmin以下時(shí)(S8“是”)，控制部2判斷為由于殘留氫氣已被消耗而不會(huì)出現(xiàn)在MEA的高分子電解質(zhì)膜表面產(chǎn)生的缺氧以及氫氣從正極一側(cè)滲透到負(fù)極一側(cè)而產(chǎn)生的熱劣化，因此使壓縮機(jī)22停止驅(qū)動(dòng)(S9)。
在圖5中示出了各個(gè)燃料電池的單電池的電流密度與該第一實(shí)施方式的間歇?jiǎng)幼?間歇運(yùn)行)模式相對(duì)應(yīng)地發(fā)生變化的情況。另外，在圖6中示出了燃料電池堆1的空氣供應(yīng)量與該間歇模式相對(duì)應(yīng)地發(fā)生變化的情況。
在間歇運(yùn)行模式中，以規(guī)定的時(shí)間間隔交替實(shí)施燃料電池堆1的發(fā)電期間和停止發(fā)電期間。在發(fā)電期間，由于系統(tǒng)整體均消耗電能，因此在各個(gè)單電池中也有圖5所示的電流流動(dòng)，如圖6所示維持與此相應(yīng)而確定的空氣供應(yīng)量。
另一方面，在燃料電池堆1的停止發(fā)電期間，由于沒有電能消耗，所以如圖5所示實(shí)際上沒有電流流動(dòng)。但是，即便在停止發(fā)電期間空氣的供應(yīng)量也被維持在控制區(qū)域內(nèi)，例如維持平均空氣供應(yīng)量Vp。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)量實(shí)際上為零，因此，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)在這一點(diǎn)上與傳統(tǒng)的系統(tǒng)大有不同。
在本實(shí)施方式中，在燃料電池堆1的停止發(fā)電期間進(jìn)行空氣供應(yīng)，但圖2的流程圖所示的運(yùn)行步驟也可以直接用作完全停止燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)的防止電解質(zhì)膜劣化的對(duì)策。
以上，根據(jù)本第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)，即使在燃料電池的停止發(fā)電期間也繼續(xù)供應(yīng)如下程度的空氣量，該程度可以抑制MEA的高分子電解質(zhì)膜表面由于缺氧而受損、以及由于殘留的氫氣而進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)所導(dǎo)致的熱劣化，因此，可以保護(hù)燃料電池免受因缺氧和熱劣化而導(dǎo)致的損壞，從而可以提高耐久性和可靠性。
此外，由于將盡量抑制壓縮機(jī)22的消耗功率的空氣供應(yīng)量作為上限，所以能夠在抑制高分子電解質(zhì)膜的缺氧和熱劣化的范圍內(nèi)盡可能地抑制消耗功率。
而且，由于將氧的供應(yīng)量確保在隔板表面的空氣流均勻的范圍內(nèi)，因此能夠防止局部產(chǎn)生缺氧狀態(tài)。
另外，由于從外部導(dǎo)入供應(yīng)給燃料電池堆1的空氣，所以可以提供氧濃度較高的空氣，從而還能夠抑制在燃料電池中產(chǎn)生局部缺氧的情況。
(第二實(shí)施方式)在上述第一實(shí)施方式中，當(dāng)燃料電池從發(fā)電期間進(jìn)入停止發(fā)電期間時(shí)，使發(fā)電期間的空氣供應(yīng)量急劇向被限制的空氣供應(yīng)量變化，但在小第二實(shí)施方式中，使空氣供應(yīng)量逐漸變化。作為在本實(shí)施方式中使用的燃料電池系統(tǒng)，可以例舉出與在第一實(shí)施方式中使用的系統(tǒng)具有相同結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)、即圖1所示的燃料電池系統(tǒng)。
在圖7中示出了從本第二實(shí)施方式的燃料電池的發(fā)電期間至停止運(yùn)行期間的空氣供應(yīng)量的控制特性。該圖放大示出了圖6所示的發(fā)電期間和停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)量的變化。
在圖7中，到時(shí)刻t0為止為發(fā)電期間，從時(shí)刻t0開始進(jìn)入停止發(fā)電期間。控制部2控制壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)數(shù)，以使空氣供應(yīng)量從發(fā)電期間結(jié)束時(shí)(時(shí)刻t0)開始線性地減少。然后，在時(shí)刻t1，控制量(空氣供應(yīng)量)變?yōu)樵谏鲜龅谝粚?shí)施方式中說明的平均空氣供應(yīng)量Vp，進(jìn)而按照?qǐng)D2的流程圖所示的步驟使此后的空氣供應(yīng)量穩(wěn)定。
當(dāng)使空氣供應(yīng)量急劇變動(dòng)時(shí)，會(huì)由于供應(yīng)量的變動(dòng)而導(dǎo)致氣流紊亂，因此根據(jù)情況有可能會(huì)產(chǎn)生局部的缺氧狀態(tài)。對(duì)此，在本第二實(shí)施方式中，由于進(jìn)行控制以使空氣供應(yīng)量逐漸變化，所以能夠使即將進(jìn)入燃料電池的停止發(fā)電期間之前的殘留氧量逐漸地變化，由此使局部的缺氧狀態(tài)難以產(chǎn)生。
當(dāng)然也可以如圖8所示，使空氣供應(yīng)量漸近線性(多次曲線)地變化，以代替線性(一次曲線)變化。
(第三實(shí)施方式)在上述第一實(shí)施方式中，使燃料電池處于停止發(fā)電期間的受限制的空氣供應(yīng)量恒定，在本第三實(shí)施方式中說明使空氣供應(yīng)量斷續(xù)地變化的例子。作為在該實(shí)施方式中使用的燃料電池系統(tǒng)，也可以例舉出與在第一實(shí)施方式中使用的系統(tǒng)具有相同結(jié)構(gòu)燃料電池系統(tǒng)、即圖1所示的燃料電池系統(tǒng)。
在圖9中示出了本第三實(shí)施方式中的從燃料電池的發(fā)電期間至停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)量的控制特性。該圖放大示出了圖6所示的發(fā)電期間和停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)量的變化。
如圖9所示，從發(fā)電期間結(jié)束時(shí)(時(shí)刻t0)開始每隔固定的時(shí)間間隔T就以固定的期間t持續(xù)地供應(yīng)相同量的空氣。這些斷斷續(xù)續(xù)的空氣供應(yīng)的平均值為圖6所示的Vp。時(shí)間間隔T被設(shè)定為以下期間即便完全不供應(yīng)空氣，也會(huì)由于燃料電池中的殘留氧而不發(fā)生缺氧?？刂撇?進(jìn)行控制，使得從發(fā)電期間結(jié)束時(shí)(時(shí)刻t0)開始每隔時(shí)間間隔T就在期間t內(nèi)以相同的轉(zhuǎn)數(shù)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)22。
根據(jù)壓縮機(jī)的情況，有時(shí)難以以控制區(qū)域中的受抑制的空氣供應(yīng)量來穩(wěn)定地供應(yīng)空氣。例如，最低驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)數(shù)高到某一程度這樣的情況。在該情況下，根據(jù)本第三實(shí)施方式，能夠通過斷續(xù)地驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)而將平均空氣供應(yīng)量控制為微小的量。
代替使斷續(xù)運(yùn)行的轉(zhuǎn)數(shù)在停止發(fā)電期間保持恒定的情形，也可以如圖10所示那樣，每隔驅(qū)動(dòng)的時(shí)間間隔T就改變轉(zhuǎn)數(shù)，并由此來改變每隔時(shí)間間隔T的各個(gè)期間t內(nèi)的空氣供應(yīng)量。此外，如圖11所示，也可以改變壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)期間T1～T5，并由此來改變每隔時(shí)間間隔T的各個(gè)期間T1～T5內(nèi)的空氣供應(yīng)量。此外，也可以改變轉(zhuǎn)數(shù)和壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)期間這兩者。不管在哪一種情況下，平均空氣供應(yīng)量實(shí)際上均為第二實(shí)施方式所示那樣的漸近線(多次曲線)形狀。
(其他實(shí)施方式)本發(fā)明不限于上述各個(gè)實(shí)施方式，只要不改變其宗旨就可以在進(jìn)行各種變更后來應(yīng)用。例如，可以考慮各種將燃料電池的停止發(fā)電期間的空氣供應(yīng)量維持在上述限制區(qū)域內(nèi)的控制方法，為此也可以適當(dāng)?shù)馗淖儜?yīng)檢測(cè)的物理量。此外，壓縮機(jī)22的控制定時(shí)及控制量也不限定于上述各個(gè)實(shí)施方式中的例子。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)即使在燃料電池的停止發(fā)電期間也向燃料電池供應(yīng)氧化氣體，由此能夠在抑制電解質(zhì)膜的損壞和熱劣化的情況下使燃料電池系統(tǒng)停止發(fā)電，并且不使燃耗惡化，因此能夠廣泛地應(yīng)用于具備燃料電池的移動(dòng)體等機(jī)器、電動(dòng)機(jī)、設(shè)備等中。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池，在停止發(fā)電期間向所述燃料電池供應(yīng)氧化氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，在所述停止發(fā)電期間斷續(xù)地向所述燃料電池供應(yīng)所述氧化氣體。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，在所述停止發(fā)電期間持續(xù)地向所述燃料電池供應(yīng)所述氧化氣體。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，將在所述停止發(fā)電期間向所述燃料電池供應(yīng)的所述氧化氣體的供應(yīng)量設(shè)為防止該燃料電池缺氧的最低供氧量以上。
5.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池和向該燃料電池供應(yīng)氧化氣體的驅(qū)動(dòng)單元，所述驅(qū)動(dòng)單元在所述燃料電池的停止發(fā)電期間從外部引入比該燃料電池的發(fā)電期間的供應(yīng)量少的氧化氣體。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，當(dāng)所述燃料電池從發(fā)電期間轉(zhuǎn)為停止發(fā)電期間時(shí)，逐漸減少向所述燃料電池供應(yīng)的所述氧化氣體的每單位時(shí)間的平均供應(yīng)量。
7.如權(quán)利要求5或6所述的燃料電池系統(tǒng)，將所述燃料電池的停止發(fā)電期間的所述氧化氣體的供應(yīng)量維持在使所述驅(qū)動(dòng)單元的消耗功率達(dá)到規(guī)定值以下的供應(yīng)量。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，將所述燃料電池的停止發(fā)電期間的所述氧化氣體的供應(yīng)量維持在與該燃料電池的過干燥區(qū)域的下限對(duì)應(yīng)的供應(yīng)量以下。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池由多個(gè)電池構(gòu)成，所述氧化氣體為空氣，將所述燃料電池的停止發(fā)電期間的所述空氣的供應(yīng)量設(shè)為對(duì)應(yīng)每單個(gè)電池為0.05～0.125NL/min。
10.如權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，向所述燃料電池供應(yīng)的所述氧化氣體的供應(yīng)量線性或漸近線性地減少。
11.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，每隔規(guī)定的時(shí)間間隔就以規(guī)定的期間、規(guī)定的每單位時(shí)間的供應(yīng)量向所述燃料電池供應(yīng)所述氧化氣體，逐漸地延長所述規(guī)定的時(shí)間間隔。
12.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，每隔規(guī)定的時(shí)間間隔就以規(guī)定的期間、規(guī)定的每單位時(shí)間的供應(yīng)量向所述燃料電池供應(yīng)所述氧化氣體，逐漸地縮短所述規(guī)定的期間。
13.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，每隔規(guī)定的時(shí)間間隔就以規(guī)定的期間、規(guī)定的每單位時(shí)間的供應(yīng)量向所述燃料電池供應(yīng)所述氧化氣體，逐漸地減少所述規(guī)定的每單位時(shí)間的供應(yīng)量。
14.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，所述停止發(fā)電期間是所述燃料電池系統(tǒng)處于運(yùn)行當(dāng)中、但停止了所述燃料電池的發(fā)電的期間。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，所述停止發(fā)電期間是所述燃料電池的間歇運(yùn)行中的停止發(fā)電期間。
全文摘要
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)在燃料電池的停止發(fā)電期間向燃料電池供應(yīng)氧化氣體。由此，即使發(fā)電自身停止也維持足以與殘留的燃料氣體繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)的氧化氣體量，因此可以保護(hù)電解質(zhì)膜免受因缺氧而導(dǎo)致的損壞。此外，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)不僅可以用于間歇運(yùn)行中，而且還可以作為因其他原因而引起的燃料電池的停止發(fā)電或燃料電池系統(tǒng)的完全停止運(yùn)行時(shí)的措施來應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1950966SQ200580013908
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月12日
發(fā)明者柴田和則, 近藤政彰 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社