專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和用于調(diào)節(jié)聚合物電解質(zhì)膜內(nèi)含水量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及設(shè)置有聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的燃料電池系統(tǒng)、和用 于調(diào)節(jié)所述燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜內(nèi)水含量的方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中電解質(zhì)膜的含水量降低時，電解質(zhì)膜 的質(zhì)子電導(dǎo)率也降低，并且由于質(zhì)子電導(dǎo)率降低，膜電阻增加。結(jié)果， 輸出電壓降低，由此降低電池性能。為了最小化這類問題，例如日本專
利申請公開2002-175821 ( JP-A-2002-175821)提出 一種進(jìn)行控制以進(jìn)一 步增加陰極側(cè)的氣體壓力的結(jié)構(gòu)，作為在電解質(zhì)膜的含水量低時的對 策。
在燃料電池中，因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)而在陰極產(chǎn)生水，因此從燃料電池 向外部排放的幾乎所有含水量都作為水蒸汽與陰極廢氣一起排放。如果 陰極側(cè)的氣體壓力如上所述增加，則水傾向于以液態(tài)水而非水蒸汽的形 式存在于陰極側(cè)流路中，因此能夠抑制作為水蒸汽與陰極廢氣一起排放 的量。此外，當(dāng)增加陰極側(cè)的氣體壓力時，在陰極側(cè)的氣體流路的出口 部分處設(shè)置用于調(diào)節(jié)陰極側(cè)的氣體壓力的背壓閥。當(dāng)在關(guān)閉方向控制該 背壓岡以使閥的打開量減小時，物理上抑制了從燃料電池排放的水蒸汽 的量，這減小了電解質(zhì)膜變干的機(jī)率。而且，相對于陽極側(cè)增加陰極側(cè)
而最終增加電解質(zhì)膜中的含水量。 U ' 一
然而，通常通過利用泵等供給壓縮空氣將氣體供給到陰極側(cè)。因此， 增加陰極側(cè)的氣體壓力導(dǎo)致泵等的功率消耗變大，也就是說，導(dǎo)致更大 的來自輔助裝置的損失。因此，來自輔助裝置的損失以該方式增加時， 包括燃料電池的整個系統(tǒng)的能量效率降低。

發(fā)明內(nèi)容
因此，發(fā)明用于抑制因電解質(zhì)膜中的含水量減少而引起的燃料電池性能降低，并且不導(dǎo)致否則會因來自輔助裝置的損失增加而引起的能量
本發(fā)明的第一方面涉及設(shè)置有具有聚合物電解質(zhì)膜的燃料電池的 燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括確定聚合物電解質(zhì)膜中的含水量是 否低的確定部，和陽極氣體壓力調(diào)節(jié)部，當(dāng)確定含所述水量是低的時， 所述陽極氣體壓力調(diào)節(jié)部將所述燃料電池陽極側(cè)的氣體壓力設(shè)定為比 在所述含水量不低時的穩(wěn)定運(yùn)行期間所述陽極側(cè)的氣體壓力設(shè)定值低。
根據(jù)如上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)，當(dāng)確定電解質(zhì)膜中的所述含水量是 低的時，降低陽極壓力，使得所述電解質(zhì)膜因陽極側(cè)和陰極側(cè)之間的壓 差而補(bǔ)充來自所述陰極的水分。結(jié)果，所述電解質(zhì)膜的電阻值降低，因 此可以抑制由所述電解質(zhì)膜中的低含水量而引起的輸出電壓降低。因 此，可以抑制燃料電池的性能降低，即使所述電解質(zhì)膜中的含水量降低 也是如此。而且，可以降低陽極壓力而不增加能量消耗，因此可以在不 降低能量效率的條件下抑制因所述電解質(zhì)膜中的含水量低而引起的電 池性能降低。
當(dāng)確定所述含水量是低的時，所述陽極氣體壓力調(diào)節(jié)部可以將所述 陽極側(cè)的氣體壓力設(shè)定為低于所述穩(wěn)定運(yùn)行期間的所述設(shè)定值，但是在 能夠產(chǎn)生根據(jù)所述燃料電池的負(fù)荷需求的電力的范圍內(nèi)。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，在可以產(chǎn)生根據(jù)負(fù)荷需求的電力的同時可以抑制電 池性能降低，即使電解質(zhì)膜中的含水量降低也是如此。
此外，燃料電池系統(tǒng)還可以包括將氫氣供給到所述燃料電池的陽極的
氫氣供給通道；和將從所述燃料電池的陽極排放的氣體引導(dǎo)至所述氫氣供 給通道的陽M氣通道。此外，所述氫氣供給通道的一部分和所述陽極廢 氣通道可以形成使氫在所述燃料電池內(nèi)的部分之間再循環(huán)的再循環(huán)流路，
述陽極側(cè)的氣體壓力。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，在使用氫氣作為燃料氣體的燃料電池系統(tǒng)中，可以在 有效利用氫氣的同時抑制所述電解質(zhì)膜中含水量低時電池性能的降低。
這種燃料電池系統(tǒng)還可以包括設(shè)置在所述氫氣供給通道中所述再循環(huán)流路上游的噴射器，所述噴射器具有排放口和閥，氫氣通過所述排放口排 放到所述再循環(huán)流路側(cè)，所述閥選擇性打開和關(guān)閉所述排放口。此外，所 述陽極氣體壓力調(diào)節(jié)部可以通過利用所述閥調(diào)節(jié)所述排放口的打開/關(guān) 閉狀態(tài)設(shè)定所述陽極側(cè)的氣體壓力。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，通過利用所述閥調(diào)節(jié)所述排放口的打開/關(guān)閉狀態(tài)可 以將陽極側(cè)的氣體壓力容易地調(diào)節(jié)至期望的壓力。
本發(fā)明還可以通過除上述那些方式以外的各種方式實(shí)現(xiàn)。例如，本 發(fā)明可以通過例如用于控制所述聚合物電解質(zhì)燃料電池的聚合物電解 質(zhì)膜的含水量的方法的方式實(shí)現(xiàn)。


參考附圖，從以下示例性實(shí)施方案的描述中，本發(fā)明的前述和其它 目的、特征和優(yōu)點(diǎn)會變得明顯，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記用于代表相
同的要素/元件，其中
圖l是顯示燃料電池系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)的框圖2是顯示陽極壓力和噴射器操作之間的關(guān)系的圖3是顯示研究陽極壓力和電池電阻之間的關(guān)系之后獲得的結(jié)果的
圖4是示出低的膜含水量程序的流程圖5是顯示輸出電流與輸出電壓特性(輸出特性)的一個實(shí)例的和
圖6是顯示減壓閥的一般結(jié)構(gòu)的框形式的截面視圖。
具體實(shí)施例方式
接下來，將按以下順序描述本發(fā)明的示例實(shí)施方案。A.設(shè)備的整 體結(jié)構(gòu)；B.陽極壓力和膜電阻之間的關(guān)系；C.低的膜含水量控制；和 D.修改的實(shí)施例。
A.設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)
5圖1是顯示作為本發(fā)明一個示例實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)10的一 般結(jié)構(gòu)的框圖。燃料電池系統(tǒng)IO包括作為發(fā)電的主體的燃料電池22、 儲存待供給到燃料電池22的氫的氫罐23、和用于向燃料電池22供給壓 縮空氣的空氣壓縮機(jī)24。燃料電池22是具有多個單電池堆疊在一起的 堆疊結(jié)構(gòu)的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池。
氫罐23是例如儲存高壓氫的氫氣瓶。作為替代方案，可以使用吸 氫合金罐，該吸氫合金罐通過將氫吸附在設(shè)置于罐內(nèi)部的吸氫合金中儲 存氫。將儲存在氫罐23中的氫氣釋放到連接至氫罐23的氫供給通道60 中，此后通過壓力調(diào)節(jié)閥61將氬氣調(diào)節(jié)至預(yù)定壓力(即，壓力降低)， 然后作為燃料氣體經(jīng)過噴射器62供給到構(gòu)成燃料電池22的每個單電池 的陽極。順便提及，壓力調(diào)節(jié)閥61在圖1中顯示為單岡。然而，可以 設(shè)置根據(jù)需要的多個壓力調(diào)節(jié)閥，使得從氫罐23以降低的壓力供給的 氫氣的壓力降低至期望的壓力并供給到噴射器62。
噴射器62是設(shè)置有排放口和打開與關(guān)閉所述排放口的岡例如電磁閥 的裝置。當(dāng)閥打開時，噴射器62根據(jù)施加在噴射器62之前和之后的壓差 由排放口噴射氫氣。因此，可以根據(jù)設(shè)置在噴射器62中的閥打開的持續(xù)時 間調(diào)節(jié)供給到陽極側(cè)的氫氣的量。更具體地，可以通過調(diào)節(jié)噴射器62以恒 定周期接收的驅(qū)動信號的脈沖寬度，即通過調(diào)節(jié)閥打開和關(guān)閉時的占空系 數(shù)調(diào)節(jié)所噴射的氫氣的量，即供給到陽極的氫氣的量。
置噴射器:2的位置下游的位置處再次流入氫供給通道60中。以該方式， 使陽極廢氣的中任意殘余氫在由氳供給通道60的一部分、陽極廢氣通道 63和燃料電池22內(nèi)的流路形成的流順在下文中，所形成的流路將稱為"再 循環(huán)流路，，)中再循環(huán)，并且再次提供用于電化學(xué)反應(yīng)。此時，將與電化學(xué) 反應(yīng)消耗的量相當(dāng)?shù)牧康臍鍙臍涔?3經(jīng)噴射器62加入到再循環(huán)流路中。 也就是說，根據(jù)所消耗的氫的量(即才艮據(jù)所產(chǎn)生的電量或負(fù)荷需求)調(diào)節(jié) 噴射器62的占空系數(shù)。此外，基于再循環(huán)it^內(nèi)的氣體壓力(在下文中稱 為"陽M力")反饋控制噴射器62的占空系數(shù)。陽M力保持在預(yù)定的基 本恒定的值。在該示例實(shí)施方案中，檢測陽極壓力的陽極壓力傳感器50 設(shè)置在形成再循環(huán)流路的一部分的氳供給通道60中。此外，氫泵65設(shè)置 在陽極廢氣通道63中以使陽極廢氣在再循環(huán)流路中再循環(huán)。
圖2是顯示陽極壓力和噴射器62操作之間的關(guān)系的圖。例如，通過改變打開和關(guān)閉閥的驅(qū)動信號的恒定頻率f下的脈沖寬度控制噴射器62的閥 的打開和關(guān)閉。如圖2所示，陽極壓力在閥處于打開排放口的位置時增加， 在閥處于關(guān)閉排放口的位置時因再循環(huán)流路中的氫枕義電消耗而降低。因 此，打開和關(guān)閉閥使陽極壓力在圖2所示的Ap的壓差范圍內(nèi)脈動。陽極 壓力在通過控制噴射器62的占空系數(shù)而每次輕微地脈動的同時IH^上可 以保持在期望的壓力下。
當(dāng)燃料電池22穩(wěn)定運(yùn)行時，將該示例實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)10的 陽極壓力設(shè)定為即使燃料電池22上的負(fù)荷需求波動使得消耗最大量的氫 時也可以確?？梢怨┙o足量氳的值，并且考慮到與陰極側(cè)的氣體壓力的平 衡。此處，當(dāng)燃料電池22穩(wěn)定運(yùn)行時，燃料電池22的溫JLA夠高，電解 質(zhì)膜中的含水量足夠，并且可以通過燃料電池22產(chǎn)生負(fù)荷需求所必需的電 力而沒有任何問題。
而且，在陽M氣通道63中設(shè)置氣液分離器27。隨著電化學(xué)反應(yīng)的 進(jìn)行，在陰極處產(chǎn)生水。該水的一部分經(jīng)過燃料電池22的電解質(zhì)膜移動到 陽極側(cè)并且在燃料氣體中蒸發(fā)。氣液分離器27是冷凝陽極廢氣中的水蒸汽 并由此將它從陽M氣中除去的設(shè)備。
閥27a設(shè)置在氣液分離器27中。通過打開該閥27a，將氣液分離器27 中的冷凝水經(jīng)過連接至閥27a的廢氣排放通道64排放到外部。順便提及， 當(dāng)閥27a打開時，流過陽M氣通道63的一些陽M氣還排放到外部。以 該方式，在預(yù)定時刻打開閥27a導(dǎo)致再循環(huán)的一些含氫氣體排放到外部， 由此抑制了含氫氣體中雜質(zhì)濃度(即穿過電解質(zhì)膜移動至陽極側(cè)的作為氧 化性氣體的空氣中的氮等的濃度)的增加。
此處，廢氣排放通道64連接至稀釋罐26，稀##26是具有大于廢氣 排放通道64的橫截面積的容器。設(shè)置稀g 26以在陽M氣排放到外部 之前用陰M氣稀釋陽極廢氣中的氫。
空氣壓縮機(jī)24壓縮經(jīng)過空氣濾清器28從外部^UV的空氣，并且將該 壓縮空氣作為氧化性氣體經(jīng)過氧化性氣體供給通道67供給到燃料電池22 的陰極。從陰極排放的陰M氣通過陰M氣通道68引導(dǎo)以排放至外部。 此處，氧化性氣體供給通道67和陰極廢氣通道68均穿過加濕模塊25。在 加濕模塊中，氧化性氣體供給通道67和陰M氣通道68通過水蒸汽可透 過的膜隔開，并且利用含水蒸汽的陰極廢氣對供給到陰極的壓縮空氣加濕。此外，陰極廢氣通道68在將陰極廢氣導(dǎo)至外部之前穿過上述的稀, 26。在稀釋罐26中，陰極廢氣與通過廢氣排放通道64流入的陽極廢氣混 合，將其稀釋，然后排放到外部。
燃料電池22的內(nèi)部還設(shè)置有制冷劑流路(未圖示)，制冷劑在該制冷 劑it^中循環(huán)。燃料電池22的內(nèi)部溫度能夠通過使制冷劑在燃料電池22 中形成的制冷劑流路和散熱器(未顯示)之間循環(huán)而保持在預(yù)定的溫度范 圍內(nèi)。此處，在制冷劑流路從燃料電池22中出來的部分附近設(shè)置檢測制冷 劑出口處的制冷劑溫度(在下文中稱為制冷劑出口溫度)的溫度傳感器52。 該溫度傳感器作為用于檢測燃料電池22內(nèi)部溫度的溫度傳感器。順便提 及，替代地可以設(shè)置除了檢測制冷劑出口溫度的傳感器以外的傳感器以檢 測燃料電池的內(nèi)部溫度，例如直接檢測燃料電池22的溫度的熱電偶。此外， 在燃料電池系統(tǒng)10中設(shè)置用于檢測燃料電池22的輸出電壓的電壓傳感器 54。
此外，燃料電池系統(tǒng)10包括控制燃料電池系統(tǒng)10的每個部分的運(yùn)行 的控制部70。該控制部70構(gòu)建為以微型計(jì)算機(jī)為中心的理論電路。更具 體地，控制部70包括例如根據(jù)預(yù)設(shè)控制程序執(zhí)行預(yù)定計(jì)算等的CPU 74、 預(yù)先儲存CPU 74進(jìn)行各種計(jì)算和處理所必須的控制程序和控制數(shù)據(jù)等的 ROM 75、暫時寫入CPU 74進(jìn)行各種計(jì)算和處理所必須的各種數(shù)據(jù)的 RAM 76、和輸入與輸出各種信號的輸"輸出端口 78。該控制部70獲得 例如來自設(shè)置在燃料電池系統(tǒng)10中的各種傳感器(例如陽極壓力傳感器 50、溫度傳感器52、和電壓傳感器54)的檢測信號、和涉及與燃料電池 22相關(guān)的負(fù)荷需求的信息等。控制部70還將驅(qū)動信號輸出到與燃料電池 22的發(fā)電相關(guān)的各個部分，例如設(shè)置在燃料電池系統(tǒng)10中的噴射器62、 空氣壓縮機(jī)24、氫泵65、和閥27a等。
B.陽M力和膜電阻之間的關(guān)系
當(dāng)聚合物電解質(zhì)膜中的含水量是低的時，該示例實(shí)施方案的燃料電池 系統(tǒng)10進(jìn)行控制，將陽極壓力設(shè)定為與在穩(wěn)定運(yùn)行期間設(shè)定的值不同的 值，以抑制因低含水量而引起的電池性能降低。在描述該示例實(shí)施方案的 燃料電池系統(tǒng)IO中的這種控制之前，下文將描述燃料電池的內(nèi)阻(即電池 電阻)和陽^US力之間的關(guān)系。
圖3是顯示研究陽M力、電池電阻和電池電壓之間的關(guān)系之后獲得的結(jié)果的圖。此處，使用單電池作為燃料電池，不循環(huán)作為燃料氣體的氫 氣。此夕卜，在單電池連接至恒定負(fù)荷即在輸出電流值保持為恒定值的同時， 逐漸改變供給到陽極側(cè)的氫氣的壓力(即陽極壓力)，并測量電池電阻和 電池電壓。此外，使用空氣作為供給到陰極的氧化性氣體。流過單電池中 的氧化性氣體流路的空氣的壓力，即陰極壓力是恒定的。此外，在單電池 中設(shè)置作為制冷劑的加壓水流過其中的制冷劑流路，并且通過調(diào)節(jié)制冷劑 出口溫度使單電池內(nèi)部的溫M本保持恒定。此外，用于使燃料氣體和氧
質(zhì)膜的含水量是低的。
此處，燃料電池的內(nèi)阻包括由燃料電池的構(gòu)成元件之間的接觸電阻和 燃料電池的每個構(gòu)成元件的固有電阻所引起的電阻。盡管難以檢測這兩種 電阻中的這些分立電阻，但是其值響應(yīng)于含水量變化的電解質(zhì)膜的電阻 (即，膜電阻)可以根據(jù)燃料電池發(fā)電時燃料電池的發(fā)電條件大幅變化。 當(dāng)電解質(zhì)膜的含7jC量降低且電解質(zhì)膜的質(zhì)子電導(dǎo)率下降時，該膜電阻的值
增加。因此，在圖3所示的結(jié)果中，檢測由電解質(zhì)膜中含水量的減小引起 的膜電阻增加，作為燃料電池22內(nèi)阻的增加。
根據(jù)交流(AC )阻抗法獲得作為燃料電池內(nèi)阻的電池電阻。也就是說， 將相對高頻(例如10kHz)的小的恒定AC電流施加至單電池。利用濾波 器(電容器)從輸出電壓中分離出AC電流引起的AC分量，獲得為AC 分量的電壓值的AC阻抗作為電池電阻。
如圖3所示，隨著陽極壓力降低，單電池中的電池電阻降低，電池壓 力升高。
J乂
極壓力之間的壓差增加引起的，該壓差增加是由陽極壓力減小使得其遠(yuǎn)低 于陰M力而引起的。也就是說，陽^L^力和陰^L^力之間的壓差增加促 進(jìn)了電解質(zhì)膜中的水從產(chǎn)生水的陰極側(cè)向陽極側(cè)的轉(zhuǎn)移，其最終增加了電 解質(zhì)膜中的含水量。認(rèn)為這減小了膜電阻。
如上所述，從圖3所示的結(jié)果，我們知道當(dāng)電解質(zhì)膜中的含水量低時， 降低陽極壓力可以降低電池電阻并增加電池電壓。特別地，當(dāng)利用氫氣作 為燃料氣體操作燃料電池時，考慮到與對其供給氧濃度相對低的空氣的陰 極側(cè)的氣體壓力的平衡設(shè)定陽極壓力。因此，與獲得所期望的電力所必須的值相比，陽^L^力過量很多。在足以產(chǎn)生根據(jù)負(fù)荷需求的電力的范圍內(nèi) 降低陽極壓力使得能夠降低電池電阻和增加電池電壓，同時以該方式獲得 以過量陽極壓力操作燃料電池時所期望的電力。利用該知識，在電解質(zhì)膜 中的含水量低時可以通過進(jìn)行控制以降低陽極壓力來保持該示例實(shí)施方 案的燃料電池系統(tǒng)10中的電池性能。
C.低的膜含水量控制
圖4是示出低的膜含水量程序即膜中的含水量低時執(zhí)行的程序的流程 圖，該程序在設(shè)置于燃料電池系統(tǒng)10中的控制部70的CPU 74中執(zhí)行。 在通過燃料電池22發(fā)電時該程序以預(yù)定間隔重復(fù)執(zhí)行。
在程序開始時，CPU 74首先確定燃料電池22是否滿足預(yù)定的低溫條 件(步驟SIOO)。可以基于氣體流動是否可以被因燃料電池的內(nèi)部溫度降 低引起的燃料電池中產(chǎn)生的液態(tài)水阻礙(所謂的水淹)，確定步驟S100中 燃料電池22是否滿足預(yù)定的低溫條件。在該示例實(shí)施方案中，當(dāng)利用通過 溫度傳感器52檢測的溫度作為燃料電池22的內(nèi)部溫度且內(nèi)部溫度為80。C 或更低時，確定燃料電池22滿足預(yù)定的低溫糾。
如果在步驟S100中確定未滿足該預(yù)定的低溫條件，則CPU74基于燃 料電池22的輸出電壓確定電解質(zhì)膜中的含水量是否是低的(步驟S110 )。 更具體地，獲得由電壓傳感器54檢測的燃料電池22的輸出電壓值，并且 還獲得由電流傳感器(未顯示)檢測的燃料電池22的輸出電流值。通常， 在穩(wěn)定運(yùn)行的燃料電池中，主要根據(jù)輸出電流值確定輸出電壓值。輸出電 流值和輸出電壓值之間存在一致的關(guān)系。圖5是顯示這種輸出電流-輸出電 壓特性(輸出特性)的一個實(shí)例的圖。該示例實(shí)施方案中的控制部70存儲 有燃料電池22穩(wěn)定運(yùn)行時的輸出特性。在步驟S110中，CPU 74基于所 獲得的輸出電流(IA)和存儲的輸出特性獲得參考電壓值(Va)，該參考 電壓值(VA)是穩(wěn)定運(yùn)行期間輸出電壓值的參考值。然后將從電壓傳感器 54獲得的輸出電壓值的檢測值與該獲得的參考電壓值進(jìn)行比較。當(dāng)實(shí)際檢 測的值比參考電壓值低預(yù)定的百分比或更多時，確定電解質(zhì)膜中的含水量 是低的。
此處，步驟S100是進(jìn)行以防止盡管在電解質(zhì)膜中的含水量不可能低的 情況下也將電解質(zhì)膜中的含水量在步驟S110中確定為低的步驟。在該示例 實(shí)施方案的步驟S110中，基于燃料電池22的輸出電壓確定電解質(zhì)膜中的含水量是否是低的。這利用了電解質(zhì)膜的含7jC量低時電解質(zhì)膜的電阻值增 加且燃料電池的輸出電壓降低的性質(zhì)。然而，不僅在電解質(zhì)膜中的含水量 低時可以看到輸出電壓的降低，而且在出現(xiàn)水淹時也可看到。因此，在該
示例實(shí)施方案中，在步驟S110之前在步驟S100中排除燃料電池22滿足 可發(fā)生水淹的低溫條件的情形，以防止在輸出電壓低時盡管實(shí)際上發(fā)生水 淹的事實(shí)也確定電解質(zhì)膜中的含水量為低的。以該方式，當(dāng)執(zhí)行步驟S100 和S110時，控制部70的CPU 74作為確定電解質(zhì)膜中的含水量是否低的 低含水量確定部。
如果在步驟S110中確定電解質(zhì)膜中的含水量是低的，則CPU74進(jìn)行 控制以降低陽極壓力的設(shè)定值(步驟S120)，此后程序的該循環(huán)結(jié)束。如 上所述，當(dāng)燃料電池22穩(wěn)定運(yùn)行時，將陽極壓力設(shè)定為可以確?？晒┙o足 量的氫的恒定值，即使燃料電池22上的負(fù)荷需求波動到使得消耗最大量的 氫也是如此，并且考慮到與陰極側(cè)的氣體壓力的平衡。在步驟S120中， CPU 74進(jìn)行控制以將陽極壓力設(shè)定為足以用于產(chǎn)生根據(jù)負(fù)荷需求的電力 并且低于其在穩(wěn)定運(yùn)行期間設(shè)定的值(即，設(shè)定值)的值。更具體地，通 it^控制部70向噴射器62輸出驅(qū)動信號調(diào)節(jié)噴射器62的占空系數(shù)以4吏來 自陽極壓力傳感器50的檢測值變成比在穩(wěn)定運(yùn)行期間的值低的預(yù)定值，進(jìn) 行將陽極壓力設(shè)定得甚至更低的控制。當(dāng)以該方式執(zhí)行步驟S 120時，CPU 74作為將陽極壓力設(shè)定為比穩(wěn)定運(yùn)行期間的陽極壓力低的陽極氣體壓力 調(diào)節(jié)部。
順便提及，當(dāng)在步驟SIOO中確定燃料電池22滿足預(yù)定的低溫條件時，
蒸發(fā)到燃料氣體和氧化性氣體。由此，認(rèn)為此時電解質(zhì)膜極不可能具有低 的含水量。因此，過程進(jìn)行到步驟S130，其中CPU 74根據(jù)燃料電池22 穩(wěn)定運(yùn)行時執(zhí)行的控制(即，穩(wěn)定運(yùn)行控制)控制陽極壓力，此后程序的 該循環(huán)結(jié)束。同樣，在步驟S110中確定電解質(zhì)膜中的含7jC量不低時，過程
也進(jìn)行到步驟S130，其中CPU74進(jìn)g定運(yùn)行控制，此后程序的該循環(huán) 結(jié)束。以該方式，通過重復(fù)執(zhí)行圖4所示的膜含水量低的程序，在膜含水 量低時進(jìn)行控制以降低陽極壓力，并且在降低陽極壓力的控制開始之后當(dāng) 膜的含7jC量恢復(fù)時再次重新開始正?？刂啤?br> 根據(jù)如上所述構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)10，當(dāng)電解質(zhì)膜中的含水量低時， 陽極壓力降低，這降低了電解質(zhì)膜的電阻值，由此能夠抑制由電解質(zhì)膜中
ii的含水量低而引起的輸出電壓降低。因此，即使電解質(zhì)膜中的含水量是低 的，仍然可以在維持足夠的輸出電壓的同時保持產(chǎn)生期望的電力，由此抑
制燃料電池22的性能降低。而且，可以在不增加能量消耗的情況下降低陽 極壓力，因此可以在不降低能量效率的情況下抑制由電解質(zhì)膜中的含水量 低而引起的電池性能下降。
具體地，該示例實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)10為設(shè)置有再循環(huán)流路的結(jié) 構(gòu)，該再循環(huán)流路作為陽極側(cè)的氣體流路，并且使高壓氫氣循環(huán)以通過再 循環(huán)流路平衡氧化性氣體的氣體壓力。因此，可以容易地在足以根據(jù)負(fù)荷 需求發(fā)電的范圍內(nèi)降低陽札壓力。
此外，在該示例實(shí)施方案中，當(dāng)閥打開和關(guān)閉噴射器62的排放口時， 通過占空系數(shù)調(diào)節(jié)陽極壓力。因此，可以通過控制閥打開和關(guān)閉的簡單操 作將陽極壓力容易地控制到所期望的值。順便提及，為了調(diào)節(jié)陽極壓力， 可以根據(jù)除了改變閥打開的持續(xù)時間和閥關(guān)閉的持續(xù)時間(與調(diào)節(jié)占空系 數(shù)時的情形一樣)以外的方法，通過閥調(diào)節(jié)排放口的打開/關(guān)閉狀態(tài)。例如， 還可以通過調(diào)節(jié)閥的打開量調(diào)節(jié)陽極壓力。
此外，當(dāng)在步驟SllO中基于輸出電壓值確定含水量是否低時，優(yōu)選在 參考輸出電壓值中提供滯后。也就是說，根據(jù)情況在步驟SllO中進(jìn)行不同 的確定。在第一情形中，當(dāng)正進(jìn)em定運(yùn)行控制時確定含水量是否變低。 在第二情形中，在進(jìn)行陽極減壓控制的同時確定含水量是否恢復(fù)，即不再 低。此時，優(yōu)選在第一情形中使用的參考電壓值低于在第二情形中使用的 參考電壓值，使得可以防止顫動，并且可以提高與陽極壓力相關(guān)的控制的 轉(zhuǎn)換操作穩(wěn)定性。
此外，代替將陽極壓力的設(shè)定值改變至低于穩(wěn)定運(yùn)行期間設(shè)定的陽極 壓力的單值，可以以不同的方式構(gòu)建陽極減壓控制。也就是說，如果即使 在步驟S120中進(jìn)行陽極減壓控制輸出電壓值也未充分恢復(fù)，則可以在下 次執(zhí)行膜含水量低的程序時在步驟S120中將陽極壓力的設(shè)定值改變至甚 至更低的值。如圖2所示，電壓恢復(fù)效果可以隨陽極壓力的甚至進(jìn)一步降 低而提高。此時，可以在不抑制與負(fù)荷需求相關(guān)的輸出功率的情況下抑制 電池性能下降，只要設(shè)定為甚至更低的陽極壓力值在即使負(fù)荷需求波動也 可以獲得期望電力的范圍內(nèi)即可。
D. <務(wù)改實(shí)施例本發(fā)明不限于所示的實(shí)施方案的細(xì)節(jié)，而是在不脫離本發(fā)明的精神和 范圍的情況下可以實(shí)現(xiàn)為各種變化方案、^"改方案或改進(jìn)方案。例如，以 下的修改實(shí)施例也是可能的。
Dl.第一修改實(shí)施例
在前述示例性實(shí)施方案中，基于在圖4中的步驟S100中排除可能出 現(xiàn)水淹的情形之后燃料電池22的輸出電壓值，在圖4中的步驟SllO中進(jìn) 行關(guān)于電解質(zhì)膜中含水量的確定。然而，作為替代方案，還可以在不同的 基礎(chǔ)上進(jìn)行確定。
例如，代替步驟S100和S110，可以基于燃料電池22的內(nèi)部溫度進(jìn)行 電解質(zhì)膜中的含水量是否低的確定。在步驟S100中，當(dāng)燃料電池22的內(nèi) 部溫度為80'C或更低時確定燃料電池22處于預(yù)定的低溫狀態(tài)，從而可以 排除水淹。相反，當(dāng)燃料電池22的內(nèi)部溫^A可以想到的電解質(zhì)膜中的含 水量會因升高的飽和蒸汽壓而變低的溫度例如90'C或更高時，可以確定電 解質(zhì)膜中的含水量是低的。利用這種結(jié)構(gòu)，利用檢測反映燃料電池22的內(nèi) 部溫度的諸如制冷劑溫度的溫度的簡單方法，可以容易地確定電解質(zhì)膜中 的含水量是否是低的。
D2.第二修改實(shí)施例
作為替代方案，代替步驟S100和SllO，可以基于電解質(zhì)膜的膜電阻 確定電解質(zhì)膜中的含水量是否是低的。如上文所述，當(dāng)膜含水量降低時， 電解質(zhì)膜的膜電阻增加。因此，當(dāng)膜電阻增加到預(yù)定值或更高時，可以確 定含水量是低的。然而，確定膜電阻本身是困難的。在燃料電池22的內(nèi)阻 中，膜電阻基于發(fā)電條件而大幅變化。因此，可以通過獲得燃料電池22 的內(nèi)阻進(jìn)行確定。燃料電池22的內(nèi)部阻力可以通過例如上述AC阻抗法獲 得。當(dāng)AC阻抗的值等于或大于預(yù)定參考值時，可以確定電解質(zhì)膜中的含 水量是低的。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，可以基于膜電阻精確地確定電解質(zhì)膜中的含 水量是否是低的。
D3.第三修改實(shí)施例
還可以基于供給至陰極的氧化性氣體的壓降(即，陰^LH降)確定電 解質(zhì)膜中的含水量是否是低的。也就是說，在氧化性氣體供給通道67和陰 極廢氣通道68中均設(shè)置檢測氧化性氣體的壓力的壓力傳感器，從而獲得陰 極壓降，即兩個檢測值之差。當(dāng)所獲得的陰極壓降小于預(yù)定值時，可以確定電解質(zhì)膜中的含水量是低的。這是因?yàn)楫?dāng)電解質(zhì)膜中的含水量是低的 時，在氧化性氣體流路中沒有太多的液態(tài)水，因此氧化性氣體流未被液態(tài) 水過多阻礙，因此壓降降寸氐。
更具體地，還可以在燃料電池系統(tǒng)10的氧化性氣體供給通道67中設(shè) 置氣體流量計(jì)。此外，通過在改變供給到燃料電池的氣體濕度的同時預(yù)先 測量根據(jù)氧化性氣體流量的陰極壓降，可以對每一氧化性氣體流量預(yù)先設(shè) 定用作確定膜含水量是否低的參考的陰極壓降，并且陰極壓降可以作為映 射存儲在控制部70中。通過利用氣體流量計(jì)檢測氧化性氣體的流量和參考 映射，可以獲得氧化性氣體流量的陰極壓降的參考值，然后可以將該獲得 的壓降的參考值與由來自壓力傳感器的檢測值獲得的陰極壓力降進(jìn)行比 較。當(dāng)檢測的陰極壓力降等于或低于由氣體流量計(jì)獲得的壓降的參考值 時，可以確定電解質(zhì)膜中的含水量是低的。順便提及，不僅可以通過提供 氣體流量計(jì)直接檢測氧化性氣體的氣體流量，而且還可以利用估計(jì)值進(jìn)行 估算?？梢曰诶缱鳛檠趸詺怏w吸入空氣壓縮機(jī)24中的空氣的壓力和 溫度、以及空氣壓縮機(jī)24的速度估算氧化性氣體的流量。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)， 可以在不必直接檢測膜電阻的條件下根據(jù)簡單的方法確定電解質(zhì)膜中的 含水量是否是〗氐的。
D4.第四修改實(shí)施例
同樣，還可以基于供給到陽極的燃料氣體的壓降(即，陽極壓降)確 定電解質(zhì)膜中的含水量是否是低的。也就是說，在氫供給通道60和陽M 氣通道68中均設(shè)置檢測燃料氣體壓力的壓力傳感器，從而獲得陽極壓降， 即兩個檢測值之差。當(dāng)獲得的陽^L^降低于預(yù)定值時，可以確定電解質(zhì)膜 中的含水量是低的。此處，陽極壓降變成不僅受燃料氣體流動通道中的液 態(tài)水的量影響并且還依賴于發(fā)電所消耗的氫量的值?？梢曰谕ㄟ^設(shè)置用 于檢測燃料電池22的輸出電流的安培計(jì)檢測的輸出電流的積分值計(jì)算發(fā) 電所消耗的氫的量。在燃料電池系統(tǒng)10的控制部70中，通過在改變供給 到燃料電池的氣體濕度的同時預(yù)先測量才艮據(jù)輸出電流的積分值(即，消耗 的氫的量)的陽極壓降，可以預(yù)先設(shè)定用作確定膜含水量是否低的參考的 陽M降，并且可以作為映射預(yù)先存儲陽極壓降。基于利用安培計(jì)檢測的 輸出電流的積分值和映射獲得陽極壓降的參考值。然后將該壓降的參考值 與來自壓力傳感器的陽極壓降的檢測值進(jìn)行比較。當(dāng)所檢測的陽極壓降等 于或低于參考值時，可以確定電解質(zhì)膜中的含水量是低的。在這種情形中，也可以在不必直接檢測膜電阻的條件下通過簡單的方法確定電解質(zhì)膜中 的含水量是否是低的。
D5.第五修改實(shí)施例
作為替代方案，可以通過計(jì)算供給到燃料電池22的氧化性氣體中的水 分的量、在燃料電池中因發(fā)電而產(chǎn)生的水的量和廢氣中的水蒸汽的量(即 排放的體積)并計(jì)算燃料電池22中的水平衡，確定電解質(zhì)膜中的含水量是 否是低的。
利用陰M氣在上述加濕模塊25中對氧化性氣體加濕。加濕模塊25 的加濕效率是根據(jù)待加濕的氧化性氣體的壓力和溫度或用于加濕的陰極 廢氣的壓力和濕度設(shè)定的值。因此，可以4PL據(jù)諸如待加濕的氧化性氣體的 壓力和溫度或用于加濕的陰極廢氣的壓力和濕度等^lt，預(yù)先獲得氧化性 氣體的加濕量，并作為映射存儲在控制部70中。因此，通過利用傳感器檢 測參數(shù)和參考映射可以獲得氧化性氣體的加濕量。
可以根據(jù)發(fā)電量理論上計(jì)算因發(fā)電而產(chǎn)生的水的量。因此，可以在燃 料電池系統(tǒng)IO中設(shè)置檢測來自燃料電池22的輸出電流的安培計(jì)，可以基 于來自該安培計(jì)的檢測值計(jì)算所產(chǎn)生的水的量。
可以在陰極廢氣通道68中設(shè)置氣體流量傳感器、氣體溫度傳感器和氣 體壓力傳感器，并且可以通過檢測陰極廢氣的流量、溫度和壓力計(jì)算陰極 廢氣中的水蒸汽的量。在該情況下，計(jì)算陰極廢氣中的蒸氣壓力作為飽和 蒸氣壓。順便提及，當(dāng)電解質(zhì)膜中的含水量改變時從氣液分離器27的閥 27a排放的水分的量并不變化很多，因此當(dāng)計(jì)算排放的體積時將其忽略。 然而，作為替代方案，可以在考慮該7jC分的量的情況下計(jì)算排放的體積。
以該方式，當(dāng)計(jì)算氧化性氣體加濕量、所產(chǎn)生的水的量和排放的體積 時，當(dāng)下式(l)為真時，可以確定電解質(zhì)膜中的含水量是低的。
(排放體積) > (加濕量+所產(chǎn)生的水量)xc (1)
順便提及，常數(shù)C是代表與燃料電池是否可以與膜含水量下降多少無 關(guān)地發(fā)電相關(guān)的燃料電池性能，并且可以對每個燃料電池設(shè)定。該常數(shù)C 可以設(shè)定為大于l的值。根據(jù)式(l)，當(dāng)常數(shù)C大于1時，燃料電池中的 水分的量逐漸減小，因此，電解質(zhì)膜中的含7jC量持續(xù)降低。然而，實(shí)際上， 因?yàn)樵谟?jì)算排放的體積時將陰M氣中的蒸氣壓計(jì)算為飽和蒸氣壓，所以
這不會發(fā)生。當(dāng)燃料電池的溫度稍低時，陰M氣中的蒸氣壓會達(dá)到飽和蒸氣壓。然而，當(dāng)燃料電池的溫度高得足以使得電解質(zhì)膜中的含水量會下 降時，陰極廢氣的蒸氣壓不會達(dá)到飽和蒸氣壓。因此，實(shí)際排放得體積會
小于上述計(jì)算的排放的體積，因此將式(l)中的常數(shù)C設(shè)定為大于1。根
據(jù)這種結(jié)構(gòu)，利用來自安培計(jì)(通常設(shè)置用于控制燃料電池系統(tǒng)的傳感器) 或用于陰極廢氣的流量傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器等的檢測值，可 以容易地確定電解質(zhì)膜中的含水量是否是低的，而不必直接檢測膜電阻。
D6.第六修改實(shí)施例
還可以基于廢氣(陰極廢氣或陽極廢氣)的濕度確定電解質(zhì)膜中的含 水量是否是低的。例如，當(dāng)使用陰M氣的濕度時，可以在陰M氣通道 68中設(shè)置氣體露點(diǎn)計(jì)和氣體溫度傳感器，從而可以獲得陰極廢氣的濕度。 當(dāng)燃料電池的溫度相對低時，廢氣的水蒸氣壓達(dá)到飽和蒸氣壓。然而，當(dāng) 燃料電池的溫度上升到使電解質(zhì)膜中的含水量可能變低時，廢氣中的濕度 下降到低于對應(yīng)于飽和蒸氣壓的濕度。因此，預(yù)先設(shè)定用作用于確定含水 量是否低的參考的廢氣濕度。當(dāng)基于檢測值獲得的廢氣濕度下降到低于用 作參考的廢氣濕度時，可以確定電解質(zhì)膜中的含7jC量是低的。在這種情況 下，也可以在不必直接檢測膜電阻的條件下利用簡單的方法確定電解質(zhì)膜 中的含7K量是否是低的。
D7.第七^務(wù)改實(shí)施例
在示例性實(shí)施方案中，使用噴射器62來補(bǔ)充再循環(huán)流路中的氫氣。然 而，作為替代方案，可以使用不同的結(jié)構(gòu)。例如，可以設(shè)置減壓閥代替噴 射器62，并且可以進(jìn)行控制以通過利用這種減壓閥調(diào)節(jié)供給到燃料電池22 的燃料氣體的壓力來降低陽極壓力。
圖6是顯示作為用于代替噴射器62的減壓岡的一個實(shí)例的減壓閥162 的一般結(jié)構(gòu)的框形式的截面視圖。減壓閥162包括外殼80、隔膜 (diaphragm) 85、提升閥86、和彈簧91與92。在外殼80中形成由氫 罐23側(cè)供給的氫氣經(jīng)過其流入的第一側(cè)入口 88、氫氣通過其排放到再 循環(huán)流路側(cè)的第二側(cè)出口 89、和朝環(huán)境空氣打開的背壓口 90。隔膜85 將外殼80的內(nèi)部分割成圖中的上部空間和下部空間。上部空間構(gòu)成經(jīng) 過背壓口 90朝環(huán)境空氣打開的壓力調(diào)節(jié)室83。下部空間通過外殼80 的分割板84進(jìn)一步分割成兩個空間， 一個是第一側(cè)氣體室81，另一個 是第二側(cè)氣體室82。分割板84中形成有提供第一側(cè)氣體室81和第二側(cè)氣體室82之間 的連通的調(diào)節(jié)孔87。該調(diào)節(jié)孔87的打開量通過連接至隔膜85的提升閥 86調(diào)節(jié)。從第一側(cè)入口 88流入第一側(cè)氣體室81的高壓氫氣穿過調(diào)節(jié)孔 87 (其降低氫氣的壓力)，進(jìn)入第二側(cè)氣體室82，由此經(jīng)第二側(cè)出口89 供給到再循環(huán)流路。
彈簧91布置在第一側(cè)氣體室81中，并且沿減小調(diào)節(jié)孔87的打開量的 方向推動提升閥86。此外，彈簧92布置在壓力調(diào)節(jié)室83中，沿增加調(diào)節(jié) 孔87的打開量的方向推動隔膜85。此外，在第二側(cè)氣體室82中的減壓氫 氣的壓力在減小調(diào)節(jié)孔87的打開量的方向施加力至隔膜85，而壓力調(diào)節(jié) 室83內(nèi)的環(huán)境空氣的壓力沿增加調(diào)節(jié)孔87的打開量的方向施加力至隔膜 85。調(diào)節(jié)孔87的打開度和氫氣壓力的降低度由減壓氫氣的力和環(huán)境空氣的 力的平衡決定。當(dāng)?shù)诙?cè)的氣體壓力通過增加第一側(cè)的氣體壓力而增加時， 由第二側(cè)的氣體壓力施加至隔膜的力增加。結(jié)果，用于減小調(diào)節(jié)閥87的打 開量的力增加，其增加氫氣壓力的降低度。相反，當(dāng)?shù)诙?cè)的氣體壓力通 過降低第一側(cè)的氣體壓力而降低時，由第二側(cè)的氣體壓力施加至隔膜的力 減小。結(jié)果，用于減小調(diào)節(jié)閥87的打開量的力減小，由此降低氫氣壓力的 降低度。以該方式，降低的第二側(cè)的氫氣壓力可以基本上保持恒定，即使 第 一側(cè)的氫氣壓力波動也是如此。
當(dāng)使用這種減壓閥162時，燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以為使得減壓器 可以連接到朝壓力調(diào)節(jié)室83打開的背壓口卯，并且可以切斷背壓口卯 和環(huán)境空氣之間的連通。然后，當(dāng)進(jìn)行圖4中所示步驟S120中的陽極 減壓控制時，可以切斷壓力調(diào)節(jié)室83和環(huán)境空氣之間的連通，并且利 用減壓器將壓力調(diào)節(jié)室83中壓力降低至低于大氣壓力。結(jié)果，用于減 小調(diào)節(jié)孔87的打開量的力可以增加，其增加氫氣壓力的降低度，由此 能夠降低陽極壓力。
D8.第8修改實(shí)施例
在該示例性實(shí)施方案中，使用儲存在氫罐23中的氫氣作為含氫的燃 料氣體。然而，作為替代方案，可以使用不同的結(jié)構(gòu)。例如，可以使用利 用諸如蒸汽重整反應(yīng)的重整反應(yīng)由醇或烴燃料等獲得的富氫重整氣體作 為燃料氣體。在該情況下，也可以通過確保輸出電壓獲得相同的效果，這 是通過在電解質(zhì)膜中的含水量是低的時進(jìn)行控制以降低陽極壓力來抑制 電解質(zhì)膜電阻增加而實(shí)現(xiàn)的。
1權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有聚合物電解質(zhì)膜的聚合物電解質(zhì)燃料電池；確定所述聚合物電解質(zhì)膜中的含水量是否低的確定部；和陽極氣體壓力調(diào)節(jié)部，當(dāng)確定所述含水量是低的時，所述陽極氣體壓力調(diào)節(jié)部將所述燃料電池的陽極側(cè)的氣體壓力設(shè)定為比在所述含水量不低時的穩(wěn)定運(yùn)行期間所述陽極側(cè)的氣體壓力的設(shè)定值低。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中當(dāng)確定所述含水量是低述穩(wěn)定運(yùn)行期間的所述設(shè)定值:但是在能夠產(chǎn)生根據(jù)所述燃料電池的負(fù)荷需求的電力的范圍內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括將氫氣供給到所述燃料電池的陽極的氫氣供給通道；和將從所述燃料電池的陽極排放的氣體引導(dǎo)至所述氫氣供給通道的陽極廢氣通道，其中所述氬氣供給通道的一部分和所述陽極廢氣通道形成使氫在所述燃料電池內(nèi)的部分之間再循環(huán)的再循環(huán)流路，所述陽極氣體壓力調(diào)節(jié)部將所述再循環(huán)流路內(nèi)的壓力設(shè)定為所述陽極側(cè)的氣體壓力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括設(shè)置在所述氫氣供給通道中所述再循環(huán)流路上游的噴射器，所述噴射器具有排放口和閥，氫氣通過所述排放口排放到所述再循環(huán)流路側(cè)，所述閥選擇性打開和關(guān)閉所述排放口 ，其中所述陽極氣體壓力調(diào)節(jié)部通過利用所述閥調(diào)節(jié)所述排放口的打開/關(guān)閉狀態(tài)設(shè)定所述陽極側(cè)的氣體壓力。
5. —種用于調(diào)節(jié)聚合物電解質(zhì)燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜內(nèi)的含水的方法，包括確定所述聚合物電解質(zhì)膜內(nèi)的含水量是否是低的；和當(dāng)確定所述含水量是低的時，將所述燃料電池的陽極側(cè)的氣體壓力設(shè)定為比所述含水量不為低的時的穩(wěn)定運(yùn)行期間所述陽極側(cè)的氣體壓力的設(shè)定值低。
全文摘要
包括具有聚合物電解質(zhì)膜的聚合物電解質(zhì)燃料電池(22)的燃料電池系統(tǒng)(10)設(shè)置有確定聚合物電解質(zhì)膜中的含水量是否是低的確定部，和陽極氣體壓力調(diào)節(jié)部，當(dāng)確定所述含水量是低的時，所述陽極氣體壓力調(diào)節(jié)部將所述燃料電池的陽極側(cè)的氣體壓力設(shè)定為比在所述含水量不低時的穩(wěn)定運(yùn)行期間所述陽極側(cè)的氣體壓力的設(shè)定值低。
文檔編號H01M8/04GK101529633SQ200780038695
公開日2009年9月9日 申請日期2007年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月18日
發(fā)明者弓田修 申請人:豐田自動車株式會社