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(kāi)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(fù)載時(shí)等將燃料電池的發(fā)電暫時(shí)停止，通過(guò)2次電池的電力來(lái)運(yùn)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(jī)械強(qiáng)度的降低，根據(jù)燃料電池的負(fù)載來(lái)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(yáng)極側(cè)與陰極側(cè)的差壓(以下稱作“膜間差壓”。)不會(huì)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(dòng)時(shí)或從怠速停止的恢復(fù)時(shí)(以下也稱作“IS恢復(fù)時(shí)”。)等，在基于燃料電池的發(fā)電的開(kāi)始時(shí)，一般來(lái)說(shuō)成為在燃料電池內(nèi)的陽(yáng)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(kāi)始時(shí)，需要將該陽(yáng)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(dòng)時(shí)，允許膜間差壓成為允許膜間差壓以上，將陽(yáng)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?yáng)極氣體流道內(nèi)的空氣迅速?gòu)幕钚詤^(qū)域全部排出，并且通過(guò)陽(yáng)極氣體進(jìn)行置換。
[0006]另一方面，在IS恢復(fù)時(shí)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(dòng)相比頻度高，因此，擔(dān)憂電解質(zhì)膜的機(jī)械強(qiáng)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(shí)，考慮例如以根據(jù)燃料電池的負(fù)載而變動(dòng)的陰極氣體的壓力為基準(zhǔn)，在膜間差壓不超過(guò)允許膜間差壓的范圍內(nèi)盡可能提高陽(yáng)極氣體的供應(yīng)壓。
[0008]然而，若這樣的話，IS恢復(fù)時(shí)的陽(yáng)極氣體的供應(yīng)壓基本上變得比啟動(dòng)時(shí)更低，因此，存在不能將陽(yáng)極氣體流道內(nèi)的空氣完全地由陽(yáng)極氣體進(jìn)行置換的情況。
[0009]在該情況下，關(guān)于殘留在陽(yáng)極氣體流道內(nèi)的空氣，需要通過(guò)對(duì)陽(yáng)極廢氣進(jìn)行清除而逐漸向陽(yáng)極氣體排出通路進(jìn)行排出，但是，若在清除中燃料電池的負(fù)載降低而陰極氣體的供應(yīng)壓降低并且陽(yáng)極氣體的供應(yīng)壓降低，則存在已排出到陽(yáng)極氣體排出通路的空氣再次逆流來(lái)到活性區(qū)域內(nèi)的顧慮。
[0010]如此，在陽(yáng)極氣體流道內(nèi)空氣殘留的狀態(tài)下，若暫時(shí)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(jìn)饑餓(Starvat1n)的發(fā)生。
[0011]本發(fā)明著眼于這樣的問(wèn)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(shí)，抑制電解質(zhì)膜的機(jī)械強(qiáng)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(gè)方式，提供具有能夠?qū)⒒谌剂想姵氐陌l(fā)電暫時(shí)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(fù)載，控制供應(yīng)給燃料電池的陰極氣體的壓力；以及陽(yáng)極壓力控制部，將供應(yīng)給燃料電池的陽(yáng)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(yáng)極壓力控制部在從怠速停止的恢復(fù)時(shí)，將供應(yīng)給燃料電池的陽(yáng)極氣體的壓力，控制為對(duì)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(shí)壓力。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是說(shuō)明本發(fā)明的一實(shí)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(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的概略圖。
[0016]圖4是說(shuō)明本發(fā)明的一實(shí)施方式的陽(yáng)極壓力控制的流程圖。
[0017]圖5是說(shuō)明通常脈動(dòng)運(yùn)行的內(nèi)容的方框圖。
[0018]圖6是表示氫分壓下限值運(yùn)算部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的方框圖。
[0019]圖7是表示脈動(dòng)控制部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的流程圖。
[0020]圖8是說(shuō)明氫置換促進(jìn)處理的流程圖。
[0021]圖9是說(shuō)明啟動(dòng)時(shí)活性區(qū)域內(nèi)氫置換促進(jìn)處理的內(nèi)容的流程圖。
[0022]圖10是說(shuō)明啟動(dòng)時(shí)緩沖罐內(nèi)氫置換促進(jìn)處理的內(nèi)容的流程圖。
[0023]圖11是說(shuō)明啟動(dòng)時(shí)脈動(dòng)運(yùn)行的內(nèi)容的方框圖。
[0024]圖12是說(shuō)明IS恢復(fù)時(shí)活性區(qū)域內(nèi)氫置換促進(jìn)處理的內(nèi)容的流程圖。
[0025]圖13是說(shuō)明IS恢復(fù)時(shí)緩沖罐內(nèi)氫置換處理的流程圖。
[0026]圖14是說(shuō)明IS恢復(fù)時(shí)脈動(dòng)運(yùn)行的內(nèi)容的方框圖。
[0027]圖15是說(shuō)明本發(fā)明的一實(shí)施方式的陽(yáng)極壓力控制的動(dòng)作的時(shí)序圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下，參照附圖，說(shuō)明本發(fā)明的一實(shí)施方式。
[0029]燃料電池通過(guò)陽(yáng)極電極(燃料極)和陰極電極(氧化劑極)夾持電解質(zhì)膜，對(duì)陽(yáng)極電極供應(yīng)含有氫的陽(yáng)極氣體(燃料氣體)，對(duì)陰極電極供應(yīng)含有氧的陰極氣體(氧化劑氣體)，從而進(jìn)行發(fā)電。在陽(yáng)極電極以及陰極電極這兩個(gè)電極進(jìn)行的電極反應(yīng)如下。
[0030]陽(yáng)極電極:2H2—4H++4e—...(I)
[0031]陰極電極:4H++4e+O2—^21^0...(2)
[0032]通過(guò)該(I)(2)的電極反應(yīng)，燃料電池產(chǎn)生I伏特左右的電動(dòng)勢(shì)。
[0033]圖1以及圖2是說(shuō)明本發(fā)明的一實(shí)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(yáng)極隔離膜(Separat0r)12和陰極隔離膜13。
[0035]MEAll具備電解質(zhì)膜111、陽(yáng)極電極112、以及陰極電極113 JEAll在電解質(zhì)膜111的一個(gè)面上具有陽(yáng)極電極112，在另一個(gè)面上具有陰極電極113。在以下的說(shuō)明中，將在MEAll之中，供應(yīng)陽(yáng)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(shù)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(rùn)狀態(tài)下表現(xiàn)良好的導(dǎo)電性。
[0037]陽(yáng)極電極112具備催化劑層112a和氣體擴(kuò)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(kuò)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(yáng)極隔離膜12接觸。氣體擴(kuò)散層112b由具有充分的氣體擴(kuò)散性以及導(dǎo)電性的構(gòu)件而形成，例如，由通過(guò)碳纖維組成的線織成的碳布而形成。
[0038]陰極電極113也與陽(yáng)極電極112同樣地，具備觸媒層113a和氣體擴(kuò)散層113b。
[0039]陽(yáng)極隔離膜12與氣體擴(kuò)散層112b接觸。陽(yáng)極隔離膜12具有用于對(duì)陽(yáng)極電極112供應(yīng)陽(yáng)極氣體的多個(gè)溝狀的陽(yáng)極氣體流道121。
[0040]陰極隔離膜13與氣體擴(kuò)散層113b接觸。陰極隔離膜13具有用于對(duì)陰極電極113供應(yīng)陰極氣體的多個(gè)溝狀的陰極氣體流道131。
[0041]流過(guò)陽(yáng)極氣體流道121的陽(yáng)極氣體和流過(guò)陰極氣體流道131的陰極氣體相互平行地向反方向流動(dòng)。也可以設(shè)為相互平行地向同一方向流動(dòng)。
[0042]在將這樣的燃料電池10作為汽車用動(dòng)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(jìn)行了層疊的燃料電池堆(stack)l而使用。然后，構(gòu)成對(duì)燃料電池堆I供應(yīng)陽(yáng)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(dòng)用的電力。
[0043]圖3是本發(fā)明的一實(shí)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(yáng)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(jìn)行了層疊，并且接受陽(yáng)極氣體以及陰極氣體的供應(yīng)，對(duì)車輛的驅(qū)動(dòng)所需的電力進(jìn)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(yáng)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(guò)濾器23、空氣流量傳感器24、陰極壓縮機(jī)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(duì)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(duì)燃料電池堆I供應(yīng)的陰極氣體所流動(dòng)的通路。陰極氣體供應(yīng)通路21的一端連接到過(guò)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(dòng)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(kāi)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(guò)濾器23對(duì)要取入到陰極氣體供應(yīng)通路21的陰極氣體中的異物進(jìn)行去除。
[0050]空氣流量傳感器24被設(shè)置在與陰極壓縮機(jī)25相比更上游的陰極氣體供應(yīng)通路21中。空氣流量傳感器24對(duì)被供應(yīng)給陰極壓縮機(jī)25且最終被供應(yīng)給燃料電池堆I的陰極氣體的流量進(jìn)行檢測(cè)。
[0051]陰極壓縮機(jī)25被設(shè)置在陰極氣體供應(yīng)通路21中。陰極壓縮機(jī)25經(jīng)由過(guò)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(jī)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(duì)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(jìn)行檢測(cè)。以下，將該陰極壓力傳感器26的檢測(cè)值，稱作檢測(cè)陰極壓力。在本實(shí)施方式中，將該檢測(cè)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(duì)在陰極氣體排出通路22中流動(dòng)的陰極廢氣中的水分進(jìn)行回收，通過(guò)該回收的水分對(duì)在陰極氣體供應(yīng)通路21中流動(dòng)的陰極氣體進(jìn)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(guò)控制器6被進(jìn)行開(kāi)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(yáng)極氣體供排裝置3對(duì)燃料電池堆I供應(yīng)陽(yáng)極氣體，并且，將從燃料電池堆I排出的陽(yáng)極廢氣排出到陰極氣體排出通路22。陽(yáng)極氣體供排裝置3具備高壓罐31、陽(yáng)極氣體供應(yīng)通路32、陽(yáng)極調(diào)壓閥33、陽(yáng)極壓力傳感器34、陽(yáng)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(yáng)極氣體保持在高壓狀態(tài)而進(jìn)行儲(chǔ)藏。
[0057]陽(yáng)極氣體供應(yīng)通路32是用于將從高壓罐31排出的陽(yáng)極氣體供應(yīng)給燃料電池堆I的通路。陽(yáng)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(yáng)極氣體入口孔。
[0058]陽(yáng)極調(diào)壓閥33被設(shè)置在陽(yáng)極氣體供應(yīng)通路32中。陽(yáng)極調(diào)壓閥33通過(guò)控制器6被進(jìn)行開(kāi)閉控制，將被供應(yīng)給燃料電池堆I的陽(yáng)極氣體的壓力調(diào)節(jié)為期望的壓力。
[0059]陽(yáng)極壓力傳感器34被設(shè)置在與陽(yáng)極調(diào)壓閥33相比更下游的陽(yáng)極氣體供應(yīng)通路32中，對(duì)被供應(yīng)給燃料電池堆I的陽(yáng)極氣體的壓力(以下稱作“陽(yáng)極壓力”。)進(jìn)行檢測(cè)。以下，將該陽(yáng)極壓力傳感器34的檢測(cè)值稱作“檢測(cè)陽(yáng)極壓力”。在本實(shí)施方式中，將該檢測(cè)陽(yáng)極壓力，代用為面向活性區(qū)域的陽(yáng)極氣體流道121內(nèi)的壓力。
[0060]陽(yáng)極氣體排出通路35的一端被連接到燃料電池堆I的陽(yáng)極氣體出口孔，另一端被連接到緩沖罐36 ο在陽(yáng)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(yáng)極氣體與從陰極電極側(cè)向陽(yáng)極電極側(cè)透過(guò)來(lái)的氮或水分(生成水或水蒸氣)等的雜