CN101689665B - 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明能够不使燃料气体的压力下降地实现电解质膜的水分分布的均匀化。一种燃料电池系统(1)，包括电解质膜(11)、设置在电解质膜(11)的一个面上的氧化剂极和设置在电解质膜(11)的另一个面上的燃料极，沿着氧化剂极的面供给氧化剂气体的氧化剂气体流路(14)与沿着燃料极的面供给燃料气体的燃料气体流路(15)被设置成氧化剂气体的流通方向与燃料气体的流通方向相对向。在该燃料电池系统中，控制单元(50)在电解质膜(11)干燥的情况下，进行使在燃料气体流路(15)中流动的燃料气体的流量增加的控制。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统以及燃料电池系统的控制装置。
背景技术
现有如下所述的燃料电池系统，其包括电解质膜、设置在该电解质膜的一个面上的氧化剂极和设置在另一个面上的燃料极，使用向氧化剂极供给的包含氧的空气等氧化剂气体和向燃料极供给的包含氢的燃料气体进行发电(例如，参照日本特开2004-127914号公报以及日本特开2000-340241号公报)。
在这样的燃料电池系统中，如果电解质膜的含水量不足，则电解质膜的阻抗升高，电池的输出下降。
作为防止该电解质膜的含水量的不足引起的电池的输出下降的技术，在日本特开2004-127914号公报中，提出了这样的技术方案：在诊断为燃料电池的内部的水分不足时，将氢压力比空气压力低，促进水从氧化剂极侧经由电解质膜向燃料极侧移动。
另外，在日本特开2000-340241号公报中，公开了这样的技术方案：以比向燃料极供给的含氢气体高的压力向氧化剂极供给含氧气体，由此通过压力差向燃料极侧排除在氧化剂极侧产生的生成水，并且在燃料极侧补充必要的水。
发明内容
但是，在上述日本特开2004-127914号公报所记载的技术中，使氢压下降，可能导致发电所需的氢不足的状态即氢欠缺状态。
因此，本发明提供能够不使燃料气体的压力下降地实现电解质膜的水分分布的均匀化的燃料电池系统。
本发明的燃料电池系统，具有电解质膜、设置在所述电解质膜的一面的氧化剂极和设置在所述电解质膜的另一面的燃料极，沿着所述氧化剂极的面供给氧化剂气体的氧化剂气体流路和沿着所述燃料极的面供给燃料气体的燃料气体流路被设置成氧化剂气体的流通方向与燃料气体的流通方向相对向，该燃料电池系统的特征在于：具有控制单元，该控制单元在所述电解质膜干燥的情况下，进行使在所述燃料气体流路中流动的燃料气体的流量增加的控制。
在本发明的一个技术方案中，所述控制单元在所述电解质膜干燥并且所述燃料电池系统的运行状态为预定的高负载状态的情况下，进行使所述燃料气体流路内的燃料气体的压力降低的控制。
关于本发明的燃料电池系统的控制装置，所述燃料电池系统具有电解质膜、设置在所述电解质膜的一面的氧化剂极和设置在所述电解质膜的另一面的燃料极，沿着所述氧化剂极的面供给氧化剂气体的氧化剂气体流路和沿着所述燃料极的面供给燃料气体的燃料气体流路被设置成氧化剂气体的流通方向与燃料气体的流通方向相对向，该控制装置的特征在于：在所述电解质膜干燥的情况下，进行使在所述燃料气体流路中流动的燃料气体的流量增加的控制。
在本发明的一个技术方案中，在所述电解质膜干燥并且所述燃料电池系统的运行状态为预定的高负载状态的情况下，进行使所述燃料气体流路内的燃料气体的压力下降的控制。
根据本发明，能够提供能够不使燃料气体的压力下降地实现电解质膜的水分分布的均匀化的燃料电池系统。
附图说明
图1是表示实施方式的燃料电池系统的结构的概略图。
图2是表示燃料电池的结构的概略剖视图。
图3是表示由控制装置执行的处理的流程图。
图4是表示电解质膜干燥的情况的示意图。
图5是表示使氢的流量增加的情况的示意图。
具体实施方式
下面，根据附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本实施方式的燃料电池系统1的结构的概略图。该燃料电池系统1是使用氧化剂气体和燃料气体发电的系统，在本实施方式中，搭载于燃料电池汽车。但是，燃料电池系统1也可以应用于燃料电池汽车以外。
在图1中，燃料电池系统1具有燃料电池10。该燃料电池10接受氧化剂气体和燃料气体的供给而发电。具体地说，氧化剂气体是包含氧(氧气)的空气等气体，燃料气体是包含氢(氢气)的气体，燃料电池10利用氢和氧的电化学反应而发电。燃料电池10例如为固体高分子电解质型的燃料电池。
图2是表示燃料电池10的结构的概略剖视图。下面，参照图2，对燃料电池10的结构进行说明。另外，在本实施方式中，燃料电池10具有多个单电池层叠起来的层叠构造，但在图2中，为了方便，表示成单一的电池。
在图2中，燃料电池10包含电解质膜11、设置在电解质膜11的一个面上的氧化剂极(称作阴极)12和设置在电解质膜11的另一个面上的燃料极(称作阳极)13。具体地说，燃料电池10包含在电解质膜11上接合有氧化剂极12以及燃料极13而成的膜电极接合体(MEA：MembraneElectrode Assembly)。
在氧化剂极12的外面侧，沿着氧化剂极12的面设有向氧化剂极12供给氧化剂气体的氧化剂气体流路14，在燃料极13的外面侧，沿着燃料极13的面设有向燃料极13供给燃料气体的燃料气体流路15。具体地说，在氧化剂极12的外面侧，夹着扩散层16设有形成有氧化剂气体流路14的隔板，在燃料极13的外面侧，夹着扩散层17设有形成有燃料气体流路15的隔板。
在本实施方式中，氧化剂气体流路14以及燃料气体流路15被设置成氧化剂气体流路14内的氧化剂气体的流通方向与燃料气体流路15内的燃料气体的流通方向互相相对向。在这里，氧化剂气体的流通方向与燃料气体的流通方向在燃料电池10的面内的至少一部分区域相对向即可，另外，也可以倾斜地相对向。
在这里，对于燃料电池10的发电作用进行说明。在氧化剂气体流路14中，经由其入口14A供给氧化剂气体，由此向氧化剂极12供给氧化剂气体。另一方面，在燃料气体流路15中，经由其入口15A供给燃料气体，由此向燃料极13供给燃料气体。燃料电池10使用供给到氧化剂极12的氧化剂气体和供给到燃料极13的燃料气体进行发电。具体地说，通过铂的催化剂作用等，在燃料极13侧产生下述式(1)所示的反应，在氧化剂极12侧产生下述式(2)所示的反应，整体产生下述式(3)所示的起电反应。
H2→2H++2e-......(1)
2H++(1/2)O2+2e-→H2O......(2)
H2+(1/2)O2→H2O......(3)
然后，从氧化剂气体流路14经由其出口14B排出阴极排气，从燃料气体流路15经由其出口15B排出阳极排气。
再次参照图1，在氧化剂气体流路14的入口，连接有将从压缩机21供给的空气导入氧化剂气体流路14的氧化剂供给流路22，在氧化剂气体流路14的出口，连接有将从该氧化剂气体流路14排出的阴极排气向外部导出的氧化剂排出流路23。在氧化剂排出流路23上，设有用于调节该流路内的气体的压力的压力调节阀24。另外，在图1中没有表示，但在与氧化剂气体流路14相连的流路22、23上，适当设有测定流路内的气体的压力的压力传感器、用于开闭流路的阀(关气阀(エアシヤツトバルブ))、加湿组件等。
另一方面，在燃料气体流路15的入口，连接有将从储藏高压氢气的氢罐31供给的氢导入燃料气体流路15的燃料供给流路32，在燃料气体流路15的出口，连接有使从该燃料气体流路15排出的阳极排气返回到燃料供给流路32的循环流路33。在燃料供给流路32上，设有对该流路内的气体的压力进行调节的压力调节阀34。在循环流路33上，设有用于使氢循环的氢泵38。另外，在循环流路33上，连接有将从燃料气体流路15排出的阳极排气向外部导出的燃料排出流路35，在该燃料排出流路35上，设有对该流路进行开闭的排气阀(清除阀)36。另外，在图1中没有表示，但在与燃料气体流路15相连的流路32、33上，适当设有测定流路内的压力的压力传感器、用于开闭流路的阀(关气阀)等。
在燃料电池10上，电连接有外部负载41。外部负载41例如是DC/DC转换器、经由该DC/DC转换器与燃料电池10相连的负载(例如二次电池、电容器、辅机、电阻体等)。
进而，燃料电池系统1具有测定燃料电池10的阻抗的阻抗测定部43和控制燃料电池系统1整体的控制装置50。具体地说，控制装置50基于各种输入信息(阻抗测定部43的输出值等)，控制被控制装置(压缩机21、压力调节阀24、氢泵38、压力调节阀34等)。
控制装置50可通过适当的结构实现，在本实施方式中，是包含CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)、ROM(Read Only Memory：只读存储器)、主存储器等而构成的，其功能通过由CPU执行存储于ROM等存储介质的控制程序而实现。
在上述结构中，如果电解质膜11干燥，则电解质膜11的阻抗上升，燃料电池10的输出下降。
于是，从防止由上述电解质膜11的干燥引起的燃料电池10的输出降低的观点出发，控制装置50进行下述的控制。即，控制装置50在电解质膜11干燥的情况下，进行使在燃料气体流路15中流动的燃料气体的流量增加的控制。具体地说，控制装置50判定电解质膜11是否干燥，在判定为干燥的情况下，进行使在燃料气体流路15中流动的燃料气体的流量增加的控制。
在这里，所谓“使燃料气体的流量增加”，意味着使燃料气体的流量比通常时的燃料气体的流量增加。具体地说，意味着：以与目标输出相应的预先设定的燃料气体的流量(例如在预先准备的控制图(映射)中与目标输出相对应的燃料气体的流量)为基准，使燃料气体的流量增加。
在本实施方式中，控制装置50基于由阻抗测定部43测定的阻抗，判定电解质膜11是否干燥。但是，电解质膜11是否干燥，也可以通过其他的方法判定。
另外，在本实施方式中，控制装置50，作为使燃料气体的流量增加的控制，进行使氢泵38的转速上升的控制。但是，燃料气体的流量的增加也可以通过其他的方法实现。
另外，在本实施方式中，控制装置50在电解质膜11干燥并且燃料电池系统1的运行状态为预定的高负载状态的情况下，进行使燃料气体流路15内的燃料气体的压力降低的控制，由此促进水分从氧化剂极12侧向燃料极13侧移动。
在一个方案中，从越是高负载、燃料气体的流量越增大，且燃料气体的流量具有上限的观点出发，在为不能使燃料气体的流量增加的程度的高负载状态的情况下，控制装置50进行使燃料气体的压力下降的控制。具体地说，从氢泵38的转速具有上限的观点出发，控制装置50在氢泵38的转速到达预定转速的情况下，进行使氢气下降的控制。
另外，在另一个方案中，从越是高负载、燃料气体的压力越增大，使燃料气体的压力下降会引起燃料气体不足的观点出发，在为能够使燃料气体的压力下降的程度的高负载状态的情况下，控制装置50进行使燃料气体的压力下降的控制。具体地说，从在氢压高的情况下、变为缺少氢的状态的可能性小的观点出发，控制装置50在氢压为预定值以上的情况下，进行使氢压下降的控制。
进而，在另一个方案中，控制装置50在要求输出为预定值以上的情况下，进行使燃料气体的压力下降的控制。
下面，具体说明具有上述结构的燃料电池系统1的动作。
控制装置50根据要求输出，基于预先设定的燃料电池10的电流-电压特性图(I-V特性图)，决定输出电压以及输出电流的目标值。然后，控制装置50根据输出电压以及输出电流的目标值，基于预先设定的控制图，确定向氧化剂极12供给的空气的压力与流量、以及向燃料极13供给的氢的压力与流量的目标值。然后，控制装置50以使得向氧化剂极12供给的空气的压力与流量、以及向燃料极13供给的氢的压力与流量分别变为目标值的方式，控制压力调节阀24、压缩机21、压力调节阀34、氢泵38。此时，在将压力、流量控制为目标值时，也可以使用压力传感器、流量传感器。
通过上述控制装置50的控制，从氢罐31经由燃料供给流路32向燃料气体流路15供给氢，从压缩机21经由氧化剂供给流路22向氧化剂气体流路14供给空气，燃料电池10发电。
从燃料气体流路15排出含有未有助于反应的氢的阳极排气，该阳极排气通过循环流路33再次向燃料气体流路15供给。此时，在阳极排气中含有氢以外的杂质，所以在循环中该阳极排气中的氢浓度下降。因此，在适当的定时将排气阀36打开，将氢浓度下降了的阳极排气通过燃料排出流路35向外部排出。
另一方面，从氧化剂气体流路14排出阴极排气，该阴极排气通过氧化剂排出流路23向外部排出。
在本实施方式中，为了防止由电解质膜11的干燥引起的电池输出的下降，控制装置50进行图3所示的处理。该图3所示的处理适当反复进行。
在图3中，控制装置50获取由阻抗测定部43测定的燃料电池10的阻抗(S1)。
接下来，控制装置50判定所获取的阻抗是否为预定的阈值以上(S2)。
在判定为阻抗不为预定的阈值以上的情况下(S2：否)，控制装置50不进行压力、流量等运行条件的变更(S3)。
另一方面，在判定为阻抗为预定的阈值以上的情况下(S2：是)，控制装置50判定燃料电池系统1的运行状态是否为预定的高负载状态(S4)。例如，控制装置50判定氢泵38的转速是否到达上限。
在判定为不是预定的高负载状态的情况下(S4：否)，即低负载运行(例如常用区域运行)的情况下，控制装置50将氢泵38的转速上升预定转速(S5)。由此，燃料气体流路15内的氢的流量增加，促进了燃料电池10内的水分的移动(即提高了内部加湿效果)，燃料电池10内的水分分布被均匀化，燃料电池10的阻抗下降。
另一方面，在判定为是预定的高负载状态的情况下(S4：是)，即高负载运行(例如最大输出要求时等)的情况下，控制装置50控制压力调节阀34，使氢压下降(S6)。由此，燃料极13侧的氢的压力(阳极压)变得比氧化剂极12侧的空气的压力(阴极压)低，利用该压力差，促进水从氧化剂极12侧向燃料极13侧透过，燃料电池10的阻抗下降。
图4是表示电解质膜11干燥的情况的示意图。图5是表示使氢的流量增加了的情况的示意图。下面，参照图4、5，对由氢流量的增加引起的电解质膜11的水分分布均匀化进行说明。另外，在图4、5中，虚线的箭头表示水的移动。
如图4所示，干燥时，电解质膜11中空气流的上游侧为干燥状态，下游侧为湿润状态。这是因为在氧化剂极12生成的水由于空气流而移动。
在电解质膜11，氧化剂极12侧的水向燃料极13侧透过。在本实施方式中，空气的流通方向与氢的流通方向处于互相相对向的关系，空气的下游侧对应于氢的上游侧，空气的上游侧对应于氢的下游侧，所以在燃料极13侧，氢的上游侧为湿润状态，氢气的下游侧为干燥状态。
如果变为图4所示的状态，则在空气的上游侧，由于电解质膜11的干燥，发电性能下降，发电集中在下游侧，燃料电池10整体输出下降。这样的干燥状态例如在低负载下的运行、高温下的运行等情况下产生。
在这样的情况下，如图5所示，如果使流量增加，则在燃料电池10的面内的燃料极13侧，水从氢的上游侧向下游侧移动的移动量增加。在图4的干燥状态下，氢的上游侧为湿润状态，下游侧为干燥状态，所以通过氢流量的增加，促进了燃料极13侧的面内的水分分布的均匀化。伴随于此，在空气的下游侧(氢的上游侧)，水分从氧化剂极12侧向燃料极13侧移动的移动量也增加，在空气的上游侧(氢的下游侧)，水分从燃料极13侧向氧化剂极12侧移动的移动量也增加。由此，电解质膜11的水分分布被均匀化，发电分布也被均匀化，燃料电池10的阻抗下降，燃料电池10的输出提高。
如上所述，在本实施方式中，燃料电池系统包括电解质膜、设置在电解质膜的一个面上的氧化剂极和设置在电解质膜的另一个面上的燃料极，沿着氧化剂极的面供给氧化剂气体的氧化剂气体流路与沿着燃料极的面供给燃料气体的燃料气体流路被设置成氧化剂气体的流通方向与燃料气体的流通方向相对向；在该燃料电池系统中，在电解质膜干燥的情况下，进行使在燃料气体流路中流动的燃料气体的流量增加的控制。因此，根据本实施方式，能够通过燃料气体的流量的增加促进水分的移动，能够不使燃料气体的压力下降地实现电解质膜的水分分布的均匀化。由此，能够避免或者减轻由燃料气体的压力下降引起的燃料气体的不足状态(具体地说是由氢压下降引起的氢欠缺状态)的产生，并能够避免或者减轻由电解质膜的干燥引起的电池的输出下降。
另外，在本实施方式中，在电解质膜干燥并且燃料电池系统的运行状态为预定的高负载状态的情况下，进行使燃料气体流路内的燃料气体的压力下降的控制。因此，在高负载状态下不能使燃料气体的流量增加的情况下，能够通过使燃料气体的压力下降实现电解质膜的水分分布的均匀化。或者，在高负载状态下即使使燃料气体的压力下降也不会产生燃料气体的不足状态(具体地说是氢欠缺状态)的情况下，能够通过使燃料气体的压力下降更高效地实现电解质膜的水分分布的均匀化。
另外，本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更。
例如，也可以代替上述压力调节阀34设置喷射器，燃料气体的压力通过控制喷射器的开闭而调节。
另外，在上述实施方式中，在高负载状态下，通过使燃料气体的压力下降而促进水的移动，但也可以通过使氧化剂气体的压力上升而促进水的移动。但是，从能量转换效率(具体地说是辅机损耗)的观点出发，优选使燃料气体的压力下降。
Claims (4)
1.一种燃料电池系统，具有电解质膜、设置在所述电解质膜的一面的氧化剂极和设置在所述电解质膜的另一面的燃料极，沿着所述氧化剂极的面供给氧化剂气体的氧化剂气体流路和沿着所述燃料极的面供给燃料气体的燃料气体流路被设置成氧化剂气体的流通方向与燃料气体的流通方向相对向，该燃料电池系统的特征在于：
具有控制单元，该控制单元在所述电解质膜干燥、且所述燃料电池系统的运行状态不是预定的高负载状态的情况下，进行使在所述燃料气体流路中流动的燃料气体的流量增加的控制。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述控制单元在所述电解质膜干燥并且所述燃料电池系统的运行状态为预定的高负载状态的情况下，进行使所述燃料气体流路内的燃料气体的压力降低的控制。
3.一种燃料电池系统的控制装置，所述燃料电池系统具有电解质膜、设置在所述电解质膜的一面的氧化剂极和设置在所述电解质膜的另一面的燃料极，沿着所述氧化剂极的面供给氧化剂气体的氧化剂气体流路和沿着所述燃料极的面供给燃料气体的燃料气体流路被设置成氧化剂气体的流通方向与燃料气体的流通方向相对向，该控制装置的特征在于：
在所述电解质膜干燥、且所述燃料电池系统的运行状态不是预定的高负载状态的情况下，进行使在所述燃料气体流路中流动的燃料气体的流量增加的控制。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统的控制装置，其特征在于：
在所述电解质膜干燥并且所述燃料电池系统的运行状态为预定的高负载状态的情况下，进行使所述燃料气体流路内的燃料气体的压力降低的控制。
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