CN114628746A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够使燃料电池的寿命提高的燃料电池系统。上述燃料电池系统具备：燃料电池；氧化剂气体供给部，向上述燃料电池的阴极供给包含氧的氧化剂气体；燃料气体供给部，向上述燃料电池的阳极供给包含氢的燃料气体；氧分压推断部，推断上述燃料电池的上述阴极的氧分压；氢分压推断部，推断上述燃料电池的上述阳极的氢分压；以及控制部，上述控制部根据规定的式(1)计算目标氢分压，上述控制部将上述阳极的上述氢分压控制为上述目标氢分压。

Description

燃料电池系统
技术领域
本公开涉及燃料电池系统。
背景技术
燃料电池(FC)是在一个单电池或者将多个单电池(以下，存在记载为单元的情况)层叠而成的燃料电池组(以下，存在仅记载为电池堆的情况)中通过氢等燃料气体、与氧、空气等氧化剂气体的电化学反应来取出电能量的发电装置。此外，以下，也存在不特别地区分燃料气体、氧化剂气体而简称为“反应气体”或者“气体”的情况。
该燃料电池的单电池通常具备膜电极接合体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)。
膜电极接合体具有在固体高分子型电解质膜(以下，也简称为“电解质膜”)的两面分别依次形成有催化剂层和气体扩散层的构造。因此，膜电极接合体有时被称为膜电极气体扩散层接合体(MEGA)。
单电池根据需要具有夹持该膜电极气体扩散层接合体的两面的两片隔离件。隔离件通常具有在与气体扩散层接触的面形成有作为反应气体的流路的槽的构造。此外，该隔离件也作为发电的电气的集电体发挥功能。
在燃料电池的燃料极(阳极)，作为从气体流路和气体扩散层供给的燃料气体的氢(H2)通过催化剂层的催化剂作用而质子化，通过电解质膜并向氧化剂极(阴极)移动。同时生成的电子通过外部电路而做功，并向阴极移动。作为向阴极供给的氧化剂气体的氧(O2)在阴极上与质子及电子反应，生成水。生成的水给予电解质膜适度的湿度，多余的水透过气体扩散层而被向系统外排出。
对车载于燃料电池车辆(以下存在记载为车辆的情况)来使用的燃料电池进行了各种研究。
例如在专利文献1中公开了以下技术，即，使电解质膜为具有加强层的复合膜，为了抑制化学劣化，将含有担载有包含Pt的催化剂(ORR活性催化剂)的碳粒子的离子交换材料配置于复合膜的至少一端。在专利文献1中还公开有在催化剂担载碳粒子配置于阴极侧的情况下效果特别大这一情况。此外，ORR活性催化剂是指促进燃料电池的阴极中的氧还原反应(ORR：Oxygen Reduction Reaction)的催化剂。
在专利文献2中公开有在膜内设置电绝缘的催化剂层并且上述催化剂层配置于阴极附近。
在专利文献3中公开有使从铂、金、钯、铑、铱以及钌中选出的金属催化剂的至少一个以上相对于上述高分子固体电解质的重量含有0.01～80重量％而形成。
专利文献1：日本特开2014-139939号公报
专利文献2：日本特开平6-103992号公报
专利文献3：日本特开平07-090111号公报
为了燃料电池的寿命提高，期望耐久性更高的膜材料。
本公开人进行了上述专利文献1的电解质膜的耐久评价，获得了根据试验条件而耐久性能反而恶化这一见解。公知有Pt催化剂的氧还原反应的双电子还原的选择率根据电位而改变。在使用了使Pt催化剂分散来添加的电解质膜的燃料电池中，在电位较低(富含氢)的环境中，氧的一部分促进过氧化氢的生成，会加速电解质膜的化学劣化。即在专利文献1中，对于已配置的催化剂担载碳粒子的位置，有可能不能进行用于抑制过氧化氢的生成的控制。
发明内容
本公开是鉴于上述实际情况而完成的，其主要目的在于提供一种能够使燃料电池的寿命提高的燃料电池系统。
本公开的燃料电池系统具备：燃料电池；氧化剂气体供给部，向上述燃料电池的阴极供给包含氧的氧化剂气体；燃料气体供给部，向上述燃料电池的阳极供给包含氢的燃料气体；氧分压推断部，推断上述燃料电池的上述阴极的氧分压；氢分压推断部，推断上述燃料电池的上述阳极的氢分压；以及控制部，上述燃料电池具有一个以上的单电池，上述单电池包括膜电极接合体，上述膜电极接合体依次具有包括阳极催化剂层的阳极、电解质膜、以及包括阴极催化剂层的阴极，上述电解质膜在该电解质膜中具有与上述阳极催化剂层及上述阴极催化剂层平行并且配置为层状的催化剂分散部，上述催化剂分散部包括催化剂，上述控制部根据下式(1)计算目标氢分压，上述控制部将上述阳极的上述氢分压控制为上述目标氢分压。
式(1)：目标氢分压＝[2×电解质膜厚度方向的氧透过系数×{从阳极催化剂层到催化剂分散部的距离÷(电解质膜厚度－从阳极催化剂层到催化剂分散部的距离)}×氧分压]÷电解质膜厚度方向的氢透过系数。
也可以构成为：在本公开的燃料电池系统的基础上，上述控制部判断上述目标氢分压是否低于下限氢分压，在判断为上述目标氢分压低于上述下限氢分压的情况下，上述控制部进行提高上述阴极的上述氧分压的控制，在判断为上述目标氢分压是上述下限氢分压的情况下，上述控制部进行维持上述阴极的上述氧分压的控制，并且进行维持上述阳极的上述氢分压的控制，在判断为上述目标氢分压大于上述下限氢分压的情况下，上述控制部以上述阳极的上述氢分压变为上述目标氢分压的方式控制上述氢分压。
根据本公开的燃料电池系统，能够使燃料电池的寿命提高。
附图说明
图1是表示高电位耐久试验中的氟离子排出量相对于时间的关系的图。
图2是表示电解质膜中的氧浓度和氢浓度的一个例子的图。
图3是表示以往的膜电极接合体的一个例子的示意图。
图4是表示在本公开中使用的膜电极接合体的一个例子的示意图。
图5是表示电解质膜中的距阳极的厚度方向的催化剂的位置与电解质膜的气体透过流束的关系的一个例子的图。
图6是表示相对于燃料电池的运转条件催化剂分散部的位置为最佳的情况下的一个例子的图。
图7是表示相对于燃料电池的运转条件催化剂分散部的位置位于比最佳位置的情况靠阴极侧的位置的情况下的一个例子的图。
图8是表示相对于燃料电池的运转条件催化剂分散部的位置位于比最佳位置的情况靠阳极侧的位置的情况下的一个例子的图。
图9是表示单元平面的一个例子的示意图。
图10是表示电解质膜中的距阳极的厚度方向的催化剂的位置与氧分压及氢分压的关系的一个例子的图。
图11是表示氧分压与目标氢分压的关系的一个例子的图。
图12是表示本公开的燃料电池系统的一个例子的简要结构图。
图13是表示本公开的燃料电池系统进行的控制的一个例子的流程图。
附图标记说明
1…阳极催化剂层；2…电解质膜；3…阴极催化剂层；4…催化剂分散部；10…燃料电池；20…燃料气体供给部；21…燃料气体供给阀；22…燃料废气排出阀；23…循环用泵；30…氧化剂气体供给部；31…氧化剂气体压力调整阀；40…冷却装置；41…冷却水泵；100…燃料电池系统。
具体实施方式
本公开的燃料电池系统具备：燃料电池；氧化剂气体供给部，向上述燃料电池的阴极供给包含氧的氧化剂气体；燃料气体供给部，向上述燃料电池的阳极供给包含氢的燃料气体；氧分压推断部，推断上述燃料电池的上述阴极的氧分压；氢分压推断部，推断上述燃料电池的上述阳极的氢分压；以及控制部，上述燃料电池具有一个以上的单电池，上述单电池包括膜电极接合体，上述膜电极接合体依次具有包括阳极催化剂层的阳极、电解质膜、以及包括阴极催化剂层的阴极，上述电解质膜在该电解质膜中具有与上述阳极催化剂层及上述阴极催化剂层平行并且配置为层状的催化剂分散部，上述催化剂分散部包括催化剂，上述控制部根据下式(1)计算目标氢分压，上述控制部将上述阳极的上述氢分压控制为上述目标氢分压。
式(1)：目标氢分压＝[2×电解质膜厚度方向的氧透过系数×{从阳极催化剂层到催化剂分散部的距离÷(电解质膜厚度－从阳极催化剂层到催化剂分散部的距离)}×氧分压]÷电解质膜厚度方向的氢透过系数。
图1是表示高电位耐久试验中的氟离子排出量相对于时间的关系的图。
对以往的含有Pt催化剂的电解质膜的耐久性进行评价。其结果是，如图1所示，获得了根据试验条件而耐久性能恶化的结果。这可以考虑为基于以下的理由。
已知Pt催化剂的氧还原反应中双电子还原的选择率根据电位而改变。在使用了使催化剂分散来添加的电解质膜的燃料电池中，在电位较低的(H2 rich)环境中，氧的一部分变成作为电解质膜的化学劣化原因物质的过氧化氢。
图2是表示电解质膜中的氧浓度与氢浓度的一个例子的图。
如图2所示，在氢浓度100％的条件下，在电解质膜中的催化剂添加区域的一部分中，存在氢浓度比氧浓度高的区域。可以认为该原因导致燃料电池的耐久性能降低。
本公开人发现了：在为了抑制电解质膜的化学劣化而在电解质膜中添加了催化剂的燃料电池中，根据催化剂相对于膜厚的添加位置和运转环境(氢分压和氧分压)而在劣化抑制的效果上产生显著的差异。因此，在本公开中，通过计算阳极的氢分压上限并设为控制目标值，从而实现劣化抑制效果的最大化。
在本公开中，基于以包括配置于电解质膜中的催化剂在内的催化剂分散部的位置(距催化剂层的距离)为参数的目标氢分压，控制电解质膜中的氢分压。
根据本公开，与催化剂添加位置对应的氢分压、氧分压的适当的设定成为可能，抑制向电解质膜添加的催化剂中的过氧化氢的生成，并进行减少向阳极的交叉氧(crossoveroxygen)的运转，由此能够有效地抑制电解质膜的化学劣化。其结果是，相应地实现电解质膜的耐久性提高和燃料电池的寿命提高。
本公开的燃料电池系统至少具备燃料电池、燃料气体供给部、氧化剂气体供给部、氧分压推断部、氢分压推断部以及控制部。
本公开的燃料电池系统通常搭载于具有电动机(马达)作为驱动源的燃料电池车辆来使用。
另外，本公开的燃料电池系统也可以搭载于通过二次电池的电力也能够行驶的车辆来使用。
电动机并不特别地限定，也可以是以往公知的驱动马达。
燃料电池可以仅具有一个单电池，也可以是作为将多个单电池层叠而成的层叠体的燃料电池组。
单电池的层叠数并不特别地限定，例如可以是2～数百个，也可以是2～200个。
燃料电池组也可以在单电池的层叠方向的两端具备端板。
燃料电池的单电池至少具备膜电极接合体。
膜电极接合体依次具有包括阳极催化剂层在内的阳极、电解质膜、以及包括阴极催化剂层在内的阴极。膜电极接合体也可以依次具有阳极侧气体扩散层、阳极催化剂层、电解质膜、阴极催化剂层、以及阴极侧气体扩散层。
阴极(氧化剂极)包括阴极催化剂层。阴极也可以包括阴极侧气体扩散层。
阳极(燃料极)包括阳极催化剂层。阳极也可以包括阳极侧气体扩散层。
将阴极催化剂层和阳极催化剂层统称为催化剂层。
催化剂层例如也可以具备促进电化学反应的催化剂金属、具有质子传导性的电解质、以及具有电子传导性的碳粒子等。
作为催化剂金属，例如能够使用铂(Pt)、和由Pt与其他的金属构成的合金(例如混合了钴和镍等的Pt合金)等。
作为电解质，也可以是氟类树脂等。作为氟类树脂，例如，也可以使用全氟磺酸溶液等。
上述催化剂金属担载于碳粒子上，在各催化剂层，电解质与担载有催化剂金属的碳粒子(催化剂粒子)也可以混合存在。
用于担载催化剂金属的碳粒子(担载用碳粒子)例如也可以使用通过对一般销售的碳粒子(碳粉末)进行加热处理而提高了自身的疏水性的疏水化碳粒子等。
将阴极侧气体扩散层和阳极侧气体扩散层统称为气体扩散层。
气体扩散层也可以是具有透气性的导电性部件等。
作为导电性部件，例如能够举出碳布和碳纸等碳多孔体、和金属网和发泡金属等金属多孔体等。
电解质膜具有催化剂分散部。
催化剂分散部在该电解质膜中与阳极催化剂层及阴极催化剂层平行配置并且配置为层状。
电解质膜也可以是固体高分子电解质膜。作为固体高分子电解质膜，例如能够举出含有水分的全氟磺酸的薄膜等氟类电解质膜、和烃类电解质膜等。作为电解质膜，例如也可以是全氟磺酸膜(杜邦公司制)等。
催化剂分散部包括催化剂。催化剂也可以是氧还原反应(ORR)活性催化剂。氧还原反应(ORR)活性催化剂也可以是上述催化剂金属。催化剂分散部也可以包含上述电解质。
催化剂分散部的配置位置也可以根据燃料电池的运转条件而适当地设定。
单电池也可以根据需要具备夹持膜电极接合体的两面的两片隔离件。两片隔离件的一个是阳极侧隔离件，另一个是阴极侧隔离件。在本公开中，将阳极侧隔离件和阴极侧隔离件统称为隔离件。
隔离件也可以具有用于使反应气体和制冷剂向单电池的层叠方向流通的供给孔和排出孔。作为制冷剂，为了防止低温时的冻结，例如能够使用乙二醇与水的混合溶液。反应气体是燃料气体或者氧化剂气体。燃料气体也可以是氢等。氧化剂气体也可以是氧、空气、干燥空气等。
供给孔能够举出燃料气体供给孔、氧化剂气体供给孔以及制冷剂供给孔等。
排出孔能够举出燃料气体排出孔、氧化剂气体排出孔以及制冷剂排出孔等。
隔离件可以具有一个以上的燃料气体供给孔，可以具有一个以上的氧化剂气体供给孔，可以具有一个以上的制冷剂供给孔，可以具有一个以上的燃料气体排出孔，可以具有一个以上的氧化剂气体排出孔，也可以具有一个以上的制冷剂排出孔。
隔离件也可以在与气体扩散层接触的面具有反应气体流路。另外，隔离件也可以在和与气体扩散层接触的面相反的一侧的面具有用于将燃料电池的温度保持恒定的制冷剂流路。
在隔离件是阳极侧隔离件的情况下，可以具有一个以上的燃料气体供给孔，可以具有一个以上的氧化剂气体供给孔，可以具有一个以上的制冷剂供给孔，可以具有一个以上的燃料气体排出孔，可以具有一个以上的氧化剂气体排出孔，也可以具有一个以上的制冷剂排出孔，阳极侧隔离件可以在与阳极侧气体扩散层接触的面具有使燃料气体从燃料气体供给孔向燃料气体排出孔流动的燃料气体流路，也可以在和与阳极侧气体扩散层接触的面相反的一侧的面具有使制冷剂从制冷剂供给孔向制冷剂排出孔流动的制冷剂流路。
在隔离件是阴极侧隔离件的情况下，可以具有一个以上的燃料气体供给孔，可以具有一个以上的氧化剂气体供给孔，可以具有一个以上的制冷剂供给孔，可以具有一个以上的燃料气体排出孔，可以具有一个以上的氧化剂气体排出孔，也可以具有一个以上的制冷剂排出孔，阴极侧隔离件可以在与阴极侧气体扩散层接触的面具有使氧化剂气体从氧化剂气体供给孔向氧化剂气体排出孔流动的氧化剂气体流路，也可以在和与阴极侧气体扩散层接触的面相反的一侧的面具有使制冷剂从制冷剂供给孔向制冷剂排出孔流动的制冷剂流路。
隔离件也可以是不透气的导电性部件等。作为导电性部件，例如，也可以是将碳压缩而成为不透气的致密质碳、和冲压成型的金属(例如，铁、铝以及不锈钢等)板等。另外，隔离件也可以具备集电功能。
燃料电池组也可以具有各供给孔连通而成的入口歧管和各排出孔连通而成的出口歧管等歧管。
入口歧管能够举出阳极入口歧管、阴极入口歧管以及制冷剂入口歧管等。
出口歧管能够举出阳极出口歧管、阴极出口歧管以及制冷剂出口歧管等。
燃料电池系统具有燃料气体供给部。燃料气体供给部向燃料电池的阳极供给包含氢的燃料气体。燃料气体供给部也可以向燃料电池组的各阳极供给燃料气体。
燃料气体是主要含有氢的气体，例如，也可以是氢气。
作为燃料气体供给部，例如能够举出燃料罐等，具体而言能够举出液体氢罐、压缩氢罐等。
燃料气体供给部与控制部电连接。根据来自控制部的控制信号来驱动燃料气体供给部。燃料气体供给部也可以被控制部控制从由自燃料气体供给部向阳极供给的燃料气体的流量和压力构成的群中选出的至少一个。
燃料电池系统也可以具备燃料气体供给流路。
燃料气体供给流路将燃料气体供给部与燃料电池的阳极入口连接。燃料气体供给流路使燃料气体从燃料气体供给部向燃料电池的阳极的供给成为可能。燃料气体供给流路使燃料气体从燃料气体供给部向燃料电池组的各阳极的供给成为可能。
也可以在燃料气体供给流路具备燃料气体供给阀。
燃料气体供给阀使调整向阳极供给的燃料气体的流量和压力等成为可能。
也可以构成为：燃料气体供给阀与控制部电连接，通过控制部控制燃料气体供给阀的开闭，由此调整向燃料气体的阳极的供给流量和燃料气体压力(阳极压力)。另外，也可以构成为：通过控制燃料气体供给阀的开度，从而调整向燃料气体的阳极的供给流量和燃料气体压力(阳极压力)。
燃料电池系统也可以具备燃料废气排出流路。
燃料废气排出流路与燃料电池的阳极出口连接。燃料废气排出流路回收作为从燃料电池的阳极排出的燃料气体的燃料废气。燃料废气排出流路也可以回收从燃料电池组的各阳极排出的燃料废气。
燃料废气包括在阳极保持未反应的状态不变通过的燃料气体、在阴极生成的生成水到达阳极的水分、在催化剂层和电解质膜等生成的腐蚀物质、以及也可以在扫气时向阳极供给的氧化剂气体等。
也可以在燃料废气排出流路具备燃料废气排出阀。
燃料废气排出阀使将燃料废气向外部(系统外)排出成为可能。此外，外部可以是燃料电池系统的外部，也可以是车辆的外部。
也可以构成为：燃料废气排出阀与控制部电连接，通过控制部控制燃料废气排出阀的开闭，由此调整燃料废气向外部的排出流量。
另外，也可以构成为：通过调整燃料废气排出阀的开度，从而调整向阳极供给的燃料气体压力(阳极压力)。
燃料电池系统也可以具备循环流路。
循环流路从燃料废气排出流路分支并与燃料气体供给流路连接。循环流路使将所回收的燃料废气作为循环气体返回至阳极成为可能。循环流路使将所回收的燃料废气中所包含的水分向阳极供给成为可能。
循环流路也可以在与燃料气体供给流路的合流部与燃料气体供给流路合流。
燃料电池系统也可以根据需要在循环流路上具备调整循环气体的流量的氢泵等循环用泵、和推出器等。
也可以构成为：循环用泵与控制部电连接，通过控制部控制循环用泵的驱动的接通·断开和转速等，由此调整循环气体的流量。
推出器例如也可以配置于燃料气体供给流路与循环流路的合流部。推出器将包含燃料气体和循环气体在内的混合气体向燃料电池的阳极供给。推出器也可以将包含燃料气体和循环气体在内的混合气体向燃料电池组的各阳极供给。作为推出器，能够采用以往公知的推出器。
燃料电池系统也可以具备阳极气液分离器。
阳极气液分离器配置于燃料废气排出流路与循环流路的分支点，将作为从阳极出口排出的燃料气体的燃料废气中所包含的水分和燃料气体分离并分别回收，并将回收的水分与燃料气体的至少任意一方向阳极供给。阳极气液分离器也可以与控制部电连接。也可以通过控制部的控制来控制阳极气液分离器的出口阀的开闭。也可以通过控制部的控制来控制阳极气液分离器的出口阀的开度。由此也可以控制向阳极供给的水量和燃料气体的流量等。
燃料电池系统具有氧化剂气体供给部。
氧化剂气体供给部向燃料电池的阴极供给包含氧的氧化剂气体。氧化剂气体供给部也可以向燃料电池组的各阴极供给氧化剂气体。
氧化剂气体是含有氧的气体，也可以是空气、干燥空气以及纯氧等。
作为氧化剂气体供给部，例如能够使用空气压缩机等。
氧化剂气体供给部与控制部电连接。根据来自控制部的控制信号来驱动氧化剂气体供给部。氧化剂气体供给部被控制部控制从由自氧化剂气体供给部向阴极供给的氧化剂气体的流量和压力构成的群中选出的至少一个。
燃料电池系统也可以具备氧化剂气体供给流路。
氧化剂气体供给流路将氧化剂气体供给部与燃料电池的阴极入口连接。氧化剂气体供给流路使氧化剂气体从氧化剂气体供给部向燃料电池的阴极的供给成为可能。氧化剂气体供给流路也可以使氧化剂气体从氧化剂气体供给部向燃料电池组的各阴极的供给成为可能。
燃料电池系统也可以具备氧化剂废气排出流路。
氧化剂废气排出流路与燃料电池的阴极出口连接。氧化剂废气排出流路使作为从燃料电池的阴极排出的氧化剂气体的氧化剂废气向外部的排出成为可能。氧化剂废气排出流路使从燃料电池组的各阴极排出的氧化剂废气向外部的排出成为可能。
也可以在氧化剂废气排出流路设置有氧化剂气体压力调整阀。
氧化剂气体压力调整阀与控制部电连接，通过控制部将氧化剂气体压力调整阀开阀，由此将作为反应完毕的氧化剂气体的氧化剂废气从氧化剂废气排出流路向外部排出。另外，也可以构成为：通过调整氧化剂气体压力调整阀的开度，从而调整向阴极供给的氧化剂气体压力(阴极压力)。
另外，燃料气体供给流路与氧化剂气体供给流路也可以经由合流流路连接。也可以在合流流路设置有扫气阀。
也可以构成为：扫气阀与控制部电连接，通过控制部将扫气阀开阀，由此使氧化剂气体供给部的氧化剂气体作为扫气气体向燃料气体供给流路内流入。
用于扫气的扫气气体可以是燃料气体，可以是氧化剂气体，也可以是包含这双方的气体的混合反应气体。
燃料电池系统作为燃料电池的冷却系统可以具备制冷剂供给部，也可以具备制冷剂循环流路。
制冷剂循环流路与设置于燃料电池的制冷剂供给孔和制冷剂排出孔连通，能够使从制冷剂供给部供给的制冷剂在燃料电池内外循环。
制冷剂供给部与控制部电连接。根据来自控制部的控制信号来驱动制冷剂供给部。制冷剂供给部被控制部控制从制冷剂供给部向燃料电池供给的制冷剂的流量。由此也可以控制燃料电池的温度。
制冷剂供给部例如能够举出冷却装置、冷却水泵等。
也可以在制冷剂循环流路设置有将冷却水的热散热的散热器。
作为冷却水(制冷剂)，为了防止低温时的冻结，例如能够使用乙二醇与水的混合溶液。
燃料电池系统也可以具备二次电池。
二次电池(电池)只要能够充放电即可。作为二次电池，例如能够举出镍氢二次电池和锂离子二次电池等。另外，二次电池也可以包括双电层电容器等蓄电元件。二次电池也可以是将多个以串联的方式连接的结构。二次电池向电动机和氧化剂气体供给部等供给电力。二次电池也可以从车辆的外部的电源、例如家庭用电源充电。也可以通过燃料电池的输出对二次电池进行充电。也可以由控制部控制二次电池的充放电。
燃料电池系统具备氧分压推断部。氧分压推断部推断燃料电池的阴极的氧分压。
也可以构成为：氧分压推断部与控制部电连接，根据来自控制部的控制信号而被驱动。另外，氧分压推断部也可以作为程序编入于控制部。
因此，控制部也可以兼备氧分压推断部的功能。
氧分压的推断方法也可以构成为：例如预先准备表示燃料电池的运转条件与氧分压的关系的数据群，通过将实际的燃料电池的运转条件与该数据群对照来推断氧分压。
另外，燃料电池系统也可以具备检测阴极中的氧化剂气体的压力的压力传感器。压力传感器与控制部电连接，将测定出的氧化剂气体的压力发送给控制部。控制部也可以基于压力传感器测定出的氧化剂气体的压力来推断氧分压。
氧分压推断部推断氧分压的时机只要在燃料电池的发电开始后即可，不特别地限定。
燃料电池系统具备氢分压推断部。氢分压推断部推断燃料电池的阳极的氢分压。
也可以构成为：氢分压推断部与控制部电连接，根据来自控制部的控制信号而被驱动。另外，氢分压推断部也可以作为程序编入于控制部。
因此，控制部也可以兼备氢分压推断部的功能。
氢分压的推断方法也可以构成为：例如预先准备表示燃料电池的运转条件与氢分压的关系的数据群，通过将实际的燃料电池的运转条件与该数据群对照来推断氢分压。
另外，燃料电池系统也可以具备检测阳极中的燃料气体的压力的压力传感器。压力传感器与控制部电连接，将测定出的燃料气体的压力发送给控制部。控制部也可以基于压力传感器测定出的燃料气体的压力来推断氢分压。
氢分压推断部推断氢分压的时机只要在燃料电池的发电开始后即可，不特别地限定。
燃料电池系统具备控制部。
控制部在物理上例如具有CPU(中央运算处理装置)等运算处理装置、存储由CPU处理的控制程序和控制数据等的ROM(只读存储器)和主要作为用于控制处理的各种作业区域使用的RAM(随机存储器)等存储装置、以及输入输出接口。另外，控制部例如也可以是ECU(电子控制单元)等控制装置。
也可以构成为：控制部与也可以搭载于车辆的点火开关电连接。即使切断点火开关，控制部也可以通过外部电源进行动作。
控制部根据下式(1)来计算目标氢分压。控制部将阳极的氢分压控制为目标氢分压。
式(1)：目标氢分压＝[2×电解质膜厚度方向的氧透过系数×{从阳极催化剂层到催化剂分散部的距离÷(电解质膜厚度－从阳极催化剂层到催化剂分散部的距离)}×氧分压]÷电解质膜厚度方向的氢透过系数
【公式1】
(1)
Figure BDA0003396854720000131
上式(1)中的各文字表示的含义如以下所示。
k_H2：电解质膜厚度方向的氢透过系数[mol/(m·s·kPa)]
pr_H2：阳极目标氢分压[kPa]
k_O2：电解质膜厚度方向的氧透过系数[mol/(m·s·kPa)]
p_O2：阴极氧分压[kPa]
t_mem：电解质膜厚度[m]
t_cat：从阳极催化剂层到催化剂分散部的距离[m]
根据上式(1)计算目标氢分压，并将阳极的氢分压控制为该目标氢分压，由此能够有效地抑制电解质膜的化学劣化。若阳极的氢分压超过式(1)的目标氢分压，则在电解质膜中所包含的催化剂产生作为使电解质膜劣化的原因物质的过氧化氢(H2O2)。
图3是表示以往的膜电极接合体的一个例子的示意图。图3所示的t_mem是电解质膜厚度[m]。
图4是表示在本公开中使用的膜电极接合体的一个例子的示意图。图4所示的t_mem是电解质膜厚度[m]，t_cat是催化剂分散部距阳极催化剂层的距离[m]。
在图3中，透过了电解质膜的O2的一部分被阳极催化剂层双电子还原而变为过氧化氢(H2O2)。
过氧化氢通过Fe离子等而变为自由基，并将电解质膜聚合物氧化·分解。
在图4中，从两极透过的H2和O2通过添加于电解质膜中的氧还原反应活性催化剂(ORR活性催化剂)而进行反应。
在ORR活性催化剂位置处的H2流束和O2流束变为2：1时，向阳极催化剂层透过的O2实质上变为零。
图5是表示电解质膜中的距阳极的厚度方向的催化剂的位置与电解质膜的气体透过流束的关系的一个例子的图。
在图5中，示出了以下所示的ORR催化剂位置处的从阳极透过的H2的流束j_H2和从阴极透过的O2的流束j_O2。从氢和氧生成水的反应式如以下所示。
2H2+O2＝H2O
因此，配置催化剂分散部的位置处的理想的氢流束和氧流束如以下所示。
2jH2＝jO2
【公式2】
Figure BDA0003396854720000141
上式中的各文字表示的含义如以下所示。
j_H2：氢流束[mol/(m2·s)]
k_H2：电解质膜厚度方向的氢透过系数[mol/(m·s·kPa)]
p_H2：阳极氢分压[kPa]
t_cat：催化剂分散部(距阳极催化剂层的距离)[m]
【公式3】
Figure BDA0003396854720000151
上式中的各文字表示的含义如以下所示。
j_O2：氧流束[mol/(m2·s)]
k_O2：电解质膜厚度方向的氧透过系数[mol/(m·s·kPa)]
p_O2：阴极氧分压[kPa]
t_mem：电解质膜厚度[m]
t_cat：从阳极催化剂层到催化剂分散部的距离[m]
以下对相对于燃料电池的运转条件(H2分压和O2分压)确定电解质膜中的最佳的ORR活性催化剂的添加位置的理由进行说明。
图6是表示相对于燃料电池的运转条件催化剂分散部的位置为最佳的情况下的一个例子的图。
在图6所示的条件中，在催化剂分散部反应的氢流束和氧流束如以下所示。
氢流束×2＝氧流束
因此，没有透过阳极催化剂层的O2，从而不会生成过氧化氢。
图7是表示相对于燃料电池的运转条件催化剂分散部的位置位于比最佳位置的情况靠阴极侧的位置的情况下的一个例子的图。
在图7所示的条件中，在催化剂分散部反应的氢流束和氧流束如以下所示。
氢流束×2＜氧流束
因此，透过了电解质膜的O2的一部分在阳极催化剂层变为过氧化氢(H2O2)。但是，与未放入ORR活性催化剂的电解质膜的情况相比，过氧化氢的产生量较少。
图8是表示相对于燃料电池的运转条件催化剂分散部的位置位于比最佳位置的情况靠阳极侧的位置的情况下的一个例子的图。
在图8所示的条件中，在催化剂分散部反应的氢流束和氧流束如以下所示。
氢流束×2＞氧流束
因此，没有透过阳极催化剂层的O2，因此不会生成过氧化氢。
但是，催化剂分散部的环境变为富含氢(H2-rich)。因此，一部分的O2被双电子还原而生成过氧化氢。并且，与在使用了未放入ORR反应催化剂的电解质膜的膜电极接合体的情况下的阳极催化剂层生成的过氧化氢的量相比，在催化剂分散部生成的过氧化氢的量较多。
在燃料电池组的单元内氧分压和氢分压从各供给口朝向各排出口降低，因此在单元内整个区域满足式(1)并不容易。
另外，在任何形状的单元中，在面内都存在化学劣化严重的区域。
燃料电池的单电池中的气体的流动方向可以考虑直线流路、螺旋流路、对置流、并行流等各种形态。因此，电极面的氧分压分布也是各种各样的。因此，目标氢分压按照发电面的每个位置而成为不同的值。
因而，将氢分压控制为局部中的目标氢分压并不容易。
另外，在燃料电池组中，通过在各单元内改变电解质膜的催化剂添加位置(t_cat)，能够使得局部的目标氢分压接近实际氢分压，但电解质膜的制造工序变得复杂，而导致成本提高。
另一方面，在实际使用环境下，在各单电池的电极面内化学劣化并不是均匀地发生，多数情况是产生泄漏的位置决定化学劣化。
若能够控制容易产生泄漏的位置处的相对于氧分压的氢分压，则抑制容易产生泄漏的位置处的化学劣化。因此，能够使作为电池堆的耐久性提高。
因此，在本公开中，也可以将在电极面内化学劣化的应力相对较大的区域的推断值作为代入于式(1)的氧分压来使用。
也可以构成为：氧分压推断部推断阴极中的化学劣化的应力相对较大的区域的氧分压，控制部通过将氧分压推断部推断出的氧分压代入于式(1)来计算目标氢分压。
图9是表示单元平面的一个例子的示意图。Air_in是指氧化剂气体供给孔。H2_in是指燃料气体供给孔。LLC_in是指制冷剂供给孔。
用虚线包围的区域是容易化学劣化的区域。
图10是表示电解质膜中的距阳极的厚度方向的催化剂的位置与氧分压及氢分压的关系的一个例子的图。
例如，也可以构成为：若是实际使用环境下的耐久后的泄漏位置必定在阴极入口区域产生的燃料电池系统，则基于该位置处的氧分压来求出目标氢分压，并将该位置处的氢分压控制为目标氢分压。
例如，冷却水出口附近变为高温，因此容易劣化。因此，也可以基于该位置处的氧分压来求出目标氢分压，并将该位置处的氢分压控制为目标氢分压。
作为代入于式(1)的氧分压，使用在电极面内化学劣化的应力相对较大的区域的推断值，由此能够在化学劣化相对严重的区域发挥最佳效果，因此能够抑制由化学劣化导致的泄漏发生来使燃料电池的耐久性提高。
控制部判断目标氢分压是否低于下限氢分压。
在判断为目标氢分压低于下限氢分压的情况下，控制部进行提高阴极的氧分压的控制。在目标氢分压低于下限氢分压的情况下，通过提高阴极的氧分压，能够提高目标氢分压，因此以目标氢分压变为下限氢分压以上的方式使阴极的氧分压上升。
在判断为目标氢分压是下限氢分压的情况下，控制部进行维持阴极的氧分压的控制，并且进行维持阳极的氢分压的控制。
在判断为目标氢分压大于下限氢分压的情况下，控制部以阳极的氢分压变为目标氢分压的方式控制氢分压。在目标氢分压高于下限氢分压的情况下，燃料消耗率变差，但优先抑制电解质膜的劣化。
目标氢分压也可以设定为不发生电解质膜的劣化的氢分压。
下限氢分压也可以考虑各单元间、各单元内的燃料气体的分配差别和燃料气体的反应分布而设定为用于不发生缺氢的最低限度的分压。
下限氢分压可以根据燃料电池的运转条件而适当地重新设定，也可以为常量。下限氢分压也可以预先设定与催化剂分散部的位置对应的值，下限氢分压并不一定需要每次计算。
图11是表示氧分压与目标氢分压的关系的一个例子的图。
如图11所示，例如，在以氧分压20kPa运转燃料电池的情况下，适合于电解质膜的劣化抑制的氢分压变为22kPa，但若将用于防止缺氢的下限氢分压设为40kPa，则不能将氢分压降低至40kPa以下，因此电解质膜的劣化进行。因此，若使氧分压增加，则适合于电解质膜的劣化抑制的氢分压也增大，因此能够防止燃料电池的缺氢，并且能够抑制电解质膜的劣化。
图12是表示本公开的燃料电池系统的一个例子的简要结构图。
图12所示的燃料电池系统100具备燃料电池10、燃料气体供给部20、燃料气体供给阀21、燃料废气排出阀22、循环用泵23、氧化剂气体供给部30、氧化剂气体压力调整阀31、冷却装置40、冷却水泵41、未图示的控制部、氧分压推断部以及氢分压推断部。
图13是表示本公开的燃料电池系统进行的控制的一个例子的流程图。
首先，启动燃料电池。
而且，氧分压推断部推断燃料电池的阴极的氧分压。
控制部根据所获得的氧分压使用式(1)来计算目标氢分压。
控制部判断计算出的目标氢分压(Pr_H2)是否低于预先设定好的下限氢分压(P_H2_Llim)。
在判断为目标氢分压不足下限氢分压的情况下，控制部进行提高阴极的氧分压的控制。
在判断为目标氢分压是下限氢分压的情况下，控制部进行维持阴极的氧分压的控制，并且进行维持阳极的氢分压的控制。
在判断为目标氢分压大于下限氢分压的情况下，控制部以阳极的氢分压变为目标氢分压的方式控制氢分压。氢分压也可以使用氢分压推断部推断出的值。
作为燃料电池单元内的氢分压控制的手段，例如能够举出以下的例子。
若降低燃料废气排出阀的开度，则来自阴极的透过氮气浓度变高，因此能够降低氢分压。在燃料废气排出阀是开关阀的情况下，若降低打开频度，则来自阴极的透过氮气浓度变高，因此能够降低氢分压。
若使基于循环用泵的循环流量增加，则从单元内的上游向下游产生的氢浓度梯度变小，因此能够使入口侧氢分压降低，并使出口侧上升。
若降低燃料气体供给阀的开度，则阳极气体压力降低，因此能够降低氢分压。在燃料气体供给阀是开关阀的情况下，若降低打开频度，则阳极气体压力降低，因此能够降低氢分压。
上述的控制也可以组合。
作为燃料电池单元内的氧分压控制的手段，例如能够举出以下的例子。
若降低氧化剂气体压力调整阀的开度，则阴极气体压力上升，因此能够提高氧分压。
若使来自空气压缩机的供给空气流量增加，则从单元内的上游向下游产生的氧浓度梯度变小，因此能够使出口侧的氧分压上升。
上述的控制也可以组合。

Claims (2)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池系统具备：
燃料电池；
氧化剂气体供给部，向所述燃料电池的阴极供给包含氧的氧化剂气体；
燃料气体供给部，向所述燃料电池的阳极供给包含氢的燃料气体；
氧分压推断部，推断所述燃料电池的所述阴极的氧分压；
氢分压推断部，推断所述燃料电池的所述阳极的氢分压；以及
控制部，
所述燃料电池具有一个以上的单电池，
所述单电池包括膜电极接合体，
所述膜电极接合体依次具有包括阳极催化剂层的阳极、电解质膜、以及包括阴极催化剂层的阴极，
所述电解质膜在该电解质膜中具有与所述阳极催化剂层及所述阴极催化剂层平行并且配置为层状的催化剂分散部，
所述催化剂分散部包括催化剂，
所述控制部根据下式(1)计算目标氢分压，
所述控制部将所述阳极的所述氢分压控制为所述目标氢分压，
式(1)：目标氢分压＝[2×电解质膜厚度方向的氧透过系数×{从阳极催化剂层到催化剂分散部的距离÷(电解质膜厚度－从阳极催化剂层到催化剂分散部的距离)}×氧分压]÷电解质膜厚度方向的氢透过系数。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部判断所述目标氢分压是否低于下限氢分压，
在判断为所述目标氢分压低于所述下限氢分压的情况下，所述控制部进行提高所述阴极的所述氧分压的控制，
在判断为所述目标氢分压是所述下限氢分压的情况下，所述控制部进行维持所述阴极的所述氧分压的控制，并且进行维持所述阳极的所述氢分压的控制，
在判断为所述目标氢分压超过所述下限氢分压的情况下，所述控制部以所述阳极的所述氢分压变为所述目标氢分压的方式控制所述氢分压。
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