燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法技术方案

燃料电池系统向燃料电池的电解质膜供给燃料和氧化剂，对氧化剂的供给和燃料的供给进行控制来控制燃料电池的发电。燃料电池系统检测电解质膜的湿润状态，对向燃料电池供给的燃料的流量进行调整，对向燃料电池供给的氧化剂的温度进行调整。燃料电池系统在根据与湿润状态有关的信号来减少电解质膜的水分时，与增加电解质膜的水分时相比，使燃料的流量减少，并且根据与湿润状态有关的信号来使氧化剂的温度上升。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
本专利技术涉及一种对向燃料电池供给的燃料的流量和燃料电池的温度进行调整的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
技术介绍
日本专利第5104950号公报中公开了如下一种燃料电池系统：当降低电解质膜的湿润度(含水量)的烘干操作结束时，通过对向电解质膜供给的燃料的流量进行增减，来维持电解质膜的湿润状态。
技术实现思路
在如上所述的燃料电池系统中，向燃料电池供给的氧化剂气体被伴随发电而产生的水蒸气所加湿，因此该水蒸气与未被使用的氧化剂气体一起从燃料电池排出。因此，在执行烘干操作时，为了使氧化剂气体所能够保持的水蒸气量增加，而使燃料电池的温度上升。然而，随着燃料电池的温度上升，燃料气体所能够保持的水蒸气量也增加，因此从氧化剂气体透过电解质膜后混入到燃料气体的水蒸气量也增加。当燃料气体中的水蒸气增加时，由于燃料气体的水分而电解质膜的湿润度难以降低，因此存在烘干操作所需的时间变长的问题。本专利技术是着眼于这种问题而完成的，其目的在于提供一种高效地控制燃料电池的湿润状态的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。根据本专利技术的某个方式，燃料电池系统具备：燃料供给单元，其向燃料电池的电解质膜供给燃料；氧化剂供给单元，其向所述电解质膜供给氧化剂；以及发电控制单元，其对通过所述氧化剂供给单元进行的氧化剂的供给以及通过所述燃料供给单元进行的燃料的供给进行控制，来控制所述燃料电池的发电。燃料电池系统的特征在于，包括：湿润状态检测单元，其检测所述电解质膜的湿润状态；流量调整单元，其对通过所述燃料供给单元向所述燃料电池供给的燃料的流量进行调整；以及温度调整单元，其对通过所述氧化剂供给单元向所述燃料电池供给的氧化剂的温度进行调整。在根据从所述湿润状态检测单元输出的信号来减少所述电解质膜的水分时，与增加所述电解质膜的水分时相比，所述发电控制单元使所述燃料的流量减少，并且根据来自所述湿润状态检测单元的信号来使所述氧化剂的温度上升。附图说明图1是表示本专利技术的实施方式中的燃料电池的结构的立体图。图2是图1所示的燃料电池的II-II截面图。图3是表示本实施方式中的燃料电池系统的结构的图。图4是表示对燃料电池系统进行控制的控制器的功能结构的一例的框图。图5是表示对燃料电池中的电解质膜的湿润状态进行检测的功能结构的一例的图。图6是表示连接于燃料电池的负载的大小与燃料电池的最低温度之间的关系的一例的图。图7是表示连接于燃料电池的负载的大小与电解质膜的作为目标的湿润状态之间的关系的图。图8是表示对向燃料电池供给的阳极气体的目标流量进行运算的功能结构的一例的图。图9是表示向燃料电池供给的阳极气体同阴极气体的流量比与阴极气体的相对湿度之间的关系的图。图10是表示对向燃料电池堆供给的冷却水的目标温度进行运算的功能结构的一例的图。图11是表示对第一实施方式中的燃料电池系统进行控制的控制方法的一例的流程图。图12是表示执行减少电解质膜的水分的烘干操作时的燃料电池系统的状态变化的时序图。图13是表示在烘干操作中使用燃料电池的温度来代替燃料电池的最低温度时的燃料电池系统的状态变化的时序图。图14是表示对本专利技术的第二实施方式中的燃料电池的发电进行控制的功能结构的一例的图。图15是表示阳极循环泵的动作与阳极气体流量之间的关系的图。图16是表示第二实施方式中的燃料电池系统的控制方法的一例的流程图。图17是表示执行烘干操作时的燃料电池系统的状态变化的时序图。图18是表示在过渡时使湿润度下降的烘干操作中的燃料电池系统的状态变化的一例的时序图。图19是表示使过渡时的下降量增大时的燃料电池系统的状态变化的一例的时序图。图20是表示阻抗测定装置的结构的一例的图。具体实施方式下面，参照附图来说明本专利技术的实施方式。(第一实施方式)燃料电池由作为燃料极的阳极电极、作为氧化剂极的阴极电极以及以夹在这些电极中间的方式配置的电解质膜构成。含有氢的阳极气体作为燃料被供给到燃料电池的阳极电极。含有氧的阴极气体作为氧化剂被供给到燃料电池的阴极电极。燃料电池使用含有氢的阳极气体和含有氧的阴极气体来进行发电。阳极电极和阴极电极这两个电极处进行的电极反应如下。阳极电极：2H2→4H++4e-…(1)阴极电极：4H++4e-+O2→2H2O…(2)通过该(1)、(2)的电极反应，燃料电池产生1V(伏特)左右的电动势。图1和图2是用于说明本专利技术的一个实施方式的燃料电池10的结构的图。图1是燃料电池10的立体图，图2是图1所示的燃料电池10的II-II截面图。如图1和图2所示，燃料电池10具备膜电极组件(MEA)11以及以将MEA11夹在中间的方式配置的阳极隔板12和阴极隔板13。MEA11由电解质膜111、阳极电极112以及阴极电极113构成。MEA11在电解质膜111的其中一面侧具有阳极电极112，在另一面侧具有阴极电极113。电解质膜111是由氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜。电解质膜111在适度的湿润度下表现出良好的电传导性。在此所说的电解质膜111的湿润度相当于电解质膜111中含有的水分的量(含水量)。湿润度越高，则电解质膜111的水分越多而成为越湿的状态，湿润度越低，则表示电解质膜111的水分越少。阳极电极112具备催化剂层112A和气体扩散层112B。催化剂层112A是由铂或承载有铂等的炭黑粒子形成的构件，设置成与电解质膜111接触。气体扩散层112B配置于催化剂层112A的外侧。气体扩散层112B是由具有气体扩散性和导电性的碳布形成的构件，设置成与催化剂层112A及阳极隔板12接触。与阳极电极112同样地，阴极电极113也具备催化剂层113A和气体扩散层113B。催化剂层113A配置于电解质膜111与气体扩散层113B之间，气体扩散层113B配置于催化剂层113A与阴极隔板13之间。阳极隔板12配置于气体扩散层112B的外侧。阳极隔板12具备用于向阳极电极112供给阳极气体的多个阳极气体流路121。阳极气体流路121形成为槽状通路。即，阳极气体流路121构成对电解质膜111的另一个面流通燃料的燃料流路。阴极隔板13配置于气体扩散层113B的外侧。阴极隔板13具备用于向阴极电极113供给阴极气体的多个阴极气体流路131。阴极气体流路131形成为槽状通路。即，阴极气体流路131构成对电解质膜111的一个面流通氧化剂的氧化剂流路。另外，阴极隔板13具备用于供给用于冷却燃料电池10的冷却水的多个冷却水流路141。冷却水流路141形成为槽状通路。即，冷却水流路141构成流通用于冷却燃料电池10的制冷剂的制冷剂流路。如图2所示，阴极隔板13构成为，使在冷却水流路141中流动的冷却水的流动方向与在阴极气体流路131中流动的阴极气体的流动方向互为同向。此外，也可以构成为使这些流动方向互为反向。另外，还可以构成为使这些流动方向具有规定的角度。另外，阳极隔板12和阴极隔板13构成为使在阳极气体流路121中流动的阳极气体的流动方向与在阴极气体流路131中流动的阴极气体的流动方向互为反向。另外，也可以构成为使这些流动方向具有规定的角度。在将这种燃料电池10用作汽车用电源的情况下，由于从电动马达要求的电力大，因此构成将数百块燃料电池10层叠而得到的燃料电池堆1。然后，构成向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，具备：燃料供给单元，其向燃料电池的电解质膜供给燃料；氧化剂供给单元，其向所述电解质膜供给氧化剂；以及发电控制单元，其对通过所述氧化剂供给单元进行的氧化剂的供给以及通过所述燃料供给单元进行的燃料的供给进行控制，来控制所述燃料电池的发电，所述燃料电池系统的特征在于，包括：湿润状态检测单元，其检测所述电解质膜的湿润状态；流量调整单元，其对通过所述燃料供给单元向所述燃料电池供给的燃料的流量进行调整；以及温度调整单元，其对通过所述氧化剂供给单元向所述燃料电池供给的氧化剂的温度进行调整，其中，在根据从所述湿润状态检测单元输出的信号来减少所述电解质膜的水分时，与增加所述电解质膜的水分时相比，所述发电控制单元使所述燃料的流量减少，并且根据来自所述湿润状态检测单元的信号来使所述氧化剂的温度上升。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种燃料电池系统，具备：燃料供给单元，其向燃料电池的电解质膜供给燃料；氧化剂供给单元，其向所述电解质膜供给氧化剂；以及发电控制单元，其对通过所述氧化剂供给单元进行的氧化剂的供给以及通过所述燃料供给单元进行的燃料的供给进行控制，来控制所述燃料电池的发电，所述燃料电池系统的特征在于，包括：湿润状态检测单元，其检测所述电解质膜的湿润状态；流量调整单元，其对通过所述燃料供给单元向所述燃料电池供给的燃料的流量进行调整；以及温度调整单元，其对通过所述氧化剂供给单元向所述燃料电池供给的氧化剂的温度进行调整，其中，在根据从所述湿润状态检测单元输出的信号来减少所述电解质膜的水分时，与增加所述电解质膜的水分时相比，所述发电控制单元使所述燃料的流量减少，并且根据来自所述湿润状态检测单元的信号来使所述氧化剂的温度上升。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，在减少所述电解质膜的水分时，相比于通过所述温度调整单元进行的升高所述氧化剂的温度的控制，所述发电控制单元优先执行通过所述流量调整单元进行的减少所述燃料的流量的控制。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，在减少所述电解质膜的水分时，所述发电控制单元使所述燃料的流量减少，并且根据来自所述湿润状态检测单元的信号以使所述电解质膜的湿润度与目标值之差变小的方式使所述氧化剂的温度上升。4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述温度调整单元包括向所述燃料电池供给制冷剂的冷却装置，所述发电控制单元包括：优先控制部，其设定用于对所述温度调整单元的动作和所述流量调整单元的动作进行控制的优先级；流量运算部，其基于所述燃料电池的温度和所述电解质膜的湿润度，来使向所述燃料电池供给的燃料的流量减少；以及温度运算部，其基于所述燃料的流量和所述电解质膜的湿润度，来对所述燃料电池的温度进行控制，其中，在执行减少所述电解质膜的水分的烘干操作的情况下，所述优先控制部对所述流量运算部设定比所述燃料电池的温度低的润湿操作时的温度来作为所述燃料电池的温度。5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述润湿操作时的温度被设定为所述冷却装置能够对所述燃料电池的温度进行调整的范围的下限值。6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，在执行所述烘干操作的情况下，所述流量运算部使减少向所述燃料电池供给的燃料的流量的减少速度比使用所述燃料电池的温度来代替所述润湿操作时的温度时的减少速度大，随着向所述燃料电池供给的燃料的流量减少，所述温度运算部使所述燃料电池的温度下降，并且，随着所述电解质膜的湿润度变大，所述温度运算部使所述燃料电池的温度上升。7.根据权利要求1至6中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：池田修久，青木哲也，
申请(专利权)人：日产自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP