燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】本发明抑制起因于由电解质膜的膨胀以及收缩所致的变形的电解质膜的耐久性的劣化。控制部（150）基于单元电池电阻值算出电解质膜（112）的湿度（P）（步骤S11），判断电解质膜（112）的湿度（P）是否低于湿度阈值（A）（步骤S12）。控制部150在湿度（P）低于湿度阈值（A）的情况下判断为电解质膜（112）的尺寸变化率为规定值以下，并进行提高电解质膜（112）的湿度的处理（步骤S13）。规定值是电解质膜（112）难以由于由干燥所致的应力而损伤的尺寸变化率。这样，在电解质膜（112）被过度地干燥之前能够加湿电解质膜（112），能够抑制由于电解质膜（112）的干燥而对电解质膜（112）作用拉伸应力。因此，能够抑制电解质膜（112）的破裂、薄壁化，能够提高电解质膜（112）的耐久性。
【专利说明】燃料电池系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及燃料电池的电解质膜的湿润状态的控制。
【背景技术】
[0002]已知一种燃料电池系统，其具备在湿润状态下发挥良好的质子传导性的固体高分子型的电解质膜。在这样的燃料电池系统中，通过预测电解质膜的含水状态，进行电解质膜的加湿和干燥，来抑制干涸(drying up)、溢流(flooding),谋求燃料电池的发电性能的提闻。
[0003]在先技术文献
[0004]专利文献1:日本特开2009-245826号公报
[0005]专利文献2:日本特开2010-257882号公报
【发明内容】
[0006]然而，在现有技术中，基于电解质膜的发电性能进行电解质膜的加湿控制，对与电解质膜的含水状态相应地作用于电解质膜的应力无任何考虑。因此，在以往的加湿控制中，在电解质膜的含水状态从湿润状态向干燥状态变化的过程中，拉伸应力作用于电解质膜，电解质膜发生破裂或者薄壁化等，有可能电解质膜的耐久性下降。
[0007]本发明是鉴于上述课题而完成，其目的在于抑制起因于由电解质膜的膨胀以及收缩所致的变形的电解质膜的耐久性的劣化。
[0008]本发明是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，能够作为以下方式或应用例来实现。
[0009][应用例I]
[0010]一种燃料电池系统，其具备:具有固体高分子型的电解质膜的燃料电池；和控制所述燃料电池的控制部。所述控制部控制所述电解质膜的湿润状态，使得与所述电解质膜的膨胀或收缩相伴的平面方向的尺寸变化率达到规定值以上。
[0011]根据应用例I的燃料电池系统，控制电解质膜的湿润状态，使得与固体高分子型的电解质膜的膨胀以及收缩相伴的平面方向的尺寸变化率达到规定值以上。在湿润状态的控制中包括例如使电解质膜的含水率增加的加湿处理、和使电解质膜的含水率减少的干燥处理。因此，能够抑制起因于由干燥所致的拉伸应力的电解质膜的破裂、薄壁化，能够提高电解质膜的耐久性。
[0012][应用例2]
[0013]在应用例I所述的燃料电池系统中，其特征在于，所述规定值为0%。
[0014]根据应用例2的燃料电池系统，进行电解质膜的湿润状态的控制，使得电解质膜的尺寸变化率达到0%以上。因此，能够抑制由于电解质膜的过度干燥而导致拉伸应力向电解质膜作用。因而，能够抑制电解质膜的破裂、薄壁化，能够提高电解质膜的耐久性。
[0015][应用例3][0016]在应用例I或应用例2的燃料电池系统中，其特征在于，所述规定值为-1.5%。
[0017]根据应用例3的燃料电池系统，能够使作用于电解质膜的拉伸应力为屈服应力的1/5。树脂只要是拉伸应力为屈服应力的1/5左右，就很难发生材料的损伤，因此能够提高电解质膜的耐久性。
[0018][应用例4]
[0019]在应用例2或应用例3的燃料电池系统中，所述控制部控制所述电解质膜的湿润状态，使得所述尺寸变化率变为所述规定值以上且+9.0%以下。
[0020]根据应用例4的燃料电池系统，在尺寸变化率变为规定值以上且9.0%以下时，进行湿润状态的控制。因此，能够省略不需要的控制，能够提高燃料电池系统的发电效率。
[0021][应用例5]
[0022]在应用例I的燃料电池系统中，所述规定值根据所述电解质膜的规定范围内的尺寸变化率来规定，所述规定范围是包括所述尺寸变化率为0%的范围。
[0023]根据应用例5的燃料电池系统，在电解质膜的尺寸变化率为包括0%在内的规定范围内时，进行电解质膜的湿润状态的控制。因此，能够抑制由于电解质膜的过度干燥而导致拉伸应力向电解质膜作用。因而，能够抑制电解质膜的破裂、薄壁化，能够提高电解质膜的耐久性。
[0024][应用例6]
[0025]在应用例I至应用例5中的任一项的燃料电池系统中，还具备取得单元，所述取得单元取得与所述电解质膜的湿度相关的信息，所述控制部，在所述湿度为第I阈值以下的情况下进行所述电解质膜的湿润状态的控制，所述第I阈值根据所述电解质膜的尺寸变化率为-1.5%?+9.0%时的所述电解质膜的湿度的范围来规定。
[0026]根据应用例6的燃料电池系统，在电解质膜的湿度为第I阈值以下的情况下加湿电解质膜，第I阈值根据电解质膜的尺寸变化率为-1.5%?+9.0%的范围内时的电解质膜的湿度范围来规定。电解质膜的湿度与电解质膜的尺寸变化率具有相关关系，当湿度低于第I阈值时，有可能由于干燥导致电解质膜发生变形从而损伤。因此，在拉伸应力作用之前，或者在电解质膜很难损伤的拉伸应力作用着的状态下，能够控制电解质膜的湿润状态，因而能够抑制电解质膜的损伤。
[0027][应用例7]
[0028]在应用例6所述的燃料电池系统中，所述第I阈值根据温度而不同，所述燃料电池系统还具备温度检测单元，所述温度检测单元检测所述电解质膜的温度，所述控制部还基于所述燃料电池的温度来变更所述第I阈值。
[0029]根据应用例7的燃料电池系统，第I阈值根据电解质膜的温度而变更。因此，能够基于与电解质膜的温度相应的适当的第I阈值来进行电解质膜的湿润状态的控制处理，能够提高电解质膜的耐久性，并且能够抑制由进行不需要的湿润状态的控制处理所导致的燃料电池的发电性能、燃料经济性的降低。
[0030][应用例8]
[0031]在应用例6或应用例7的燃料电池系统中，当继续了规定时间的所述电解质膜的湿度为所述第I阈值以下的状态时，所述控制部进行所述电解质膜的湿润状态的控制。
[0032]根据应用例8的燃料电池系统，在电解质膜的湿度为所述第I阈值以下的状态继续了规定时间的情况下，进行电解质膜的湿润状态的控制。由于电解质膜具有的粘弹性特性，电解质膜的湿度变为所述第I阈值以下后直到拉伸应力作用于电解质膜为止具有一定的时间。因此，变为电解质膜的湿度为所述第I阈值以下的状态后直到开始电解质膜的湿润状态的控制处理为止能够具有规定时间。因而，在规定时间以内的情况下，不进行电解质膜的湿润状态的控制，因此能够省略规定时间量的湿润状态的控制处理。其结果，能够抑制与湿润状态的控制处理相伴的燃料电池的发电效率下降和能量损失，能够提高燃料电池的燃料经济性。
[0033][应用例9]
[0034]在应用例8的燃料电池系统中，所述规定时间基于所述电解质膜的每单位时间的湿度变化和所述湿度变化之后的所述电解质膜的湿度中的至少一方来规定。
[0035]根据应用例9的燃料电池系统，基于电解质膜的每单位时间的湿度变化和湿度变化之后的电解质膜的湿度中的至少一方来规定规定时间。在电解质膜的每单位时间的湿度变化小的情况下，或者在湿度变化之后的电解质膜的湿度比较高的情况下，电解质膜的湿度变为第I阈值以下后直到发生由拉伸应力导致电解质膜产生拉伸应变为止的时间变长。因此，能够灵活地设定变成电解质膜的湿度为第I阈值以下的状态后直到开始加湿控制为止的规定时间。因而，能够抑制与加湿控制相伴的燃料电池的发电效率降低和能量损失，能够提高燃料电池的燃料经济性。
[0036][应用例10]
[0037]在应用例I的燃料电池系统中，还具备电压检测单元，所述电压检测单元检测所述燃料电池的电压，所述控制部在所述电压为第2阈值以上的情况下进行所述电解质膜的湿润状态的控制，所述第2阈值是所述电解质膜的尺寸变化率为-1.5%?+9.0%时的所述燃料电池的电压。
[0038]燃料电池的电压与燃料电池的单元电池的电阻值相关，单元电池的电阻值与电解质膜的湿度相关。因此，燃料电池的电压与电解质膜的湿度通过单元电池的电阻值而存在相关关系。根据应用例10的燃料电池系统，在燃料电池的电压为作为电解质膜的尺寸变化率为-1.5%?+9.0%的状态时的燃料电池的电压的第2阈值以上的情况下，进行电解质膜的湿润状态的控制。因此，能够基于电压简易地抑制起因于电解质膜的干燥而产生的拉伸应力向电解质膜作用。
[0039][应用例11]
[0040]在应用例10的燃料电池系统中，所述第2阈值根据温度而不同，所述燃料电池系统还具备温度检测单元，所述温度检测单元检测所述电解质膜的温度，所述控制部还基于所述燃料电池的温度来变更所述第2阈值。
[0041]根据应用例11的燃料电池系统，第2阈值根据电解质膜的温度而变更。因此，能够基于与电解质膜的温度相应的适当的第2阈值来进行电解质膜的加湿处理，能够提高电解质膜的耐久性。
[0042][应用例12]
[0043]在应用例I至应用例11中的任一项的燃料电池系统中，所述控制部通过控制与所述燃料电池的发电性能相关的参数来控制所述电解质膜的湿润状态。
[0044]根据应用例12的燃料电池系统，通过控制与燃料电池的发电性能相关的参数来进行电解质膜的湿润状态的控制。因此，不追加用于控制电解质膜的湿润状态的结构，就能够迅速且简易地进行湿润状态的控制。
[0045][应用例13]
[0046]—种控制方法，是控制具有固体高分子型电解质膜的燃料电池系统中的所述电解质膜的湿润状态的控制方法，取得与所述电解质膜的膨胀以及收缩相伴的平面方向的尺寸变化率；控制所述电解质膜的湿润状态，使得所述电解质膜的所述尺寸变化率达到规定值以上。
[0047]根据应用例13的加湿控制方法，控制电解质膜的湿润状态，使得电解质膜的尺寸变化率达到规定值以上。因此，能够抑制由于电解质膜的干燥而导致拉伸应力作用于电解质膜。因而，能够抑制电解质膜的破裂、薄壁化，能够提高电解质膜的耐久性。
[0048]在本发明中，上述的各种方式能够适当地组合或者省略一部分地应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0049]图1是例示第I实施例中的单元电池110的概略构成的说明图。
[0050]图2是对与电解质膜的含水状态的变化相伴的尺寸变化进行说明的模式图。
[0051]图3是表示第I实施例中的电解质膜112的湿度与尺寸变化率的相关关系的尺寸变化图600。
[0052]图4是第I实施例中的燃料电池系统的概略构成的图。
[0053]图5是对第I实施例中的湿润状态控制处理进行说明的流程图。
[0054]图6是第2实施例中的燃料电池系统20的概略构成的图。
[0055]图7是对与电解质膜的温度相应的湿度与尺寸变化率的相关关系进行说明的尺寸变化图700、710。
[0056]图8是对第2实施例中的湿润状态控制处理进行说明的流程图。
[0057]图9是对第2实施例中的湿度阈值映射730进行说明的说明图。
[0058]图10是第3实施例中的燃料电池系统30的概略构成图。
[0059]图11是对第3实施例中的堆电压值和单元电池电阻值进行说明的电压-电阻图800。
[0060]图12是对第3实施例中的湿润状态控制处理进行说明的流程图。
[0061 ] 图13是对第4实施例中的基于电解质膜112的粘弹性特性的向电解质膜112作用的应力.应变进行说明的说明图。
[0062]图14是表示电解质膜的力学特性的模型。
[0063]图15是对第4实施例中的湿润状态控制处理进行说明的流程图。
[0064]图16是表示第5实施例中的电解质膜112的湿度变化所需的时间Ts与湿度变为湿度阈值以下后直到拉伸应力开始作用为止的时间Tt的关系的映射950。
【具体实施方式】
[0065]A.第I实施例:
[0066]Al.单元电池构成:
[0067]图1是例示第I实施例中的单元电池110的概略构成的说明图。图1 (a)是单元电池110的截面模式图，图1 (b)是说明电解质膜被隔板固定着的状态的说明图。单元电池110具备膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA) 120和从两端夹持膜电极接合体120的隔板118。以下将膜电极接合体120表示为MEA120。MEA120包含:电解质膜112、配置在电解质膜112的一侧的阳极侧催化剂层(阳极侧催化剂电极层)114、配置在电解质膜210的另一侧的阴极侧催化剂层(阴极侧催化剂电极层)116。在以下的说明中，将阳极侧催化剂层114和阴极侧催化剂层116汇总地称作“催化剂电极层”或“催化剂层”。
[0068]电解质膜112是由作为固体高分子材料的氟系磺酸聚合物形成的固体高分子型的电解质膜(例如少7 〃才 > (注册商标)膜:NRE212)，在湿润状态下具有良好的质子传导性。再者，作为电解质膜112，不限于f 7 ^才 >，也可以使用例如7％ (注册商标)、7 > S才 > (注册商标)等的其他氟系磺酸膜。另外，作为电解质膜112，既可以使用氟系膦酸膜、氟系羧酸膜、氟代烃系接枝膜、烃系接枝膜、芳香族膜等，也可以使用包含PTFE、聚酰亚胺等增强材料的强化了机械特性的复合高分子膜。电解质膜112具有:伴随着与含水状态的变化相伴的膨胀、收缩，尺寸发生变化的特性。在本说明书中，所谓电解质膜112的尺寸是指电解质膜112的平面方向的尺寸，换句话说，表示电解质膜112的面积，所谓尺寸变化表示面积的变化。
[0069]图2是对与含水状态的变化相伴的电解质膜112的尺寸变化进行说明的模式图。图2 Ca)表示电解质膜112制造时(产品出厂时)的状态即初期状态，图2 (b)表示被加湿且膨胀了的湿润状态的电解质膜112a，图2 (c)表示从膨胀状态干燥后的干燥状态的电解质膜112b。在图2 (b)和图2 (c)中，用虚线表示的电解质膜112，示出图2 (a)所示的初期状态的电解质膜112的面积。电解质膜112当从图2 Ca)所示的初期状态被加湿时，如图2 (b)中用箭头所示出的那样面积增大，成为电解质膜112a。当从膨胀、面积尺寸增大了的电解质膜112a的状态进行干燥时，如图2 (C)中用箭头所示那样收缩，与图2 (a)的电解质膜112相比，面积收缩而成为电解质膜112b。对于电解质膜112的含水量(湿度)与尺寸变化的相关关系，在后面详细叙述。
[0070]返回到图1继续说`明。催化剂层114、116是提供促进电极反应的催化剂的层，由包含担载催化剂的导电性载体和作为电介质的高聚物的材料形成。再者，作为导电性载体，例如除了炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维等的碳材料之外，还能够使用碳化硅等所代表的碳化合物等。另外，作为催化剂，例如可使用钼、钼合金、钯、铑、金、银、锇、铱等。另外，作为钼合金，例如可使用钼与招、铬、猛、铁、钴、镍、镓、错、钥、钌、错、钮、银、鹤、铼、锇、铱、钛以及铅中的至少一种的合金。另外，作为高聚物，例如可使用全氟磺酸树脂材料(例如少7 ^才 >)、磺化聚醚酮、磺化聚醚砜、磺化聚醚醚砜、磺化聚砜、磺化聚硫化物、磺化聚亚苯基等的磺化塑料系电解质、磺烷基化聚醚醚酮、磺烷基化聚醚砜、磺烷基化聚醚醚砜、磺烷基化聚砜、磺烷基化聚硫化物、磺烷基化聚亚苯基等的磺烷基化塑料系电解质等。
[0071]隔板118由不透过气体的致密质且具有导电性的材料例如压缩成型了的致密质碳、金属、导电性树脂形成。在隔板118的与阳极侧催化剂层114接触的一侧的面上形成有燃料气体通路，在与阴极侧催化剂层116接触的一侧的面上形成有氧化剂气体通路。
[0072]图1 (b)概略地表示电解质膜112被隔板118固定着的状态。在图1 (b冲，用斜线表不的部分表不一对隔板118与电解质膜112的外缘的接触部分。在图1 (a)中，为便于说明，电解质膜112被记载成与隔板118的面积相同的程度的面积，但实际上如图1 (b)所示，电解质膜112具有比隔板118小一些的面积，一对隔板118被配置使得夹着电解质膜112的外缘。通过这样地配置电解质膜112和隔板118，电解质膜112被隔板118固定，在平面方向上被尺寸拘束。
[0073]另外，单元电池110还可以包含:配置在阳极侧催化剂层114的与电解质膜112接触的一侧相反的一侧的阳极侧扩散层、和配置在阴极侧催化剂层116的与电解质膜112接触的一侧相反的一侧的阴极侧扩散层。阴极侧扩散层和阳极侧扩散层是使被用于电极反应的反应气体(氧化剂气体和燃料气体)沿着MEA120的面方向扩散的层，由例如碳布、碳纸形成，也可以利用PTFE树脂实施了憎水处理。
[0074]A2.电解质膜的尺寸变化率:
[0075]图3是表示第I实施例中的电解质膜112的湿度与尺寸变化率的相关关系的尺寸变化图600。尺寸变化图600表示在规定温度(在第I实施例中为80°C)下对电解质膜112反复实施加湿处理和干燥处理，并测定了反复进行从湿润状态向干燥状态、或从干燥状态向湿润状态的状态转移时的电解质膜112的尺寸变化率(面积变化率)的结果。在尺寸变化图600中，纵轴表示电解质膜112的尺寸变化率(单位为％)，横轴表示电解质膜112的湿度(单位为％RH)。尺寸变化曲线610示出初期的状态转移时的电解质膜112的尺寸变化倾向，尺寸变化曲线620示出第二次及以后的状态转移时的电解质膜112的尺寸变化倾向。所谓尺寸变化率，在第I实施例中，表示将电解质膜112的某个状态的面积作为基准(尺寸变化率为0%)，电解质膜112的面积膨胀以及收缩了的情况下的、面积变化相对于基准的面积的比例。当面积膨胀(扩大)时，尺寸变化率从0%上升，当面积收缩(缩小)时，尺寸变化率从0%下降。再者，在第I实施例中，使用式1，基于电解质膜112的弹塑性来算出作用于电解质膜112的拉伸应力。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统，其具备: 具有固体高分子型的电解质膜的燃料电池；和 控制所述燃料电池的控制部， 所述控制部控制所述电解质膜的湿润状态，使得与所述电解质膜的膨胀或收缩相伴的平面方向的尺寸变化率达到规定值以上。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述规定值为0%。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述规定值为-1.5%。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，所述控制部控制所述电解质膜的湿润状态，使得所述尺寸变化率变为所述规定值以上且+9.0%以下。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，所述规定值根据所述电解质膜的规定范围内的尺寸变化率来规定，所述规定范围是包括所述尺寸变化率为0%的范围。
6.根据权利要求1~5的任一项所述的燃料电池系统， 还具备取得单元，所述取得单元取得与所述电解质膜的湿度相关的信息， 所述控制部，在所述湿度为第I阈值以下的情况下进行所述电解质膜的湿润状态的控制， 所述第I阈值根据所述电解质膜的尺寸变化率为-1.5%~+9.0%时的所述电解质膜的湿度的范围来规定。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统， 所述第I阈值根据温度而不同， 所述燃料电池系统还具备温度检测单元，所述温度检测单元检测所述电解质膜的温度， 所述控制部还基于所述燃料电池的温度来变更所述第I阈值。
8.根据权利要求6或7所述的燃料电池系统，当继续了规定时间的所述电解质膜的湿度为所述第I阈值以下的状态时，所述控制部进行所述电解质膜的湿润状态的控制。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，所述规定时间基于所述电解质膜的每单位时间的湿度变化和在所述湿度变化之后的所述电解质膜的湿度中的至少一方来规定。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统， 还具备电压检测单元，所述电压检测单元检测所述燃料电池的电压， 所述控制部在所述电压为第2阈值以上的情况下进行所述电解质膜的湿润状态的控制， 所述第2阈值是所述电解质膜的尺寸变化率为-1.5%~+9.0%时的所述燃料电池的电压。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统， 所述第2阈值根据温度而不同， 所述燃料电池系统还具备温度检测单元，所述温度检测单元检测所述电解质膜的温度， 所述控制部还基于所述燃料电池的温度来变更所述第2阈值。
12.根据权利要求1~11的任一项所述的燃料电池系统，所述控制部通过控制与所述燃料电池的发电性能相关的参数来进行所述电解质膜的湿润状态的控制。
13.—种控制方法，是控制具有电解质膜的燃料电池系统中的所述电解质膜的湿润状态的控制方法， 取得与所述电解质膜的膨胀以及收缩相伴的平面方向的尺寸变化率， 控制所述电解质膜的湿润状态，使得所述电解质膜的所述尺寸变化率达到规定值以上。`
【文档编号】H01M8/04GK103797628SQ201180073491
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2011年9月15日 优先权日:2011年9月15日
【发明者】内山智晓 申请人:丰田自动车株式会社