燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】一种燃料电池系统，其向燃料电池供给阳极气体及阴极气体而进行发电，该燃料电池系统具有：控制阀，其控制供给至燃料电池的阳极气体的压力；缓冲部，其存储从燃料电池排出的阳极尾气；排气阀，其调节从缓冲部排出的阳极尾气的流量；脉动运转单元，其对应于燃料电池的负载而增大与控制阀相比更靠近下游的阳极气体的压力，并使其发生变动；以及排气单元，其对应于燃料电池的负载而控制所述排气阀的开度，排气单元在燃料电池的负载降低的下降过渡运转时，使对应于燃料电池的负载而被控制的所述排气阀的开度增大。
【专利说明】燃料电池系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料电池系统。
【背景技术】
[0002]在JP2007 - 517369A中，作为现有的燃料电池系统，记载有下述技术，即，在阳极气体供给通路中设置常闭螺线管阀，在阳极气体排出通路中从上游依次设置常开螺线管阀和缓冲罐(循环罐)。
[0003]该现有的燃料电池系统，是不使向阳极气体排出通路排出的未使用的阳极气体返回至阳极气体供给通路的阳极气体非循环型的燃料电池系统，通过周期性地对常闭螺线管阀及常开螺线管阀进行开闭，从而使积蓄在缓冲罐中的未使用的阳极气体逆流至燃料电池系统而进行再利用。
【发明内容】
[0004]但是，在上述现有的燃料电池系统中，在向燃料电池堆施加的负载(以下称为“电池堆负载”)降低后的过渡运转时(以下称为“下降过渡运转时”)，由于来自缓冲罐的阳极尾气的逆流，可知会在燃料电池堆内部的阳极气体流路内产生阳极气体浓度局部地变低的部分的问题。
[0005]本发明就是着眼于上述问题而提出的，其目的在于在下降过渡运转时，抑制在阳极气体流路内产生阳极气体浓度局部地变低的部分。
[0006]根据本发明的某个方式，提供一种燃料电池系统，其向燃料电池供给阳极气体及阴极气体而进行发电，该燃料电池系统具有:控制阀，其控制向燃料电池供给的阳极气体的压力；缓冲部，其存储从燃料电池排出的阳极尾气；排气阀，其调节从缓冲部排出的阳极尾气的流量；脉动运转单元，其对应于燃料电池的负载而增大与控制阀相比更靠近下游的阳极气体的压力，并且使其发生变动；以及排气单元，其对应于燃料电池的负载而控制所述排气阀的开度，排气单元在燃料电池的负载降低的下降过渡运转时，使对应于燃料电池的负载而被控制的排气阀的开度增大。
[0007]下面，参照附图，对本发明的实施方式、本发明的优点进行详细地说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是本发明的第I实施方式所涉及的燃料电池的概略斜视图。
[0009]图2是图1的燃料电池的I1-1I剖面图。
[0010]图3是本发明的第I实施方式所涉及的阳极气体非循环型的燃料电池系统的概略结构图。
[0011]图4是对燃料电池系统的运转状态为恒定的稳定运转时的脉动运转进行说明的图。
[0012]图5是对本发明的第I实施方式所涉及的脉动运转控制进行说明的流程图。
[0013]图6是对本发明的第I实施方式所涉及的通常运转处理进行说明的流程图。
[0014]图7是基于电池堆负载而计算排气阀的通常目标开度的图表。
[0015]图8是对本发明的第I实施方式所涉及的下降过渡运转处理进行说明的流程图。
[0016]图9是基于电池堆负载而设定排气阀的下降过渡目标开度的图表。
[0017]图10是对本发明的第I实施方式所涉及的脉动运转控制的动作进行说明的时序图。
[0018]图11是对本发明的第I实施方式所涉及的脉动运转控制的效果进行说明的图。
[0019]图12是对本发明的第2实施方式所涉及的脉动运转控制进行说明的流程图。
[0020]图13是对本发明的第2实施方式所涉及的下降过渡运转处理进行说明的流程图。
[0021]图14是对本发明的第2实施方式所涉及的脉动运转控制的动作进行说明的时序图。
[0022]图15A是对应于下降过渡运转前的缓冲罐内的阳极气体浓度，对以相同时间实施了下降过渡运转的情况下的下降过渡运转后的阳极气体流路内的阳极气体的浓度分布进行比较后的图。
[0023]图15B是对应于下降过渡运转前的缓冲罐内的阳极气体浓度，对以相同时间实施了下降过渡运转的情况下的下降过渡运转后的阳极气体流路内的阳极气体的浓度分布进行比较后的图。
[0024]图16是对本发明的第3实施方式所涉及的下降过渡运转处理进行说明的流程图。
[0025]图17是表示下降过渡运转刚结束后的阳极气体流路内的阳极气体的浓度分布的图。
[0026]图18是表示沉淀点从阳极气体流路外出现后的阳极气体流路内的阳极气体的浓度分布的图。
[0027]图19是对本发明的第4实施方式所涉及的下降过渡运转处理进行说明的流程图。
[0028]图20是表示在下降过渡运转时将调压阀完全关闭，使阳极压力降低至下限值为止的情况下的阳极压力的变化的时序图。
[0029]图21是对在阳极气体流路的内部，部分局部地发生阳极气体浓度比其他部位低的原因进行说明的图。
【具体实施方式】
[0030](第I实施方式)
[0031]作为燃料电池，利用阳极电极(燃料极)和阴极电极(氧化剂极)夹持电解质膜，通过向阳极电极供给含有氢气的阳极气体(燃料气体)，向阴极电极供给含有氧气的阴极气体(氧化剂气体)而进行发电。在阳极电极及阴极电极的两个电极上进行的电极反应如下述所示。
[0032]阳极电极:2H2— 4H++4e-…(I)
[0033]阴极电极:4H++4e、02— 2H20 …(2)
[0034]通过上述(I)及(2)的电极反应，燃料电池产生I伏程度的电动势。
[0035]图1及图2是对本发明的第I实施方式所涉及的燃料电池10的结构进行说明的图。图1是燃料电池10的概略斜视图。图2是图1的燃料电池10的I1-1I剖面图。
[0036]通过燃料电池10,通过在膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly;以下称为“MEA”)11的正反两面配置阳极隔膜12和阴极隔膜13而构成。
[0037]MEAll具有电解质膜111、阳极电极112、阴极电极113。MEAll在电解质膜111的一个侧面上具有阳极电极112，在另一个侧面上具有阴极电极113。
[0038]电解质膜111是由氟类树脂形成的具有质子传导性的离子交换膜。电解质膜111在湿润状态下表现出良好的导电性。
[0039]阳极电极112具有催化剂层112a和气体扩散层112b。催化剂层112a与电解质膜111接触。催化剂层112a由钼或承载有钼等的炭黑粒子形成。气体扩散层112b设置在催化剂层112a的外侧(电解质膜111的相反侧)，与阳极隔膜12接触。气体扩散层112b由具有充分的气体扩散性及导电性的部件形成，例如由碳纤维构成的线编织成的碳布形成。
[0040]阴极电极113也与阳极电极112相同地，具有催化剂层113a和气体扩散层113b。
[0041]阳极隔膜12与气体扩散层112b接触。阳极隔膜12在与气体扩散层112b接触的一侧具有多个槽状的阳极气体流路121，它们用于向阳极电极112供给阳极气体。
[0042]阴极隔膜13与气体扩散层113b接触。阴极隔膜13在与气体扩散层113b接触的一侧具有多个槽状的阴极气体流路131，它们用于向阴极电极113供给阴极气体。
[0043]流过阳极气体流路121的阳极气体和流过阴极气体流路131的阴极气体彼此平行地沿同一方向流动。也可以彼此平行地沿相反方向流动。
[0044]在将上述燃料电池10作为汽车用动力源使用的情况下，由于要求的电力很大，因此，将数百片的燃料电池10层叠而作为燃料电池堆使用。并且，构成向燃料电池堆供给阳极气体及阴极气体的燃料电池系统，输出车辆驱动用的电力。
[0045]图3是本发明的第I实施方式所涉及的阳极气体非循环型的燃料电池系统I的概略结构图。
[0046]燃料电池系统I具有:燃料电池堆2、阳极气体供给装置3和控制器4。
[0047]燃料电池堆2由数百片的燃料电池10层叠而成，接受阳极气体及阴极气体的供给而进行发电，产生车辆的驱动所需的电力(例如为了驱动电动机所需的电力)。
[0048]关于向燃料电池堆2供给?排出阴极气体的阴极气体供给/排出装置、及冷却燃料电池堆2的冷却装置，它们并不是本发明的主要部分，因此，为了便于理解而省略图示。在本实施方式中，作为阴极气体而使用空气。
[0049]阳极气体供给装置3具有:高压罐31、阳极气体供给通路32、调压阀33、压力传感器34、阳极气体排出通路35、缓冲罐36、排气通路37、排气阀38。
[0050]高压罐31将用于向燃料电池堆2供给的阳极气体保持为高压状态而存储。
[0051]阳极气体供给通路32是用于将从高压罐31排出的阳极气体供给至燃料电池堆2的通路，一端部与高压罐31连接，另一端与燃料电池堆2的阳极气体输入孔21连接。
[0052]调压阀33设置在阳极气体供给通路32中。调压阀33将从高压罐31排出的阳极气体调节为期望的压力而供给至燃料电池堆2。调压阀33是能够连续性或阶段性地调节开度的电磁阀，其开度由控制器4控制。
[0053]压力传感器34设置在与调压阀33相比更靠近下游侧的阳极气体供给通路32中。压力传感器34对在与调压阀33相比更靠近下游侧的阳极气体供给通路32中流动的阳极气体的压力进行检测。在本实施方式中，将由该压力传感器34检测出的阳极气体的压力，作为包含燃料电池堆内部的各阳极气体流路121和缓冲罐36在内的阳极系统整体的压力(以下称为“阳极压力”)而使用。
[0054]阳极气体排出通路35的一端部与燃料电池堆2的阳极气体输出孔22连接，另一端部与缓冲罐36的上部连接。向阳极气体排出通路35中排出由在电极反应中没有使用的剩余阳极气体、和从阴极侧向阳极气体流路121渗透来的氮气或水蒸气等非活性气体构成的混合气体(以下称为“阳极尾气”)。
[0055]缓冲罐36对通过阳极气体排出通路35而流来的阳极尾气暂时进行存储。阳极尾气中的水蒸气的一部分在缓冲罐36内冷凝而变为液体，并从阳极尾气中分离。
[0056]排气通路37的一端部与缓冲罐36的下部连接。排气通路37的另一端部成为开口端。储存在缓冲罐36中的阳极尾气及液体通过排气通路37而从开口端向外部空气中排出。
[0057]排气阀38设置在排气通路37中。排气阀38是能够连续性或阶段性地调节开度的电磁阀，其开度由控制器4控制。通过调节排气阀38的开度，对从缓冲罐36经由排气通路37向外部空气排出的阳极尾气的量进行调节，从而将缓冲罐36内的阳极气体浓度调节为期望的浓度。
[0058]控制器4由具有中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)及输入输出接口(I/o接口)的微型计算机构成。
[0059]除了上述的压力传感器34之外，还向控制器4中输入电流传感器41、温度传感器42和加速器行程传感器43等的用于检测燃料电池系统I的运转状态的信号，其中，电流传感器41用于检测燃料电池堆2的输出电流，温度传感器42用于检测对燃料电池堆2进行冷却的冷却水的温度(以下称为“电池堆温度”)，加速器行程传感器43用于检测加速器踏板的踏入量(以下称为“加速器操作量”)。
[0060]控制器4基于上述输入信号而周期性地对调压阀33进行开闭，进行使阳极压力周期性地增加/减小的脉动运转，并且，调节排气阀38的开度而调节从缓冲罐36排出的阳极尾气的流量，将缓冲罐36内的阳极气体浓度保持为期望的浓度。
[0061]在阳极气体非循环型的燃料电池系统I的情况下，如果在打开调压阀33的状态下从高压罐31向燃料电池堆2持续供给阳极气体，则包含有从燃料电池堆2排出的未使用的阳极气体在内的阳极尾气从缓冲罐36经由排气通路37持续向外部空气排出，因此造成浪费。
[0062]因此，在本实施方式中，对调压阀33周期性地进行开闭，进行使阳极压力周期性地增加/减小的脉动运转。通过进行脉动运转，能够使积存在缓冲罐36中的阳极尾气在阳极压力下降时逆流至燃料电池堆2中。由此，由于能够对阳极尾气中的阳极气体进行再利用，因此能够减少向外部空气排出的阳极气体量，从而能够消除浪费。
[0063]下面，参照图4，对脉动运转进行说明，并对在阳极压力下降时积存在缓冲罐36中的阳极尾气逆流至燃料电池堆2中的原因进行说明。
[0064]图4是对燃料电池系统I的运转状态为恒定的稳定运转时的脉动运转进行说明的图。
[0065]如图4(A)所示，控制器4基于电池堆负载而计算阳极压力的基准压力和脉动宽度，设定阳极压力的上限值及下限值。并且，以基准压力为中心，在脉动宽度的范围内使阳极压力周期性地升压/降压。在本实施方式中，作为电池堆负载的代表，使用基于燃料电池系统I的运转状态而计算的燃料电池堆2的目标输出电力，但并不限定于此，也可以使用输出电流或输出电压。
[0066]在时刻tl阳极压力达到下限值后，如图4(B)所示，将调压阀33打开至能够至少使阳极压力升压至上限值的开度。在处于该状态时，阳极气体从高压罐31供给至燃料电池堆2，并向缓冲罐36排出。
[0067]在时刻t2阳极压力达到上限值后，如图4(B)所示，将调压阀33完全关闭，停止从高压罐31向燃料电池堆2供给阳极气体。这样，通过上述(I)的电极反应，残留在燃料电池堆内部的阳极气体流路121中的阳极气体随着时间的经过而被消耗，因此，与阳极气体的消耗量相应地，阳极压力降低。
[0068]另外，如果残留在阳极气体流路121中的阳极气体被消耗，则缓冲罐36的压力暂时高于阳极气体流路121的压力，因此阳极尾气从缓冲罐36向阳极气体流路121逆流。其结果，残留在阳极气体流路121中的阳极气体和逆流至阳极气体流路121中的阳极尾气中的阳极气体随着时间的经过被消耗，阳极压力进一步下降。
[0069]在时刻t3阳极压力达到下限值后，与时刻tl时相同地打开调压阀33。并且，在时刻t4阳极压力再次达到上限值后，将调压阀33完全关闭。
[0070]在此，在实施上述脉动运转的情况下，在燃料电池系统的运转状态变化，燃料电池堆的目标输出电力(电池堆负载)降低后的下降过渡运转时，可知会产生下述问题:在阳极气体流路121的内部，局部地产生阳极气体浓度比其他部位低的部分。下面，参照图20及图21，对该问题进行说明。
[0071]图20是表示在下降过渡运转时将调压阀33完全关闭，使阳极压力降低至下限值为止的情况下的阳极压力的变化的时序图。
[0072]在时刻t31，例如如果加速器操作量减少，燃料电池堆2的目标输出电力降低，则如图20(A)所示，设定与降低后的目标输出电力相对应的阳极压力的上限值及下限值。
[0073]此时，如图20(A)及图20⑶所示，如果在时刻t31将调压阀33完全关闭而使阳极压力降低至下限值为止(时刻t32)，则在阳极气体流路121的内部，局部地产生阳极气体浓度比其他部位低的部分。参照图21，对其原因进行说明。
[0074]图21是对在阳极气体流路121的内部，局部地产生阳极气体浓度比其他部位低的部分的原因进行说明的图。图21 (A)是表示在下降过渡运转时将调压阀33完全关闭时，阳极气体流路121内的阳极气体及阳极尾气的流向的图。图21(B)是在下降过渡运转时将调压阀33完全关闭时，对应于时间的经过而表示阳极气体流路121内的阳极气体的浓度分布的图。
[0075]如图21㈧所示，如果调压阀33完全关闭，则残留在阳极气体流路121中的阳极气体，利用由于阳极气体被消耗而产生的压力差，流向缓冲罐36侧。并且，如果残留在阳极气体流路121中的阳极气体被消耗，则缓冲罐36的压力会暂时高于阳极气体流路121的压力，因此，阳极尾气会从缓冲罐36侧向阳极气体流路121逆流。
[0076]这样，在阳极气体流路121中流向缓冲罐36侧的阳极气体、与从缓冲罐36侧逆流至阳极气体流路121中的阳极尾气的合流部处，产生各自的气体流速为零的沉淀点。
[0077]如果在阳极气体流路121内产生上述的沉淀点，则在上述⑴的电极反应中不使用的阳极尾气中的氮气随着时间的经过而积存在沉淀点附近。其结果，沉淀点附近的氮气浓度随着时间的经过而变得比其他部位高，如图21(B)所示，导致沉淀点附近的阳极气体浓度随着时间的经过而变得比其他部位低。
[0078]如上所述，在下降过渡运转时，将调压阀33完全关闭的时间越长，S卩，直至阳极压力到达至下限值为止所需的时间越长，沉淀点附近的阳极气体浓度越低。这样，在阳极气体流路121的内部，局部地产生阳极气体浓度比其他部位低的部分，如果该部分的阳极气体浓度(以下称为“流路内最低阳极气体浓度”)低于规定浓度，则在该部分处，阻碍上述(I)及(2)的电极反应，有可能使得电压转变为负电压，这成为使燃料电池10劣化的原因。
[0079]因此，在本实施方式中，在下降过渡运转时，与稳定运转时相比增大排气阀38的开度，使在下降过渡运转时的阳极压力的降低速度加快。由此，能够缩短在下降过渡运转时阳极压力到达至下限值为止所需的时间。其结果，由于能够抑制流路内最低阳极气体浓度低于规定浓度的情况，因此能够抑制燃料电池10的劣化。
[0080]下面，对本实施方式所涉及的脉动运转控制进行说明。
[0081]图5是对本实施方式所涉及的脉动运转控制进行说明的流程图。控制器4在燃料电池系统I的运转中，以规定的运算周期(例如1ms)执行本程序。
[0082]在步骤SI中，控制器4读取上述的各种传感器的检测值，检测燃料电池系统I的运转状态。
[0083]在步骤S2中，控制器4基于燃料电池系统I的运转状态，计算燃料电池堆2的目标输出电力。基本上，加速器操作量越大，目标输出电力越大。
[0084]在步骤S3中，控制器4基于燃料电池堆2的目标输出电力，计算以该目标输出电力进行脉动运转的情况下的阳极压力的基准压力及脉动宽度，设定阳极压力的上限值及下限值。目标输出电力越大，阳极压力的基准压力及脉动宽度越大。
[0085]在步骤S4中，控制器4对本次计算出的目标输出电力是否小于前次计算出的目标输出电力进行判定。如果本次计算出的目标输出电力小于前次计算出的目标输出电力，则控制器4进行步骤S7的处理，否则，进行步骤S5的处理。
[0086]在步骤S5中，控制器判定在下降过渡运转中标志Fl是否为I。下降过渡运转中标志Fl是在下降过渡运转中，直至阳极压力到达下限值为止而被设定为I的标志，初始值设定为O。如果下降过渡运转中标志Fl为1，则控制器进行步骤S7的处理，否则，进行步骤S6的处理。
[0087]在步骤S6中，控制器实施通常运转处理。参照图6，对通常运转处理的详细内容在后面进行叙述。
[0088]在步骤S7中，控制器实施下降过渡运转处理。参照图8，对下降过渡运转处理的详细内容在后面进行叙述。
[0089]图6是对通常运转处理进行说明的流程图。
[0090]在步骤S61中，控制器4判定阳极压力降压中标志F2是否为I。阳极压力降压中标志F2是初始值为0，在阳极压力到达上限值后，直至下降至下限值为止而被设定为I的标志。如果阳极压力降压中标志F2为0，则控制器4进行步骤S62的处理。另一方面，如果阳极压力降压中标志F2为1，则进行步骤S67的处理。
[0091]在步骤S62中，控制器4基于阳极压力的上限值而设定调压阀33的开度，以使得能够使阳极压力至少上升至其上限值为止。
[0092]在步骤S63中，控制器4将调压阀33打开至在步骤S72中所设定的开度。
[0093]在步骤S64中，控制器4判定阳极压力是否大于或等于上限值。如果阳极压力大于或等于上限值，则控制器4进行步骤S65的处理。另一方面，如果阳极压力小于上限值，则进行步骤S69的处理。
[0094]在步骤S65中，控制器4将调压阀33完全关闭。
[0095]在步骤S66中，控制器4将阳极压力降压中标志F2设定为I。
[0096]在步骤S67中，控制器参照后述的图7的图表，基于电池堆负载即燃料电池堆2的目标输出电力，计算通常运转中的排气阀38的目标开度(以下称为“通常目标开度”)。
[0097]在步骤S68中，控制器将排气阀38的开度控制为通常目标开度。
[0098]在步骤S69中，控制器4判定阳极压力是否小于或等于下限值。如果阳极压力小于或等于下限值，则控制器4进行步骤S68的处理。另一方面，如果阳极压力大于下限值，则结束本次处理。
[0099]在步骤S70中，控制器4将阳极压力降压中标志F2设定为O。
[0100]图7是基于电池堆负载即燃料电池堆2的目标输出电力而计算排气阀38的通常目标开度的图表。在此，首先在对设定排气阀38的通常目标开度时的基本思路进行说明后，针对图6的图表进行说明。
[0101]在燃料电池系统I的运转中，阴极气体中的氮气经由电解质膜而透过至阳极气体流路121。因此，在完全关闭排气阀38的状态下，缓冲罐36内的氮气浓度逐渐变高，与此相对，缓冲罐36内的阳极气体浓度逐渐变低。
[0102]在此，由于电池堆负载越大，通过电极反应而被消耗的阳极气体量越多，因此，电池堆负载越大，越需要提高缓冲罐36内的阳极气体浓度。
[0103]因此，在本实施方式中，排气阀38的通常目标开度设定为，电池堆负载越大，使向燃料电池系统I的外部排出的氮气量越多。即，排气阀38的通常目标开度设定为，电池堆负载越大，使从缓冲罐36通过排气通路37而向燃料电池系统11的外部排出的阳极尾气量越多。
[0104]在图7的图表中，电池堆负载越大，排气阀38的通常目标开度越小，其原因在于，电池堆负载越大，阳极压力的基准压力越增加，即使排气阀38的开度减小，向燃料电池系统I的外部排出的阳极尾气量也增多。
[0105]如上所述，在本实施方式中，设定预先利用实验等获得的与电池堆负载相对应的排气阀38的通常目标开度，以使得对应于电池堆负载，缓冲罐内的阳极气体浓度成为期望的浓度，并将其作为图表而存储在控制器4中。
[0106]图8是对下降过渡运转处理进行说明的流程图。
[0107]在步骤S71中，控制器4将下降过渡中标志设定为I。
[0108]在步骤S72中，控制器4将调压阀33完全关闭。
[0109]在步骤S73中，控制器4参照后述的图8的图表，基于电池堆负载即燃料电池堆2的目标输出电力而计算下降过渡运转中的排气阀38的目标开度(以下称为“下降过渡目标开度”)。
[0110]在步骤S74中，控制器4控制排气阀38的开度，以成为下降过渡目标开度。
[0111]在步骤S75中，控制器4判定阳极压力是否到达下限值。如果阳极压力已到达下限值，则控制器4进行步骤S76的处理，否则结束本次处理。
[0112]在步骤S76中，控制器4将下降过渡运转中标志Fl设定为O。
[0113]图9是基于电池堆负载即燃料电池堆2的目标输出电力，设定排气阀38的下降过渡目标开度的图表。在图9中，实线是排气阀38的下降过渡目标开度，虚线是排气阀38的通常目标开度。
[0114]如图9所示，排气阀38的下降过渡目标开度设定为，高于通常目标开度。
[0115]图10是对本实施方式所涉及的脉动运转控制的动作进行说明的时序图。在图10中，将在下降过渡运转中将排气阀38设定为通常目标开度的情况下的动作作为对比例而由虚线表示。下面，为了使与流程的对应关系明确化，将流程的步骤编号一并记载而进行说明。
[0116]如果在时刻tll，燃料电池系统I的运转状态变化，燃料电池堆的目标输出电力(电池堆负载)降低，则对应于降低后的目标输出电力而计算阳极压力的基准压力及脉动宽度，并设定阳极压力的上限值及下限值(图10(A) ;S3)。
[0117]另外，通过燃料电池堆的目标输出电力降低而进入下降过渡运转处理(S4为是，S7)，调压阀33被控制为完全关闭(图10(B) ;S72)，并且，将调压阀33设定为下降过渡目标开度(图 10(C) ；S73, S74)。
[0118]此时，由于将下降过渡目标开度设定为大于通常目标开度(图10(C))，因此，与将排气阀38设定为通常目标开度时相比，能够加快下降过渡运转中的阳极压力的降低速度(图 10(A))。
[0119]由此，与在下降过渡运转中将排气阀38设定为通常目标开度时相比，能够缩短阳极压力到达下限值为止所需的时间。
[0120]图11是对本实施方式所涉及的脉动运转控制的效果进行说明的图。
[0121]在图11中，实线表示对应于时间的经过，在实施了本实施方式所涉及的脉动运转控制时，即在下降过渡运转中将排气阀38设定为下降过渡目标开度时，在下降过渡运转中的阳极气体流路121内的阳极气体的浓度分布。另一方面，虚线表示对应于时间的经过，在没有实施本实施方式所涉及的脉动运转控制时，即在下降过渡运转中将排气阀38设定为通常目标开度时，在下降过渡运转中的阳极气体流路121内的阳极气体的浓度分布。
[0122]与在下降过渡运转中将排气阀38设定为通常目标开度时相比，在实施了本实施方式所涉及的脉动运转控制时，能够缩短阳极压力到达下限值为止所需的时间。因此，如图11中实线所示，能够对流路内最低阳极气体浓度低于规定浓度的情况进行抑制。由此，能够抑制燃料电池10的劣化，并能够抑制发电效率的降低。
[0123](第2实施方式)
[0124]下面，对本发明的第2实施方式进行说明。本实施方式与第I实施方式的不同点在于，在下降过渡运转前的阳极压力与下降过渡运转中的阳极压力的压差变得比规定的阀开度切换压力大之后，将排气阀38的开度设定为下降过渡目标开度。下面，以该不同点为中心进行说明。此外，在以下的各实施方式中，对实现与上述的第I实施方式相同功能的部分使用相同的标号并适当省略重复说明。
[0125]如果在下降过渡运转中将排气阀38的开度设定为下降过渡目标开度，则向燃料电池系统I的外部排出的阳极尾气量变多。由于在阳极尾气中含有在电极反应中没有使用的未使用阳极气体，因此，向燃料电池系统I的外部排出的阳极尾气量越多，燃料消耗越恶化。
[0126]如本实施方式所示，在将燃料电池系统I搭载在车辆中的情况下，在下降过渡运转中，有时会在阳极压力到达下限值之前，再次踏入加速器踏板。即，即使将排气阀38的开度设定为通常目标开度，有时也会在流路内最低阳极气体浓度低于规定浓度前踏入减速器踏板，使下降过渡运转结束。
[0127]在上述情况下，如果从最开始就将排气阀38的开度设定为下降过渡目标开度，则向燃料电池系统I的外部排出的阳极尾气量变多，燃料消耗恶化。
[0128]因此，在本实施方式中，在下降过渡运转前的阳极压力与下降过渡运转中的阳极压力的压差ΛΡ变得比规定的阀开度切换压力大之后，将排气阀38的开度设定为下降过渡目标开度。即，在下降过渡运转中，在阳极压力下降了阀开度切换压力后，将排气阀38的开度设定为下降过渡目标开度。
[0129]图12是对本实施方式所涉及的脉动运转控制进行说明的流程图。控制器44在燃料电池系统11的运转中以规定的运算周期(例如1ms)执行本程序。从步骤SI至步骤S7的处理由于与第I实施方式相同，因此在此省略说明。
[0130]在步骤Sll中，控制器4存储由压力传感器34检测出的阳极压力。在步骤Sll中存储的阳极压力是下降过渡运转开始时的阳极压力。下面，将在该步骤Sll中存储的阳极压力称为“下降过渡开始时阳极压力”。
[0131]图12是对本实施方式所涉及的下降过渡运转处理进行说明的流程图。从步骤S71至步骤S76的处理由于与第I实施方式相同，因此在此省略说明。
[0132]在步骤SlOl中，控制器4计算下降过渡开始时阳极压力与下降过渡运转中的阳极压力的压差Λ P。
[0133]在步骤S102中，控制器4判定压差Λ P是否大于或等于阀开度切换压力。在压差Δ P大于或等于阀开度切换压力时，控制器4进行步骤S73的处理。另一方面，如果压差Λ P小于阀开度切换压力，则进行步骤S103的处理。
[0134]在步骤S103中，控制器4参照上述的图7的图表，基于电池堆负载计算通常目标开度。
[0135]在步骤S104中，控制器4将排气阀38的开度控制为通常目标开度。
[0136]图14是对本实施方式所涉及的脉动运转控制的动作进行说明的时序图。在图14中，将在下降过渡运转中将排气阀38设定为通常目标开度的情况下的动作作为对比例，而由虚线表示。下面，为了使与流程的对应关系明确化，将流程的步骤编号一并记载而进行说明。
[0137]如果在时刻t21，燃料电池系统I的运转状态变化，燃料电池堆的目标输出电力(电池堆负载)降低，则对应于降低后的目标输出电力而计算阳极压力的基准压力及脉动宽度，并设定阳极压力的上限值及下限值(图14(A) ;S3)。
[0138]另外，通过燃料电池堆的目标输出电力降低而存储下降过渡开始时阳极压力(S4为是，S11)，并且，进入下降过渡运转处理(S7)，调压阀33被控制为完全关闭(图14(B)；S72)。
[0139]此时，在本实施方式中，直至下降过渡开始时阳极压力与下降过渡运转中的阳极压力的压差Λ P成为阀开度切换压力的时刻t22为止(图14(A))，将排气阀38的开度控制为通常目标开度(图14(C) ;S102为否，S103、S014)。并且，在下降过渡开始时阳极压力与下降过渡运转中的阳极压力的压差ΛΡ大于或等于阀开度切换压力的时刻t22及其以后(图14(A))，将排气阀38的开度控制为下降过渡目标开度(图14(C) ;S102为是，S73、S74)。
[0140]由此，除了获得与第I实施方式相同的效果以外，由于能够减少在下降过渡运转中从燃料电池系统I排出的未使用的阳极气体量，因此能够抑制燃料消耗的恶化。
[0141](第3实施方式)
[0142]下面，对本发明的第3实施方式进行说明。本实施方式与第2实施方式的不同点在于，下降过渡运转前的电池堆负载越大，越增大阀开度切换压力。下面，以该不同点为中心进行说明。
[0143]图15A及图15B是对应于下降过渡运转前的缓冲罐36内的阳极气体浓度，对以相同时间实施了下降过渡运转的情况下的下降过渡运转后的阳极气体流路121内的阳极气体的浓度分布进行比较后的图。图15A是下降过渡运转前的缓冲罐36内的阳极气体浓度较高时的图。图15B是下降过渡运转前的缓冲罐36内的阳极气体浓度较低时的图。
[0144]如上述所示，缓冲罐36内的阳极气体浓度被控制为，电池堆负载越大，该浓度越闻。
[0145]在此，如图15A及图15B所示，在实施下降过渡运转的时间相同的情况下，下降过渡运转前的缓冲罐36内的阳极气体浓度越低，流路内最低阳极气体浓度越低。
[0146]因此，如第2实施方式所示，如果将阀开度切换压力设为固定值，则在下降过渡运转前的缓冲罐36内的阳极气体浓度较低的情况下，即，下降过渡运转前的电池堆负载较低的情况下，在阳极电压到达下限值之前，有可能导致流路内阳极气体浓度低于规定浓度。
[0147]因此，在本实施方式中，对应于下降过渡运转前的电池堆负载而变更阀开度切换压力。具体来说，下降过渡运转前的电池堆负载越低，使阀开度切换压力越低。
[0148]图16是对本实施方式所涉及的下降过渡运转处理进行说明的流程图。从步骤S71至步骤S76、步骤SlOl至步骤S104的处理由于与第I实施方式及第2实施方式相同，因此在此省略说明。
[0149]在步骤S201中，控制器4对应于电池堆负载而设定阀开度切换压力。设定为电池堆负载越低，阀开度切换压力越低。
[0150]根据以上说明的本实施方式，在电池堆负载越低时，使阀开度切换压力越低。由此，即使在下降过渡开始时阳极压力与下降过渡运转中的阳极压力的压差ΛΡ大于或等于阀开度切换压力后，将排气阀38的开度设定为下降过渡目标开度，也能够对流路内阳极气体浓度低于规定浓度的情况进行限制。由此，能够抑制燃料消耗的恶化，且能够更可靠地抑制燃料电池堆的劣化。
[0151](第4实施方式)
[0152]下面，对本发明的第4实施方式进行说明。本实施方式与第I实施方式的不同点在于，在下降过渡运转开始而阳极压力降低至下限值为止后，在固定期间将排气阀38控制为下降过渡目标开度。下面，以该不同点为中心进行说明。
[0153]图17是表示下降过渡运转刚结束后的阳极气体流路内的阳极气体的浓度的图。
[0154]如图17所示，在下降过渡运转刚结束后，在阳极气体流路121的内部的沉淀点处，阳极气体浓度局部地比其他部位低。并且，从该状态开始，在对应于目标输出电力而设定的阳极压力的上限值及下限值的范围内实施脉动运转。
[0155]在此，在阳极气体流路121的内部，局部地产生阳极气体浓度比其他部位低的部分的状态下，如果使排气阀38的开度返回至通常目标开度而实施脉动运转，则有可能在沉淀点残留在阳极气体流路121的内部的状态下实施脉动运转。这样，有可能导致燃料电池劣化，发电性能降低。
[0156]因此，在本实施方式中，如图18所示，在下降过渡运转结束后，直至通过脉动运转而沉淀点出现在阳极气体流路外为止，将排气阀38的开度维持为下降过渡目标开度。
[0157]图19是对实施方式所涉及的下降过渡运转处理进行说明的流程图。
[0158]在步骤S301中，控制器4判定下降过渡目标开度维持标志F3是否设定为I。下降过渡目标开度维持标志F3是初始值为0，在下降过渡运转结束后，即，阳极压力小于或等于下限值后，直至将排气阀38的开度返回至通常目标开度为止而被设定为I的标志。如果下降过渡目标开度维持标志设定为1，则控制器4进行步骤S306的处理。另一方面，如果下降过渡目标开度维持标志设定为0，则进行步骤S71的处理。
[0159]在步骤S302中，控制器4基于燃料电池堆的目标输出电力的降低幅度，推定阳极气体流路内的沉淀点位置，并计算沉淀点距离。沉淀点距离是从阳极气体流路的出口侧(缓冲罐36侧)至沉淀点位置为止的距离。燃料电池堆的目标输出电力的降低幅度越大，下降过渡运转时间越长，因此沉淀点距离也越大。
[0160]在步骤S303中，控制器4基于沉淀点距离、燃料电池堆的目标输出电力，计算直至沉淀点出现在阳极气体流路外为止所需的时间(以下称为“排气阀切换时间”)。沉淀点距离越大，排气阀切换时间越长。另外，燃料电池堆的目标输出电力越小，在脉动运转中的阳极压力升压时，将阳极气体压入至缓冲罐36内的力越小，因此排气阀切换时间越长。
[0161]在步骤S304中，控制器4基于阳极压力的上限值，以使阳极压力能够至少上升至其上限值为止的方式，设定调压阀33的开度。
[0162]在步骤S305中，控制器4将调压阀33打开至在步骤S304中设定的开度。
[0163]在步骤S306中，控制器4计算从阳极压力小于或等于下限值算起的经过时间。具体来说，在直至前次为止的经过时间上加上运算周期，而作为本次的经过时间。
[0164]在步骤S307中，控制器4对从阳极压力小于或等于下限值算起的经过时间是否大于或等于排气阀切换时间进行判定。如果从阳极压力小于或等于下限值算起的经过时间大于或等于排气阀切换时间，则控制器4进行步骤S76的处理，否则进行步骤S308的处理。
[0165]在步骤S308中，控制器4将下降过渡目标开度维持标志F3设定为I。
[0166]在步骤S309中，控制器4将下降过渡目标开度维持标志F3设定为O。
[0167]根据以上说明的本实施方式，在下降过渡运转结束后，直至通过脉动运转，沉淀点位置出现在阳极气体流路外为止，将排气阀38的开度维持为下降过渡目标开度。
[0168]由此，能够对在阳极气体流路内，局部地产生阳极气体浓度比其他部位低的部分的状态持续的情况下实施脉动运转的情况进行抑制。由此，能够抑制燃料电池的劣化，并且，能够抑制发电性能的恶化。
[0169]以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只不过示出了本发明的应用例的一部分，并不是将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。
[0170]例如，在上述各实施方式中，在燃料电池堆2的下游有意地设置有缓冲罐36，但上述部件并非是必须的，也可以将通常的配管或燃料电池堆2的内部歧管视作缓冲罐。
[0171]另外，在上述第I实施方式中，设定为将下降过渡目标开度相对于通常目标开度而一律地增大规定开度，但也可以对应于下降过渡运转中的阳极压力而阶段性地从通常目标开度变更至下降过渡目标开度。即，随着下降过渡运转中的阳极压力降低，可以使阳极尾气的排出量变多。
[0172]其原因在于，由于在阳极压力较高时，处于缓冲罐36内的阳极气体浓度也较高的状态，因此，即使排气阀38的开度较小，流路内最低阳极气体浓度低于规定浓度的可能性也降低。由此，能够将向燃料电池系统I的外部排出的阳极尾气的量减少，因此能够改善燃料消耗。
[0173]另外，在上述第2实施方式中，也可以使得下降过渡运转后的电池堆负载越高，阀开度切换压力越小。其原因在于，如果下降过渡运转后的电池堆负载较高，则下降过渡开始时阳极压力与下降过渡运转后的阳极压力的下限值的压差小于阀开度切换压力，有可能无法在下降过渡运转中将排气阀38变更为下降过渡目标开度。
[0174]另外，在上述第3实施方式中，以控制排气阀38的开度，从而对应于电池堆负载使缓冲罐36内的阳极气体浓度成为期望浓度为前提，对应于电池堆负载而对阀开度切换压力进行了变更。但是，也可以是检测或推定缓冲罐36内的氢气浓度，缓冲罐36内的阳极气体浓度越高，使阀开度切换压力越高。
[0175]在检测缓冲罐36内的阳极气体浓度的情况下，只要将温度传感器安装在缓冲罐36中即可。
[0176]在推定缓冲罐36内的阳极气体浓度的情况下，只要通过对从阴极侧透过至阳极侧的氮气量减去向燃料电池系统I的外部排出的氮气量而得到的结果进行累积，从而推定缓冲罐36内的阳极气体浓度即可。从阴极侧透过至阳极侧的氮量，与电解质膜的透过系数、阴极气体中的氮气分压与阳极气体中的氮气分压的分压差相对应而变化。
[0177]在此，电解质膜的透过系数是由电解质膜的材质和膜厚决定的物理特性值，随电池堆温度变化。因此，预先通过实验等求出与电池堆温度相对应的电解质膜的透过系数，并作为对应图而存储在控制器4中，从而能够对应于电池堆温度而计算电解质膜的透过系数。电池堆温度越高，电解质膜的透过系数越大。
[0178]另一方面，将阴极气体中的氮气分压的初始值设为例如76[kPa]，将阳极气体中的氮气分压的初始值设为O [kPa]，通过对应于透过氮量而使阳极气体中的氮气分压增大，从而能够计算阴极气体中的氮气分压与阳极气体中的氮气分压的分压差。
[0179]另外，在上述实施方式中，在下降过渡运转时，通过使对应于发电状态而设定的排气阀38的开度增大，从而在下降过渡运转时，抑制在阳极气体流路内发生的局部的氢气浓度降低。
[0180]与此相对，在利用打开.关闭的排气阀38实施排气控制的情况下，可以按照下述方式进行。
[0181]首先，推定从阴极侧经由MEAll而进入阳极侧的杂质量(主要为氮气)。杂质量依赖于发电电流、MEAll的湿度(燃料电池的内部阻抗)。
[0182]然后，对为了将推定出的杂质量排出所需的排气阀38的开阀时间进行设定。
[0183]排气阀38的开阀每隔规定时间(例如5秒)实施，通过使每隔规定时间的排气阀38的开阀时间变化而排出杂质，将缓冲罐内的氢浓度维持为规定的管理浓度。
[0184]在此，在发生了下降过渡运转的情况下，为了使得成为目标的阳极压力降低，将由调压阀33实施的氢气的供给停止。另一方面，由于发电而在阳极气体流路内的氢气的消耗继续，为了将对应于发电量的排气流量排出而实施排气阀38的开阀。但是，由于阳极气体流路内的氢气的消耗速度比由排气阀38实施的阳极尾气的排出速度块，因此，导致缓冲罐内的杂质逆流至阳极气体流路侧，在阳极气体流路内发生局部的氢气浓度降低。
[0185]因此，在发生了下降过渡运转的情况下，与用于将对应于发电电流、MEAll的湿度而计算的杂质量排出的排气阀38的开阀时间相比，进行更长时间的开阀。更优选调整为，即使发生了逆流，阳极气体流路内的局部的氢浓度降低也不会低于规定浓度。规定浓度是根据即使实施反复的下降过渡，考虑到产品寿命所能够容许的催化剂的劣化决定的。
[0186]本申请基于在2011年12月28日向日本特许厅申请的特愿2011 — 288517号而主张优先权，该申请的全部内容通过参照而加入本说明书。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统，其向燃料电池供给阳极气体及阴极气体而使其发电，其中， 该燃料电池系统具有: 控制阀，其控制向所述燃料电池供给的阳极气体的压力； 缓冲部，其存储从所述燃料电池排出的阳极尾气； 排气阀，其调节从所述缓冲部排出的阳极尾气的流量； 脉动运转单元，其对应于所述燃料电池的负载，增大与所述控制阀相比更靠近下游的阳极气体的压力，并且使其发生变动；以及 排气单元，其对应于所述燃料电池的负载而控制所述排气阀的开度， 所述排气单元，在所述燃料电池的负载降低的下降过渡运转时，使对应于所述燃料电池的负载而被控制的所述排气阀的开度增大。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中， 所述排气单元，在所述下降过渡运转前的稳定运转时的阳极气体的压力与下降过渡运转中的阳极气体的压力的压差大于或等于规定压力时，使对应于所述燃料电池的负载而被控制的所述排气阀的开度增大。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中， 所述排气单元控制所述排气阀的开度量，以使得在所述燃料电池的负载越高时，所述缓冲部的阳极气体的浓度越高， 在下降过渡运转前的稳定运转时的所述燃料电池的负载越高时，越增大所述规定压力。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中， 具有对所述缓冲部的阳极气体的浓度进行检测或推定的单元， 所述排气单元，在所述缓冲部的阳极气体浓度越高时，越增大所述规定压力。
5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中， 所述排气单元在下降过渡运转后的所述燃料电池的负载越高时，越减小所述规定压力。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其中， 下降过渡运转中的阳极气体的压力越低，所述排气单元越增大对应于所述燃料电池的负载而被控制的所述排气阀的开度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述排气单元，在下降过渡运转结束后，直至在下降过渡运转中在所述燃料电池的阳极气体流路内产生的沉淀点出现在阳极气体流路外为止，使对应于所述燃料电池的负载而被控制的所述排气阀的开度增大。
8.一种燃料电池系统，其向燃料电池供给阳极气体及阴极气体而使其发电，其中， 该燃料电池系统具有: 控制阀，其控制向所述燃料电池供给的阳极气体的压力； 缓冲部，其存储从所述燃料电池排出的阳极尾气； 排气阀，其用于排出所述缓冲部的阳极尾气； 脉动运转单元，其对应于所述燃料电池的负载，增大与所述控制阀相比更靠近下游的阳极气体的压力，并且使其发生变动； 排气流量计算单元，其基于所述燃料电池的负载而计算排气流量；以及 排气单元，其基于所述排气流量而变更所述排气阀的开阀时间， 所述排气流量计算单元，在所述燃料电池的负载降低的下降过渡运转时，增加所述排气流量。
【文档编号】H01M8/04GK104185919SQ201280062690
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2012年11月21日 优先权日:2011年12月28日
【发明者】池添圭吾, 筑后隼人, 富田要介, 市川靖 申请人:日产自动车株式会社