燃料电池系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料电池系统。
【背景技术】
[0002]可获得的燃料电池具有以下结构，其中电解质隔膜被夹在两极(阴极和阳极)的催化剂层之间，并且被进一步夹在两极的气体扩散层之间。当在凝固点以下启动燃料电池时，存在发电期间产生的水将冻结并且催化剂层将与电解质隔膜分离的风险。因此，已经提出一种以以下方式控制燃料电池的操作的技术，即当在凝固点以下启动燃料电池时，流入阴极侧催化剂层的水量不超过容许量(例如，参见日本专利申请公开N0.2011-113774 (JP2011-113774A))。
[0003]在一种可获得的燃料电池系统中，反应气体在被供应至燃料电池之前经加湿，以便在燃料电池内的电解质隔膜中保持良好的含水状态。另一方面，响应对燃料系统简化的需求，已经研究了移除对反应气体加湿的加湿器。由于存在电解质隔膜在高温操作期间变干的风险，所以当不对反应气体加湿时，就期望使得电解质隔膜的厚度比现有技术中更小，以便保持电解质隔膜的令人满意的含水状态。这是因为考虑到当将电解质隔膜做得薄时，大量的水从阴极侧朝着阳极侧(下文将这种水称为“逆向扩散水”)移动，由此防止电解质隔膜变干。然而，当存在大量的逆向扩散水时，存在当在凝固点以下启动电池时，由于阳极侧上的水冻结而使催化剂层与电解质隔膜分离的风险。
[0004]因此，要求一种调节流入阳极侧催化剂层的水量的技术。需要这种技术以实现燃料电池适当操作，并且不仅用于在凝固点以下启动。除此之外，存在在可获得的燃料电池系统中降低成本、降低资源使用、简化制造以及提高性能等等的需求。
【发明内容】
[0005]本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统，包括:燃料电池，其具有电解质隔膜与阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层的至少一个组合，阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层被设置成与电解质隔膜接触并且具有多个细孔；输出电流获取单元，其获取燃料电池的输出电流；和控制单元，其操作燃料电池，使得从燃料电池输出根据外部负荷确定的输出电流。输出电流获取单元以指定定时获取燃料电池的第一输出电流。当控制单元确定在燃料电池以指定定时获取的第一输出电流持续发电时流至阳极侧催化剂层的阳极流入水量超过指定阳极侧容许水量时，控制单元执行电流限制控制，以与外部负荷的需求无关地以高于第一输出电流的第二输出电流操作燃料电池。
[0006]根据这种燃料电池系统，当确定阳极流入水量超过阳极侧容许水量时，就与外部负荷的需求无关地以比做出确定时的输出电流更高的输出电流操作燃料电池。在这种燃料电池系统中，与外部负荷要求输出电流增大或减小的定时无关地，当确定阳极流入水量超过阳极侧容许水量时就增大输出电流。换句话说，即使外部负荷的需求为均匀输出电流或降低的输出电流，当确定阳极流入水量超过阳极侧容许水量时也增大输出电流。可根据外部负荷的需求改变输出电流的增大范围。由于当输出电流低时，阳极流入水量变得更大，则可能通过提高输出电流而抑制过量阳极流入水量的发生。因此，可能抑制过量阳极入流水导致的燃料气体不足，并且能够抑制燃料电池性能的降低。此外，也可能抑制由于阳极入流水冻结导致的阳极催化剂层与电解质隔膜的分离。
[0007]当获取温度低于指定温度时，控制单元可基于输出电流实施电流限制控制。通过采取这种配置，可能当在低温下启动燃料电池等等时实施电流限制控制。
[0008]控制单元可通过使用根据燃料电池的温度设定的指定时段期间的阳极流入水量，确定阳极流入水量是否超过指定阳极侧容许水量。通过采取这种配置，能够基于燃料电池的温度做出适当的确定。
[0009]当燃料电池以指定输出电流持续发电，直到阳极流入水量达到指定阳极侧容许水量时的时间可被设定为阳极侧容许时间；控制单元可包括阳极容许时间表，其指示指定输出电流和阳极侧容许时间之间的关系；并且阳极容许时间和指定时段彼此相等的指定输出电流可被设定为第二输出电流的下限。通过采用这种配置，可能根据输出电流实施适当的电流限制控制。
[0010]指定温度可为凝固点。通过在燃料电池的温度低于凝固点时实施电流限制控制，可能抑制由于阳极入流水冻结导致的阳极催化剂层与电解质隔膜分离。
[0011]指定时段可为直到燃料电池的温度变得等于或高于凝固点的时段。通过采用这种配置，由于在直到燃料电池的温度变得等于或高于凝固点的时段期间，阳极入流量被调节为不超过阳极侧容许水量，则可能更适当地抑制由于阳极入流水冻结导致的阳极催化剂层与电解质隔膜分离。
[0012]当控制单元确定在燃料电池以第一输出电流持续发电时流至阴极侧催化剂层的阴极流入水量超过指定阴极侧容许水量时，控制单元可在电流限制控制期间，与外部负荷的要求无关地，以低于第一输出电流的第三输出电流操作燃料电池。通过采取这种配置，可能根据输出电流以以下方式适当地控制燃料电池系统的操作，即在阴极侧上，阴极流入水量也不超过阴极侧容许水量。
[0013]控制单元可通过使用根据燃料电池的温度设定的指定时段期间的阴极流入水量，确定阴极流入水量是否超过指定阴极侧容许水量。通过采取这种配置，能够基于燃料电池的温度做出适当的确定。
[0014]当燃料电池以指定输出电流持续发电时，直到阴极流入水量达到指定阴极侧容许水量时的时间可被设定为阴极侧容许时间；控制单元可包括阴极容许时间表，其指示指定输出电流和阴极侧容许时间之间的关系；并且阴极容许时间和指定时段彼此相等的指定输出电流可被设定为第三输出电流的上限。通过采用这种配置，可能根据输出电流实施适当的电流限制控制。
[0015]本发明的第二方面涉及一种用于具有燃料电池的燃料电池系统的控制方法，该燃料电池具有电解质隔膜与阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层的至少一个组合，阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层被设置成与电解质隔膜接触并且具有多个细孔；该控制方法包括:(a)获取燃料电池的输出电流的步骤；(b)确定在燃料电池以所获取的输出电流持续发电时流至阳极侧催化剂层的阳极流入水量是否超过指定的阳极侧容许水量的步骤；和(C)当在步骤(b)中确定在燃料电池以所获取的输出电流持续发电时流至阳极侧催化剂层的阳极流入水量超过指定阳极侧容许水量时，与外部负荷的需求无关地以高于所获取的输出电流的输出电流操作燃料电池的步骤。
[0016]根据这种控制方法，当确定阳极流入水量超过阳极侧容许水量时，燃料电池以比做出确定时的输出电流高的输出电流操作，与外部负荷的要求无关。由于当输出电流低时，阳极流入水量变大，所以可能通过增大输出电流而抑制过量阳极流入水量的发生。因此，可能抑制由于过量阳极入流水导致的燃料气体不足，并且能够抑制燃料电池性能的降低。此夕卜，也可能抑制由于阳极入流水冻结导致的阳极催化剂层与电解质隔膜分离。
[0017]能够以各种模式实施本发明。例如，能够作为其中安装燃料电池系统的移动体、用于实现燃料电池系统的控制方法的功能的计算机程序、在其上记录计算机程序的记录媒体等等实施本发明。
【附图说明】
[0018]下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点和技术以及工业意义，其中相同数字指示相同元件，并且其中:
[0019]图1是示出作为本发明一个实施例的燃料电池系统的一般构造的示意图；
[0020]图2是示出燃料电池的构造的视图；
[0021]图3是示出存储在控制单元中的容许时间表的示意图；
[0022]图4是示出在燃料电池系统中执行的电流限制过程的程序的流程图；
[0023]图5是示出在燃料电池系统中执行的电流限制过程的程序的流程图；
[0024]图6是示出当实施电力限制过程时燃料电池堆的输出电流变化的示意图；和
[0025]图7是示出在根据一种变型的燃料电池系统中执行的电流限制过程的程序的流程图。
【具体实施方式】
[0026]A.第一实施例:
[0027](Al)燃料电池系统的构造:图1是示出作为本发明一个实施例的燃料电池系统的近似构造的示意图。在该实施例中，燃料电池系统100被安装在电动汽车中，并且在其中用作供应驱动电力的系统。燃料电池系统100具有:燃料电池堆110、储氢罐40、电磁阀41、循环栗42、燃烧气体供应路径93、燃烧气体排放路径94、空气压缩机50、氧气供应路径91、氧气排放路径92、电流测量单元71、温度测量单元74和控制单元20。
[0028]燃料电池堆110具有堆叠在一起的多个燃料电池10、两个端子板111和两个端板112。两个端子板111为用于整个燃料电池堆110的两个电极(阳极和阴极)，其被设置成将堆叠的燃料电池10夹在其间。两个端子板111电连接至形成负荷的驱动马达62。两个端板112被设置成将两个端子板111夹在其间。两个端板112通过张力板(未示出)彼此连接，并且通过堆叠方向中的预定压缩力紧固燃料电池10。
[0029]图2是示出图1中所示的燃料电池10的构造的横截面图。如图2中的上部所示，燃料电池10具有电解质隔膜12、阳极侧催化剂层13a、阳极侧气体扩散层14a、阳极侧隔板15a、阴极侧催化剂层13c、阴极侧气体扩散层14c和阴极侧隔