燃料电池系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池系统。
【背景技术】
[0002]在JP2012-134166A中，作为以往的燃料电池系统，公开了具备怠速停止(idle-Stop)功能的系统，其中，所述怠速停止功能是指在低负载时等将燃料电池的发电暂时停止，通过2次电池的电力来运转燃料电池系统。
【发明内容】
[0003]在基于燃料电池的发电中，为了抑制电解质膜的机械强度的降低，根据燃料电池的负载来控制供应给各自的电极的各反应气体的压力，以使燃料电池内的阳极侧与阴极侧的差压(以下称作“膜间差压”。)不会成为规定的允许膜间差压以上。
[0004]在此，在燃料电池系统的启动时或从怠速停止的恢复时(以下也称作“IS恢复时”。)等，在基于燃料电池的发电的开始时，一般来说成为在燃料电池内的阳极气体流道中混入了作为杂质的空气的状态。因此，在基于燃料电池的发电的开始时，需要将该阳极气体流道内的空气从燃料电池的活性区域(发电区域)中排出。
[0005]因此，在启动时，允许膜间差压成为允许膜间差压以上，将阳极气体的供应压控制为例如最大压力而尽可能提高。由此，能够将阳极气体流道内的空气迅速从活性区域全部排出，并且通过阳极气体进行置换。
[0006]另一方面，在IS恢复时也允许膜间差压成为允许膜间差压以上，则IS恢复与启动相比频度高，因此，担忧电解质膜的机械强度的降低，存在变得不能确保所要求的燃料电池的耐久性能的顾虑。
[0007]因此，在IS恢复时，考虑例如以根据燃料电池的负载而变动的阴极气体的压力为基准，在膜间差压不超过允许膜间差压的范围内尽可能提高阳极气体的供应压。
[0008]然而，若这样的话，IS恢复时的阳极气体的供应压基本上变得比启动时更低，因此，存在不能将阳极气体流道内的空气完全地由阳极气体进行置换的情况。
[0009]在该情况下，关于残留在阳极气体流道内的空气，需要通过对阳极废气进行清除而逐渐向阳极气体排出通路进行排出，但是，若在清除中燃料电池的负载降低而阴极气体的供应压降低并且阳极气体的供应压降低，则存在已排出到阳极气体排出通路的空气再次逆流来到活性区域内的顾虑。
[0010]如此，在阳极气体流道内空气残留的状态下，若暂时排出的空气再次逆流到活性区域，则特别是在活性区域的下游促进饥饿(Starvat1n)的发生。
[0011]本发明着眼于这样的问题而完成，其目的在于提供一种燃料电池系统，能够在IS恢复时，抑制电解质膜的机械强度的降低，并且抑制饥饿的发生。
[0012]根据本发明的某个方式，提供具有能够将基于燃料电池的发电暂时停止的怠速停止功能的燃料电池系统。该燃料电池系统具备:阴极压力控制部，基于燃料电池的负载，控制供应给燃料电池的阴极气体的压力；以及阳极压力控制部，将供应给燃料电池的阳极气体的压力控制为阴极气体的压力以上，以使与阴极气体的压力的差压成为规定差压以下。然后，阳极压力控制部在从怠速停止的恢复时，将供应给燃料电池的阳极气体的压力，控制为对相当于大气压的规定压加上所述规定差压后的恢复时压力。
【附图说明】
[0013]图1是说明本发明的一实施方式的燃料电池的结构的图。
[0014]图2是图1的燃料电池的I1-1I截面图。
[0015]图3是本发明的一实施方式的燃料电池系统的概略图。
[0016]图4是说明本发明的一实施方式的阳极压力控制的流程图。
[0017]图5是说明通常脉动运行的内容的方框图。
[0018]图6是表示氢分压下限值运算部的详细结构的方框图。
[0019]图7是表示脉动控制部的详细结构的流程图。
[0020]图8是说明氢置换促进处理的流程图。
[0021]图9是说明启动时活性区域内氢置换促进处理的内容的流程图。
[0022]图10是说明启动时缓冲罐内氢置换促进处理的内容的流程图。
[0023]图11是说明启动时脉动运行的内容的方框图。
[0024]图12是说明IS恢复时活性区域内氢置换促进处理的内容的流程图。
[0025]图13是说明IS恢复时缓冲罐内氢置换处理的流程图。
[0026]图14是说明IS恢复时脉动运行的内容的方框图。
[0027]图15是说明本发明的一实施方式的阳极压力控制的动作的时序图。
【具体实施方式】
[0028]以下，参照附图，说明本发明的一实施方式。
[0029]燃料电池通过阳极电极(燃料极)和阴极电极(氧化剂极)夹持电解质膜，对阳极电极供应含有氢的阳极气体(燃料气体)，对阴极电极供应含有氧的阴极气体(氧化剂气体)，从而进行发电。在阳极电极以及阴极电极这两个电极进行的电极反应如下。
[0030]阳极电极:2H2—4H++4e—...(I)
[0031]阴极电极:4H++4e+O2—^21^0...(2)
[0032]通过该(I)(2)的电极反应，燃料电池产生I伏特左右的电动势。
[0033]图1以及图2是说明本发明的一实施方式的燃料电池10的结构的图。图1是燃料电池10的概略立体图。图2是图1的燃料电池10的I1-1I截面图。
[0034]燃料电池10构成为在MEAll的表里两面上配置阳极隔离膜(Separat0r)12和阴极隔离膜13。
[0035]MEAll具备电解质膜111、阳极电极112、以及阴极电极113 JEAll在电解质膜111的一个面上具有阳极电极112，在另一个面上具有阴极电极113。在以下的说明中，将在MEAll之中，供应阳极气体以及阴极气体，发生上述的电极反应的区域，根据需要而称作“活性区域”。
[0036]电解质膜111是由氟系树脂形成的质子导电性的离子交换膜。电解质膜111在湿润状态下表现良好的导电性。
[0037]阳极电极112具备催化剂层112a和气体扩散层112b。触媒层112a与电解质膜111接触。触媒层112a由铂金或者携带了铂金等的炭黑粒子而形成。气体扩散层112b被设置在触媒层112a的外侧(电解质膜111的相反侧)，且与阳极隔离膜12接触。气体扩散层112b由具有充分的气体扩散性以及导电性的构件而形成，例如，由通过碳纤维组成的线织成的碳布而形成。
[0038]阴极电极113也与阳极电极112同样地，具备触媒层113a和气体扩散层113b。
[0039]阳极隔离膜12与气体扩散层112b接触。阳极隔离膜12具有用于对阳极电极112供应阳极气体的多个沟状的阳极气体流道121。
[0040]阴极隔离膜13与气体扩散层113b接触。阴极隔离膜13具有用于对阴极电极113供应阴极气体的多个沟状的阴极气体流道131。
[0041]流过阳极气体流道121的阳极气体和流过阴极气体流道131的阴极气体相互平行地向反方向流动。也可以设为相互平行地向同一方向流动。
[0042]在将这样的燃料电池10作为汽车用动力源而使用的情况下，由于所要求的电力大，因此，作为将几百片的燃料电池10进行了层叠的燃料电池堆(stack)l而使用。然后，构成对燃料电池堆I供应阳极气体以及阴极气体的燃料电池系统100，并取出车辆驱动用的电力。
[0043]图3是本发明的一实施方式的燃料电池系统100的概略图。
[0044]燃料电池系统100具备燃料电池堆1、阴极气体供排装置2、阳极气体供排装置3、堆冷却装置4、电力系统5、控制器6。
[0045]燃料电池堆I将多片燃料电池10进行了层叠，并且接受阳极气体以及阴极气体的供应，对车辆的驱动所需的电力进行发电。燃料电池堆I作为用于取出电力的端子，其具备阳极电极侧输出端子Ia和阴极电极侧输出端子lb。
[0046]阴极气体供排装置2具备阴极气体供应通路21、阴极气体排出通路22、过滤器23、空气流量传感器24、阴极压缩机25、阴极压力传感器26、水分回收装置(水回收装置(WaterRecovery Device)；以下称作“WRD”。)27、阴极调压阀28。阴极气体供排装置2对燃料电池堆I供应阴极气体，并且将从燃料电池堆I排出的阴极废气排出至外部空气。
[0047]阴极气体供应通路21是对燃料电池堆I供应的阴极气体所流动的通路。阴极气体供应通路21的一端连接到过滤器23，且另一端连接到燃料电池堆I的阴极气体入口孔。
[0048]阴极气体排出通路22是从燃料电池堆I排出的阴极废气所流动的通路。阴极气体排出通路22的一端连接到燃料电池堆I的阴极气体出口孔，且另一端成为开口端。阴极废气是阴极气体与由电极反应产生的水蒸气的混合气体。
[0049]过滤器23对要取入到阴极气体供应通路21的阴极气体中的异物进行去除。
[0050]空气流量传感器24被设置在与阴极压缩机25相比更上游的阴极气体供应通路21中。空气流量传感器24对被供应给阴极压缩机25且最终被供应给燃料电池堆I的阴极气体的流量进行检测。
[0051]阴极压缩机25被设置在阴极气体供应通路21中。阴极压缩机25经由过滤器23而将作为阴极气体的空气(外部空气)取入到阴极气体供应通路21中，供应给燃料电池堆I。
[0052]阴极压力传感器26被设置在阴极压缩机25与WRD27之间的阴极气体供应通路21中。阴极压力传感器26对WRD27的阴极气体入口部附近的阴极气体的压力(以下称作“阴极压力”。)进行检测。以下，将该阴极压力传感器26的检测值，称作检测阴极压力。在本实施方式中，将该检测阴极压力，代用为面向活性区域的阴极气体流道131内的压力。
[0053]WRD27被连接到阴极气体供应通路21以及阴极气体排出通路22的各自，对在阴极气体排出通路22中流动的阴极废气中的水分进行回收，通过该回收的水分对在阴极气体供应通路21中流动的阴极气体进行加湿。
[0054]阴极调压阀28被设置在与WRD27相比更下游的阴极气体排出通路22中。阴极调压阀28通过控制器6被进行开闭控制，将被供应给燃料电池堆I的阴极气体的压力调节为期望的压力。另外，也可以设为不设置阴极调压阀28，而是设置节流孔(orifice)等的节流器。
[0055]阳极气体供排装置3对燃料电池堆I供应阳极气体，并且，将从燃料电池堆I排出的阳极废气排出到阴极气体排出通路22。阳极气体供排装置3具备高压罐31、阳极气体供应通路32、阳极调压阀33、阳极压力传感器34、阳极气体排出通路35、缓冲罐36、清除通路37、清除阀38。
[0056]高压罐31将供应给燃料电池堆I的阳极气体保持在高压状态而进行储藏。
[0057]阳极气体供应通路32是用于将从高压罐31排出的阳极气体供应给燃料电池堆I的通路。阳极气体供应通路32的一端被连接到高压罐31，另一端被连接到燃料电池堆I的阳极气体入口孔。
[0058]阳极调压阀33被设置在阳极气体供应通路32中。阳极调压阀33通过控制器6被进行开闭控制，将被供应给燃料电池堆I的阳极气体的压力调节为期望的压力。
[0059]阳极压力传感器34被设置在与阳极调压阀33相比更下游的阳极气体供应通路32中，对被供应给燃料电池堆I的阳极气体的压力(以下称作“阳极压力”。)进行检测。以下，将该阳极压力传感器34的检测值称作“检测阳极压力”。在本实施方式中，将该检测阳极压力，代用为面向活性区域的阳极气体流道121内的压力。
[0060]阳极气体排出通路35的一端被连接到燃料电池堆I的阳极气体出口孔，另一端被连接到缓冲罐36 ο在阳极气体排出通路35中排出在电极反应中未使用的剩余的阳极气体与从阴极电极侧向阳极电极侧透过来的氮或水分(生成水或水蒸气)等的杂