燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】本发明为了在因燃料电池单元的湿润程度的下降而使燃料电池的发电量减少时在短时间内使燃料电池单元的发电量增大，从而使燃料电池单元的阴极包括导电性材料、催化剂和用于覆盖上述导电性材料及催化剂的离子聚合物。当在时间tc1处燃料电池的输出电压值VFC变为低于阈值电压值VFCTH且燃料电池的电阻值RFC变为高于阈值电阻值RFCTH时，实施使被输送到燃料电池的氧化剂气体量QOFC增大的氧化剂气体增量控制。
【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]—直以来，已知一种如下的燃料电池系统，所述燃料电池系统具备:燃料电池单元，其具有膜电极接合体和氧化剂气体通道，其中，所述膜电极接合体具备电解质以及分别被配置于电解质的两侧的阴极及阳极，所述氧化剂气体通道向阴极供给氧化剂气体;氧化剂气体供给通道，其被连结在氧化剂气体通道的入口上;氧化剂气体供给器，其被配置于氧化剂气体供给通道内并用于向阴极输送氧化剂气体。
[0003]当燃料电池单元的、尤其是电解质或电极的湿润程度变低时，燃料电池单元的发电量或效率有可能变低。在此，燃料电池单元的湿润程度通过燃料电池单元的输出电流值来表示。即，燃料电池单元的输出电流值随着燃料电池单元的湿润程度变低而变小。另一方面，当燃料电池单元中被输送有氧化剂气体时，通过从燃料电池单元流出的氧化剂气体或阴极废气从而会使水分从燃料电池单元中被带走。当被输送到燃料电池单元的氧化剂气体量变少时，从燃料电池单元中被带走的水分含量将变少。
[0004]因此，公知一种如下的燃料电池系统，S卩，在燃料电池单元的输出电流小于预先确定的阈值电流值时，对氧化剂气体供给器进行控制以使向燃料电池单元输送的氧化剂气体量减少(参照专利文献I)。其结果为，被阴极废气带走的水分含量减少，因此，燃料电池单元的湿润程度逐渐升高、即被恢复。
[0005]在先技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特开2011-222176号公报
【发明内容】
[0008]发明要解决的问题
[0009]然而，在专利文献I中，只不过是抑制了从燃料电池单元中被带走的水分。因此，存在需要花费较长时间来使燃料电池单元的发电量增大或恢复这一问题点。
[0010]用于解决问题的方案
[0011]根据本发明，提供一种燃料电池系统，具备:燃料电池单元，其具有膜电极接合体和氧化剂气体通道，其中，所述膜电极接合体具备电解质以及分别被配置于电解质的两侧的阴极及阳极，所述氧化剂气体通道向阴极供给氧化剂气体;氧化剂气体供给通道，其被连结在氧化剂气体通道的入口上;氧化剂气体供给器，其被配置于氧化剂气体供给通道内并用于向阴极输送氧化剂气体，在所述燃料电池系统中，所述阴极包含导电性材料、催化剂和用于覆盖所述导电性材料及催化剂的离子聚合物，在燃料电池单元的输出电压值低于预先确定的阈值电压值且燃料电池单元的电阻值高于预先确定的阈值电阻值时，所述燃料电池系统实施对氧化剂气体供给器进行控制以使被输送到燃料电池单元的氧化剂气体量增大的氧化剂气体增量控制。
[0012]发明的效果
[0013]在由于燃料电池单元的湿润程度的下降而使燃料电池单元的发电量减少时，能够在短时间内使燃料电池单元的发电量增大。
【附图说明】
[0014]图1为燃料电池系统的整体图。
[0015]图2为膜电极接合体的局部放大剖视图。
[0016]图3为阴极的局部放大剖视图。
[0017]图4为对在阴极中的电化学反应进行说明的示意图。
[0018]图5为表示离子聚合物的氧溶解度的线图。
[0019]图6为表示现有技术中的燃料电池单元的输出电压值的变化的线图。
[0020]图7为表示本发明的实施例中的燃料电池单元的输出电压值的变化的线图。
[0021 ]图8为对恢复控制进行说明的时序图。
[0022]图9为对恢复控制进行说明的时序图。
[0023]图10为对恢复控制进行说明的时序图。
[0024]图11为表示执行恢复控制的程序的流程图。
[0025]图12为表示执行恢复控制的程序的流程图。
[0026]图13为本发明的另一实施例的燃料电池系统A的整体图。
[0027]图14为对本发明的另一实施例的恢复控制进行说明的时序图。
[0028]图15为对本发明的另一实施例的恢复控制进行说明的时序图。
[0029]图16为对本发明的另一实施例的恢复控制进行说明的时序图。
[0030]图17为表示执行本发明的另一实施例的恢复控制的程序的流程图。
[0031]图18为表示执行本发明的另一实施例的恢复控制的程序的流程图。
[0032]图19为对氧化剂气体增量控制的另一实施例进行说明的时序图。
[0033]图20为表示增大氧化剂气体量QOFCI与燃料电池单元的电阻值RFC之间的关系的线图。
[0034]图21为表示维持时间tFCI与燃料电池单元的电阻值RFC之间的关系的线图。
[0035]图22为表示增量次数NFCI与燃料电池单元的电阻值RFC之间的关系的线图。
【具体实施方式】
[0036]参照图1，燃料电池系统A具备燃料电池单元I。燃料电池单元I具有膜电极接合体
2。如图2所示，膜电极接合体2具备膜状的电解质2e、被形成在电解质2e的一侧的阳极2a和被形成在电解质2e的另一侧的阴极2c ο如图1所示，上述阳极2a及阴极2c—方面经由DC/AC转换器3而例如与车辆驱动用的电动机4电连接，另一方面经由AC/AC转换器5而与蓄电器6电连接。在图1所示的燃料电池系统A中，蓄电器6由蓄电池构成。此外，如图1及图2所示，在燃料电池单元I内，形成有用于向阳极2a供给燃料气体的燃料气体通道10和向阴极2c供给氧化剂气体的氧化剂气体通道20。在燃料电池单元I内还形成有用于向燃料电池单元I供给冷却水的冷却水通道30。
[0037]另外，在图1所示的燃料电池系统A中，设置有多个燃料电池单元I，通过使这些燃料电池单元I互相串联层叠，从而形成了燃料电池堆。在这种情况下，上述的燃料气体通道
10、氧化剂气体通道20及冷却水通道30分别互相连结在一起。
[0038]在燃料气体通道10的入口上连结有燃料气体供给通道11，燃料气体供给通道11被连结在燃料气体源12上。在本发明的实施例中，燃料气体由氢形成，燃料气体源12由氢罐形成。在燃料气体供给通道11内，配置有对在燃料气体供给通道11内流动的燃料气体的量进行控制的燃料气体控制阀13。另一方面，在燃料气体通道10的出口上连结有阳极废气通道14，在阳极废气通道14内配置有对在阳极废气通道14内流动的阳极废气的量进行控制的阳极废气控制阀15。当燃料气体控制阀13开阀时，燃料气体源12内的燃料气体经由燃料气体供给通道11而向燃料电池单元I内的燃料气体通道10内被供给。此时，从燃料气体通道10中流出的气体、即阳极废气，将流入到阳极废气通道14内。
[0039]此外，在氧化剂气体通道20的入口上连结有氧化剂气体供给通道21，氧化剂气体供给通道21被连结在氧化剂气体源22上。在本发明的实施例中，氧化剂气体由空气形成，氧化剂气体源22由大气形成。在氧化剂气体供给通道21内配置有对氧化剂气体进行压送的氧化剂气体供给器或压缩机23。另一方面，在氧化剂气体通道20的出口上连结有阴极废气通道24。当压缩机23被驱动时，氧化剂气体源22内的氧化剂气体经由氧化剂气体供给通道21而被供给到燃料电池单元I内的氧化剂气体通道20内。此时，从氧化剂气体通道20中流出的气体、即阴极废气，将流入到阴极废气通道24内。
[0040]在图1所示的实施例中，燃料电池单元I由逆流式燃料电池单元形成。即，燃料气体通道10的入口及氧化剂气体通道20的出口彼此相邻，燃料气体通道10的出口及氧化剂气体通道20的入口彼此相邻，因此，燃料气体及氧化剂气体在燃料电池单元I内以彼此大致平行且朝向相反方向的方式流动。在另一实施例中，燃料电池单元I由并流式燃料电池单元形成。即，燃料气体通道10的入口及氧化剂气体通道20的入口彼此相邻，燃料气体通道10的出口及氧化剂气体通道20的出口彼此相邻，因此，燃料气体及氧化剂气体在燃料电池单元I内以彼此大致平行且朝向相同方向的方式流动。在又一实施例中，燃料电池单元I由错流式燃料电池单元形成。即、燃料气体及氧化剂气体在燃料电池单元I内以彼此大致正交的方式流动。
[0041]进一步参照图1，冷却水供给通道31的一端被连接在冷却水通道30的入口上，冷却水供给通道31的另一端被连接在冷却水供给通道31的出口上。在冷却水供给通道31内，配置有对冷却水进行压送的冷却水栗32和散热器33。散热器33上游的冷却水供给通道31和散热器33与冷却水栗32之间的冷却水供给通道31通过散热器旁通通道34而被相互连结在一起。此外，设置有分别对在散热器旁通通道34内流动的冷却水量进行控制的散热器旁通控制阀35。在图1所示的燃料电池系统A中，散热器旁通控制阀35由三通阀形成，并被配置在散热器旁通通道34的入口处。当冷却水栗32被驱动时，从冷却水栗32喷出的冷却水将经由冷却水供给通道31而流入到燃料电池单元I内的冷却水通道30内，接着，将穿过冷却水通道30而流入到冷却水供给通道31内，再经由散热器33或散热器旁通通道34而返回至冷却水栗32。在这种情况下，当通过散热器旁通控制阀35而使被输送到散热器33的冷却水量增大时，冷却水温度将下降，因此，燃料电池单元I的温度下降。或者，当从冷却水栗32喷出的冷却水量增大时，燃料电池单元I的温度也下降。如此，冷却水供给通道31、冷却水栗32、散热器旁通控制阀35作为对燃料电池单元温度进行控制的燃料电池单元温度控制器而发挥作用。
[0042]电子控制单元50由数字计算机构成，并具备通过双向性总线51而相互连接的ROM(只读存储器)52、RAM(随机存取存储器)53、CPU(微处理器)54、输入端口 55以及输出端口56。在与燃料电池单元I内的冷却水通道30相邻的冷却水供给通道31上，安装有对冷却水的温度进行检测的温度传感器40。通过温度传感器40而被检测出的冷却水温表示燃料电池单元I的温度。此外，在燃料电池单元I的阳极2a和阴极2c之间，设置有分别对燃料电池单元I的输出电压值以及电阻值进行检测的电压计41以及电阻仪42。温度传感器40、电压计41以及电阻仪42的输出信号经由相对应的AD转换器57而向输入端口 55输入。另一方面，输出端口 56经由相对应的驱动电路58而与燃料气体控制阀13、阳极废气控制阀15、压缩机23、冷却水栗32、以及散热器旁通控制阀35连接。
[0043]图3为表示阴极2c的局部放大剖视图。如图3所示，阴极2c包含颗粒状的导电性材料2cl、覆盖导电性材料2cl的离子聚合物2c2和被负载于导电性材料2cl上的颗粒状的催化剂2c3。此外，在图3所示的示例中，导电性材料2cl由炭构成，离子聚合物2c2由与电解质2e相同或类似的电解质构成，催化剂2c3由白金构成。另外，在图3中，2c4表示在阴极2c上所形成的间隙。
[0044]另外，当在燃料电池单元I内的燃料气体通道10内被供给有燃料气体并在氧化剂气体通道20内被供给有氧化剂气体时，在燃料电池单元I中将产生电能。所产生的电能将被输送至车辆驱动用电动机4，并由此使电机4被驱动。或者，所产生的电能被输送到蓄电器6中，从而被存储起来。
[0045]在这种情况下，在阴极2c中，将实施如下的电化学反应(I)。
[0046]02+4H++4e ~
[0047]S卩，如图4所示，氢离子H+穿过电解质2e而到达阴极2c、尤其是催化剂2c3的表面。此外，氧O2透过离子聚合物2c2而到达催化剂2c3的表面。或者，氧O2穿过在阴极2c上所形成的间隙(图3)而到达催化剂2c3。而且，电子e—经由导电性材料2cl而到达催化剂2c3的表面。其结果为，发生了上述的电化学反应(I)，并产生水分。
[0048]但是，一直以来已知存在如下情况，S卩，当燃料电池单元I的温度变高时，将由于水分蒸发量的增大而使燃料电池单元1、尤其是膜电极接合体2的湿润程度下降，并且当燃料电池单元I的湿润程度下降时，燃料电池单元I的发电量或效率则有可能变低。针对该现象的机理，本申请
【发明人】们进行了深入细致的研究，其结果为，辨明了燃料电池单元I的发电量的下降与离子聚合物2c2的氧透过率有关。参照图5而对这种情况进行说明。
[0049]图5为表示离子聚合物的周围气氛的相对湿度(％)与离子聚合物的氧溶解度之间的关系的实验结果。该相对湿度表示离子聚合物的湿润程度。根据图5可知，当相对湿度下降时，离子聚合物的氧溶解度下降。另一方面，离子聚合物的氧透过度能够通过离子聚合物的氧溶解度与离子聚合物的氧扩散系数之积来表示。因此，当离子聚合物的湿润程度下降时，离子聚合物的氧透过率将会下降。
[0050]如果离子聚合物的氧透过率下降，则到达阴极2c的氧化剂气体量或氧量将减少。其结果为，上述的电化学反应(I)将变得不易进行，因此，燃料电池单元I的发电量会减少。这就是在燃料电池单元I的湿润程度下降时所产生的燃料电池单元I的发电量减少的机理。
[0051]如此一来，如果在燃料电池单元I的湿润程度变低时，使透过离子聚合物2c2的氧化剂气体或氧的量增大或恢复，则能够使燃料电池单元I的发电量增大或恢复。为了使透过离子聚合物2c2的氧化剂气体量增大，只要使阴极2c周围的氧化剂气体量增大即可，因此，只要使被输送到燃料电池单元I或氧化剂气体通道20中的氧化剂气体量增大即可。
[0052]另一方面，燃料电池单元I的湿润程度通过燃料电池单元I的电阻值来表示。即，燃料电池单元I的电阻值随着燃料电池单元I的湿润程度变低而变大。
[0053]另一方面，在通常的发电控制过程中，以使燃料电池单元I的输出电流值一致于根据燃料电池单元I的目标发电量而确定的目标电流值的方式，对燃料电池系统A实施控制。因此，当考虑到燃料电池单元I的发电量可通过燃料电池单元I的输出电流值与输出电压值之积来表不时，可认为是，对于同一输出电流值而言，输出电压值较低时与输出电压值较高时相比，燃料电池单元I的发电量减少了。
[0054]因此，在本发明的实施例中，在燃料电池单元I的输出电压值低于预先确定的阈值电压值且燃料电池单元I的电阻值高于预先确定的阈值电阻值时，实施对氧化剂气体供给器23进行控制以使被输送到燃料电池单元I的氧化剂气体量增大的氧化剂气体增量控制。其结果为，氧化剂气体通道20内的氧化剂气体量或浓度被增大，由此，透过离子聚合物而到达阴极2c的氧化剂气体量被增大。因此，燃料电池单元I的发电量被迅速地增大。
[0055]燃料电池单元I的发电量增大的含义为，通过上述的电化学反应(I)而生成的水分量增大。其结果为，燃料电池单元I的湿润程度上升或被恢复。当燃料电池单元I的湿润程度上升时，离子聚合物的氧透过率将上升，因此，燃料电池单元I的发电量被进一步增大。
[0056]但是，已知一种如下的现有技术，S卩，在燃料电池单元I的湿润程度变低时，实施使被输送到燃料电池单元I的氧化剂气体量减少的氧化剂气体量减少控制。在该现有技术中，由于减少了通过阴极废气而从燃料电池单元I中被带走的水分量，因此使燃料电池单元I的湿润程度升高，由此使燃料电池单元I的发电量被增大或被恢复。但是，当氧化剂气体量减少时，阴极2c周围的氧化剂气体量将减少，因此，透过离子聚合物而到达阴极2c的氧化剂气体量进一步减少。因此，燃料电池单元I的发电量在氧化剂气体量减少控制的初期进一步减少，并在其后增大。即，在氧化剂气体量减少控制中，使燃料电池单元I的发电量增大需要花费较长时间。
[0057]另一方面，还已知另一种现有技术，S卩，在燃料电池单元I的湿润程度变低时，进行使燃料电池单元I的温度下降的燃料电池温度下降控制。在该另一种现有技术中，由于在燃料电池单元I的阴极2c周围，水蒸气的冷凝被促进，因此使燃料电池单元I的湿润程度升高，由此使燃料电池单元I的发电量被增大或被恢复。但是，在通过降低燃料电池单元I的冷却水温度来实施燃料电池温度下降控制的情况下，使燃料电池单元I的温度下降需要花费较长时间。或者，如果使燃料电池单元I的温度下降，则上述的电化学反应(I)将变得难以进行。无论如何，使燃料电池单元I的发电量增大或恢复都需要花费较长时间。
[0058]图6为表示实施了上述的燃料电池温度下降控制时的燃料电池单元I的输出电压值VFC的实验结果。在图6中，ta I表示燃料电池单元I的输出电压值VFC低于预先确定的阈值电压值VFCTH且燃料电池单元I的电阻值高于预先确定的阈值电阻值的时间。根据图6可知，即使开始实施了燃料电池温度下降控制，燃料电池单元I的输出电压值VFC也会持续下降一段时间，并在一段时间之后开始上升。即，在这种情况下，使燃料电池单元I的发电量增大或恢复需要花费较长时间。
[0059]与此相对，图7为表示实施了氧化剂气体增量控制时的燃料电池单元I的输出电压值VFC的实验结果。在图7中，tb I表示燃料电池单元I的输出电压值VFC低于预先确定的阈值电压值VFCTH且燃料电池单元I的电阻值高于预先确定的阈值电阻值的时间。根据图7可知，当开始实施氧化剂气体增量控制时，燃料电池单元I的输出电压值VFC立刻上升，因此会在短时间内被恢复。
[0060]实际上，根据本申请
【发明人】们的实验，关于输出电压值VFC从低于阈值电压值VFCTH起到恢复为止所需要的时间，在图6的示例中为大约2分钟，相对于此，在图7的示例中则为大约I秒。
[0061]接下来，参照图8至图10，进一步对本发明的实施例进行说明。
[0062]在图8所示的示例中，当在时间tcI处燃料电池单元I的输出电压值VFC变为低于预先确定的阈值电压值VFCTH且燃料电池单元I的电阻值RFC变为高于预先确定的阈值电阻值RFCTH时，开始实施上述的氧化剂气体增量控制。其结果为，被输送到燃料电池单元I的氧化剂气体量QOFC从基础氧化剂气体量QOFCB增大至增大氧化剂气体量QOFCI并被维持。另外，基础氧化剂气体量QOFCB为，未实施氧化剂气体增量控制的通常控制时的氧化剂气体量，例如根据燃料电池单元I的目标发电量而被确定。
[0063 ]接着，当在时间t c2处燃料电池单元I的输出电压值VFC变为阈值电压值VFCTH以上时，即当燃料电池单元I的输出电压值VFC被恢复时，停止实施氧化剂气体增量控制。其结果为，被输送到燃料电池单元I的氧化剂气体量QOFC返回至基础氧化剂气体量Q0FCB。另外，在图8所示的示例中，在时间tc2处燃料电池单元I的电阻值RFC变为低于阈值电阻值RFCTH，因此被恢复。即，以此方式暂时性地实施氧化剂气体增量控制，从而由此使燃料电池单元I的输出电压值VFC及电阻值RFC被恢复。
[0064]在图9所示的示例中，当在时间tdl处燃料电池单元I的输出电压值VFC变为低于阈值电压值VFCTH且燃料电池单元I的电阻值RFC变为高于阈值电阻值RFCTH时，开始实施上述的氧化剂气体增量控制。接着，当在时间td2处电阻值RFC变为高于预先确定的上限电阻值RFCl时，停止实施氧化剂气体增量控制。其结果为，被输送到燃料电池单元I的氧化剂气体量QOFC返回至基础氧化剂气体量Q0FCB。此外，在时间td2处开始实施使燃料电池单元I的温度下降的燃料电池温度下降控制。其结果为，燃料电池单元I的温度TFC从基础燃料电池单元温度TFCB下降至下降燃料电池单元温度TFCBL并被维持。另外，基础燃料电池单元温度TFCB为，未实施燃料电池温度下降控制的通常控制时的燃料电池单元温度，例如以不超过固定值的方式而被控制。此外，通过冷却水的温度下降及冷却水的增量中的一方或双方来实施燃料电池温度下降控制。
[0065]当实施氧化剂气体增量控制时，存在通过阴极废气而从燃料电池单元I中被带走的水分量增大，从而燃料电池单元I的电阻值RFC变得过高的可能性。因此，在图9所示的示例中，在氧化剂气体增量控制中，在电阻值RFC高于上限电阻值RFCl时，停止实施氧化剂气体增量控制。其结果为，阻止了电阻值RFC变得过高的情况。另一方面，依然需要恢复输出电压值VFC。因此，在图9所示的示例中，在通过使燃料电池单元I的电阻值RFC高于上限电阻值RFCl来使氧化剂气体增量控制停止时，实施的是燃料电池温度下降控制。其结果为，输出电压值VFC逐渐上升，电阻值RFC逐渐下降。
[0066]接着，当在时间td3处燃料电池单元I的输出电压值VFC变为阈值电压值VFCTH以上且燃料电池单元I的电阻值RFC变为阈值电阻值RFCTH以下时，即当燃料电池单元I的输出电压值VFC及电阻值RFC均被恢复时，将停止实施燃料电池温度下降控制。其结果为，燃料电池单元I的温度返回至基础燃料电池单元温度TFCB。
[0067]在图10所示的示例中，当在时间tel处燃料电池单元I的输出电压值VFC变为低于阈值电压值VFCTH且燃料电池单元I的电阻值RFC变为高于阈值电阻值RFCTH时，开始实施上述的氧化剂气体增量控制。接着，当在时间te2处电阻值RFC变为高于上限电阻值RFCl时，停止实施氧化剂气体增量控制，并且开始实施燃料电池温度下降控制。
[0068]接着，尽管在时间te3处燃料电池单元I的电阻值RFC变为了阈值电阻值RFCTH以下、即尽管电阻值RFC被恢复了，但在燃料电池单元I的输出电压值VFC低于阈值电压值VFCTH时，也将开始实施用于使燃料电池单元I的输出电压值上升的其他控制。即，可以认为，在这种情况下，由于与燃料电池单元I的湿润程度的下降这一理由不同的理由，例如由于溢流，从而使燃料电池单元I的输出电压值VFC下降。因此，在图10所示的示例中，实施用于消除溢流的其他控制。
[0069 ]接着，当在时间te4处燃料电池单元I的输出电压值VFC变为阈值电压值VFCTH以上时、即当输出电压值VFC被恢复时，停止实施上述的其他控制。
[0070]另外，在图8至图10所示的示例中，在燃料电池单元I的电阻值RFC变为高于阈值电阻值RFCTH之后，燃料电池单元I的输出电压值VFC变为低于阈值电压值VFCTH。在另一示例中，在输出电压值VFC变为低于阈值电压值VFCTH之后，电阻值RFC变为高于阈值电阻值RFCTH0
[0071]燃料电池单元I的输出电压值及电阻值依存于燃料电池单元I的目标电流值或输出电流值和燃料电池单元I的温度。在本发明的实施例中，阈值电压值VFCTH及阈值电阻值RFCTH分别作为例如燃料电池单元I的目标电流值及燃料电池单元I的温度的函数而被预先确定，并以映射图的形式而被存储在R0M52内。但是，燃料电池单元I的输出电压值及电阻值能够根据燃料电池单元I的时间性劣化的程度而变动。因此，在本发明的另一实施例中，阈值电压值VFCTH及阈值电阻值RFCTH根据燃料电池单元I的时间性劣化的程度而被补正。
[0072]图11及图12为表示上述的本发明的实施例的执行恢复控制的程序。该程序以每隔固定时间的中断而被执行。
[0073]参照图11及图12，在步骤100中，对燃料电池单元I的输出电压值VFC是否低于阈值电压值VFCTH进行判断。在VFC > VFCTH时，结束处理循环。在VFC< VFCTH时，接着进入步骤101，并对燃料电池单元I的电阻值RFC是否高于阈值电阻值RFCTH进行判断。在RFC > RFCTH时，接着进入步骤102并开始实施氧化剂气体增量控制。在接下来的步骤103中，对燃料电池单元I的输出电压值VFC是否在阈值电压值VFCTH以上进行判断。在VFC > VFCTH时、即在输出电压值VFC被恢复时，接着进入步骤104并停止实施氧化剂气体增量控制。接着，结束处理循环。与此相对，在VFC< VFCTH时、即在输出电压值VFC还未恢复时，进入步骤105并对燃料电池单元I的电阻值RFC是否高于上限电阻值RFCl进行判断。在RFC SRFCl时，返回至步骤102并继续实施氧化剂气体增量控制。在RFORFC1时，接着进入步骤106并停止实施氧化剂气体增量控制。接着，进入步骤107。
[0074]在步骤107中，开始实施燃料电池温度下降控制。在接下来的步骤108中，对燃料电池单元I的电阻值RFC是否在阈值电阻值RFCTH以下进行判断。在RFC > RFCTH时、即在电阻值RFC还未恢复时，返回至步骤107并继续实施燃料电池温度下降控制。在RFC < RFCTH时、即在电阻值RFC被恢复时，接着进入步骤109并停止实施燃料电池温度下降控制。在接下来的步骤110中，对燃料电池单元I的输出电压值VFC是否在阈值电压值VFCTH以上进行判断。在VFC> VFCTH时，结束处理循环。在步骤101及步骤110中，在VFC < VFCTH时、即在VFC < VFCTH且RFC < RFCTH时，进入步骤111并实施上述的其他处理。
[0075]图13表不本发明的另一实施例。在图13所不的另一实施例中，对阴极废气通道24内的压力、即燃料电池单元I的背压进行控制的背压控制阀25被配置在阴极废气通道24内。背压控制阀25通常以将燃料电池单元I的背压维持为固定的方式被实施控制，并且当背压控制阀25的开度被减小时，燃料电池单元I的背压将上升。
[0076]在本发明的另一实施例中，实施上述的氧化剂气体增量控制，并且实施使燃料电池单元I的背压上升的背压上升控制。在这种情况下，通过减小背压控制阀25的开度来实施背压上升控制。当实施氧化剂气体增量控制并且实施背压上升控制时，燃料电池单元1、尤其是阴极2c周围的氧化剂气体量或浓度将进一步升高。其结果为，能够使燃料电池单元I的发电量更迅速地被增大或被恢复。
[0077]接下来，参照图14至图16来进一步对本发明的另一实施例进行说明。
[0078]在图14所示的示例中，当在时间tfl处燃料电池单元I的输出电压值VFC变为低于预先确定的阈值电压值VFCTH且燃料电池单元I的电阻值RFC变为高于预先确定的阈值电阻值RFCTH时，首先，将开始实施上述的氧化剂气体增量控制。其结果为，被输送到燃料电池I的氧化剂气体量QOFC从基础氧化剂气体量QOFCB起被增大。
[0079]接着，当在时间tf2处氧化剂气体量QOFC被增大至增大氧化剂气体量QOFCI时，开始实施背压上升控制。其结果为，燃料电池I的背压PB从基础背压PBB被上升至上升背压PBR并被维持。如果在氧化剂气体量QOFC被增大之前实施背压上升控制，则存在燃料电池I的阴极2c周围的氧化剂气体量反而减少的可能性。因此，在图14所示的示例中，是在增大了氧化剂气体量QOFC之后开始实施背压上升控制的。另外，基础背压PBB为未实施背压上升控制的通常控制时的背压，并根据来自压缩机23的氧化剂气体量而被确定。
[0080]接着，当在时间tf 3处燃料电池I的输出电压值VFC变为阈值电压值VFCTH以上时、即当燃料电池I的输出电压值VFC被恢复时，停止实施氧化剂气体增量控制及背压上升控制。其结果为，被输送到燃料电池I的氧化剂气体量QOFC返回至基础氧化剂气体量QOFCB，而燃料电池I的背压PB返回至基础背压PBB。另外，在图14所示的示例中，在时间tf3处燃料电池I的电阻值RFC低于阈值电阻值RFCTH，因此被恢复。
[0081 ]在图15所示的示例中，当在时间tgI处燃料电池I的输出电压值VFC变为低于阈值电压值VFCTH且燃料电池I的电阻值RFC变为高于阈值电阻值RFCTH时，开始实施上述的氧化剂气体增量控制。接着，当在时间tg2处氧化剂气体量QOFC增大至增大氧化剂气体量QOFCI时，开始实施背压上升控制。接着，当在时间tg3处电阻值RFC变为高于预先确定的上限电阻值RFCl时，停止实施氧化剂气体增量控制及背压上升控制。其结果为，被输送到燃料电池I的氧化剂气体量QOFC返回至基础氧化剂气体量Q0FCB，而燃料电池I的背压I3B返回至基础背压PBB。此外，在时间tg3处，开始实施燃料电池温度下降控制。其结果为，燃料电池I的温度TFC从基础燃料电池温度TFCB下降至下降燃料电池温度TFCBL并被维持。其结果为，输出电压值VFC逐渐上升，电阻值RFC逐渐下降。
[0082]接着，当在时间tg4处燃料电池I的输出电压值VFC变为阈值电压值VFCTH以上且燃料电池I的电阻值RFC变为阈值电阻值RFCTH以下时，即当燃料电池I的输出电压值VFC及电阻值RFC均被恢复时，停止实施燃料电池温度下降控制。其结果为，燃料电池I的温度返回至基础燃料电池温度TFCB。
[0083]在图16所示的示例中，当在时间thI处燃料电池I的输出电压值VFC变为低于阈值电压值VFCTH且燃料电池I的电阻值RFC变为高于阈值电阻值RFCTH时，开始实施上述的氧化剂气体增量控制。接着，当在时间th2处氧化剂气体量QOFC增大至增大氧化剂气体量QOFCI时，开始实施背压上升控制。接着，当在时间th3处电阻值RFC变为高于上限电阻值RFCl时，停止实施氧化剂气体增量控制及背压上升控制，并且开始实施燃料电池温度下降控制。
[0084]接着，尽管在时间th4处燃料电池I的电阻值RFC成为了阈值电阻值RFCTH以下、SP尽管电阻值RFC被恢复了，但在燃料电池I的输出电压值VFC低于阈值电压值VFCTH时，也将实施上述的其他控制，例如实施消除溢流的其他控制。
[0085]接着，当在时间th5处燃料电池I的输出电压值VFC变为阈值电压值VFCTH以上时、即当输出电压值VFC被恢复时，停止实施上述的其他控制。
[0086]图17及图18表示上述的本发明的另一实施例的执行恢复控制的程序。该程序以每隔固定时间的中断而被执行。
[0087]参照图17及图18，在步骤1O中，对燃料电池I的输出电压值VF C是否低于阈值电压值VFCTH进行判断。在VFC 2 VFCTH时，结束处理循环。在VFC<VFCTH时，接着进入步骤101并对燃料电池I的电阻值RFC是否高于阈值电阻值RFCTH进行判断。在RFC > RFCTH时，接着进入步骤102并开始实施氧化剂气体增量控制。在接下来的步骤102a中，在氧化剂气体量QOFC被增大至增大氧化剂气体量QOFCI之后，开始实施背压上升控制。在接下来的步骤103中，对燃料电池I的输出电压值VFC是否在阈值电压值VFCTH以上进行判断。在VFC > VFCTH时，即在输出电压值VFC被恢复时，接着进入步骤104a并停止实施氧化剂气体增量控制及背压上升控制。接着，结束处理循环。与此相对，在VFC< VFCTH时，即在输出电压值VFC还未恢复时，进入步骤1 5并对燃料电池I的电阻值RFC是否高于上限电阻值RFCI进行判断。在RFC < RFCI时，返回至步骤102并继续实施氧化剂气体增量控制及背压上升控制。在RFORFC1时，接着进入步骤106a并停止实施氧化剂气体增量控制及背压上升控制。接着，进入步骤107。
[0088]在步骤107中，开始实施燃料电池温度下降控制。在接下来的步骤108中，对燃料电池I的电阻值RFC是否在阈值电阻值RFCTH以下进行判断。在RFC > RFCTH时，即在电阻值RFC还未恢复时，返回至步骤107并继续实施燃料电池温度下降控制。在RFC < RFCTH时，即在电阻值RFC被恢复时，接着进入步骤109并停止实施燃料电池温度下降控制。在接下来的步骤110中，对燃料电池I的输出电压值VFC是否在阈值电压值VFCTH以上进行判断。在VFC >VFCTH时，结束处理循环。在步骤101及步骤110中，在￥?(:<￥?(:1'!1时，即在￥?(:<￥?(:1'!1且1^〇SRFCTH时，进入步骤111并实施上述的其他处理。
[0089]由于本发明的另一实施例的其他结构及作用与本发明的实施例的构成及作用相同，因此省略说明。
[0090]在至此叙述的本发明的各实施例中，在氧化剂气体增量控制中，被输送到燃料电池I的氧化剂气体量QOFC持续性地增大。与此相对，在图19所示的实施例中，氧化剂气体量QOFC间歇性地增大。即，氧化剂气体量QOFC从基础氧化剂气体量QOFCB增大至增大氧化剂气体量QOFCI并被维持，接着在经过维持时间tFCI时，返回至基础氧化剂气体量QOFCB。像这样的氧化剂气体的增量作用仅被实施增量次数NFCI。
[0091]在此，如图20所示，在增大氧化剂气体量QOFCI多于上限气体量QOFCIl时，燃料电池I的电阻值RFC将变得高于上限电阻值RFCl。因此，增大氧化剂气体量QOFCI被设定在上限量QOFCIl以下。
[0092]此外，如图21所示，在维持时间tFCI长于上限时间tFC11时，燃料电池I的电阻值RFC将变得高于上限电阻值RFCl。因此，维持时间tFCI被设定在上限时间tFCI I以下。
[0093]而且，如图22所示，在增量次数NFCI多于上限值NFC11时，燃料电池I的电阻值RFC将变得高于上限电阻值RFCl。因此，增量次数NFCI被设定在上限值NFCII以下。
[0094]另一方面，在至此叙述的各实施例中，在氧化剂气体增量控制中，在燃料电池的电阻值RFC变为了高于上限电阻值RFCl时，被输送到燃料电池I的氧化剂气体量QOFC将返回至基础氧化剂气体量Q0FCB。在另一实施例中，在氧化剂气体增量控制中，在燃料电池的电阻值RFC变为了高于上限电阻值RFCl时，将实施与基础氧化剂气体量QOFCB相比而使氧化剂气体量QOFC减少的氧化剂气体减量控制。当实施氧化剂气体减量控制时，由于减少了通过阴极废气而从燃料电池I中被带走的水分量，因此提高了燃料电池I的湿润程度。
[0095]接下来，对燃料电池系统A的另一实施例进行说明。在燃料电池系统A的另一实施例中，还设置有将阳极废气控制阀15上游的阳极废气通道14和燃料气体控制阀13下游的燃料气体供给通道11相互连结的循环通道、和被配置在循环通道内的阳极废气栗，并且利用阳极废气栗而使阳极废气通道14内的阳极废气的一部分或全部经由循环通道返回至燃料气体供给通道11。
[0096]在阳极废气中含有水分。因此，像燃料电池系统A的另一实施例那样，当阳极废气通道14内的阳极废气返回至燃料气体供给通道11时，该水分将与气体一起返回至燃料电池I内。其结果为，燃料电池I的湿润程度不易变低。
[0097]与此相对，在图1及图13所示的燃料电池系统A中，阳极废气通道14与燃料气体供给通道11并未相互连结，因此，阳极废气并未从阳极废气通道14返回至燃料气体供给通道11，而是在阳极废气通道14内流动。如此一来，能够简化燃料电池系统A的结构，从而能够降低成本。但是，在这种情况下，阳极废气中所含有的水分并未返回至燃料电池I。因此，在图1及图13所示的燃料电池系统A中，燃料电池I的湿润程度容易变低。因此，在本发明的各实施例中，在燃料电池I的输出电压值下降且燃料电池I的湿润程度下降时，实施氧化剂气体增量控制。显然，本发明也适用于上述的燃料电池系统A的另一实施例。
[0098]本申请主张日本专利申请第2013-266968号的权利，并在此援引其公开的所有内容。
[0099]符号说明
[0100]A、燃料电池系统；
[0101]1、燃料电池单元；
[0102]2、膜电极接合体；
[0103]2c、阴极；
[0104]2cl、导电性材料；
[0105]2c2、离子聚合物；
[0106]20、氧化剂气体通道；
[0107]21、氧化剂气体供给通道；
[0108]23、压缩机；
[0109]41、电压计；
[0110]42、电阻仪。
【主权项】
1.一种燃料电池系统，具备: 燃料电池单元，其具有膜电极接合体和氧化剂气体通道，其中，所述膜电极接合体具备电解质以及分别被配置于电解质的两侧的阴极及阳极，所述氧化剂气体通道向阴极供给氧化剂气体； 氧化剂气体供给通道，其被连结在氧化剂气体通道的入口上； 氧化剂气体供给器，其被配置于氧化剂气体供给通道内并用于向阴极输送氧化剂气体， 在所述燃料电池系统中， 所述阴极包含导电性材料、催化剂和用于覆盖所述导电性材料及催化剂的离子聚合物，在燃料电池单元的输出电压值低于预先确定的阈值电压值且燃料电池单元的电阻值高于预先确定的阈值电阻值时，所述燃料电池系统实施对氧化剂气体供给器进行控制以使被输送到燃料电池单元的氧化剂气体量增大的氧化剂气体增量控制。2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中， 在氧化剂气体增量控制过程中，在燃料电池单元的输出电压值变为了高于阈值电压值时，停止氧化剂气体增量控制。3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中， 在氧化剂气体增量控制过程中，在燃料电池单元的电阻值变为了高于预先确定的上限电阻值时，停止氧化剂气体增量控制。4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其中， 所述燃料电池系统具备对燃料电池单元的温度进行控制的燃料电池温度控制器，在由于燃料电池单元的电阻值变为了高于上限电阻值而使氧化剂气体增量控制被停止时，实施使燃料电池单元的温度下降的燃料电池温度下降控制。5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中， 在燃料电池温度下降控制过程中燃料电池单元的电阻值变为了低于阈值电阻值时，停止燃料电池温度下降控制。6.如权利要求1至5中的任意一项所述的燃料电池系统，其中， 所述燃料电池系统还具备: 阴极废气通道，其被连结在燃料电池单元的氧化剂气体通道的出口上； 背压控制阀，其被配置于阴极废气通道内并对燃料电池单元的背压进行控制， 在燃料电池单元的输出电压值低于预先确定的阈值电压值且燃料电池单元的电阻值高于预先确定的阈值电阻值时，所述燃料电池系统实施所述氧化剂气体增量控制，并且实施对背压控制阀进行控制以使燃料电池单元的背压上升的背压上升控制。7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中， 在实施所述氧化剂气体增量控制以及所述背压上升控制时，首先实施氧化剂气体增量控制以使氧化剂气体增大至预先确定的目标量并进行维持，接着实施背压上升控制。8.如权利要求1至7中的任意一项所述的燃料电池系统，其中， 在所述氧化剂气体增量控制过程中，氧化剂气体量被间歇性地增大。9.如权利要求1至8中的任意一项所述的燃料电池系统，其中， 所述燃料电池单元还具有向所述阳极供给燃料气体的燃料气体通道，所述燃料电池系统还具备:燃料气体供给通道，其被连结在燃料气体通道的入口上；阳极废气通道，其被连结在燃料气体通道的出口上，阳极废气不会从阳极废气通道返回至燃料气体供给通道而是在阳极废气通道内流动。
【文档编号】H01M8/04746GK105849957SQ201480060496
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年11月4日
【发明人】川原周也, 长谷川茂树, 山上庆大
【申请人】丰田自动车株式会社