专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及防止燃料电池系统的异常电位的技术。
背景技术：
一般地，燃料电池具有包括夹持电解质膜的两侧的一对电极(阳极、阴极)的 膜_电极组件、和夹持膜_电极组件的两侧的一对燃料电池用隔板。阳极具有阳极催化剂 层及扩散层，阴极具有阴极催化剂层及扩散层。当燃料电池发电时，设向阳极供给的阳极气 体为氢气、向阴极供给的阴极气体为氧气时，在阳极侧进行氢离子及电子的反应，氢离子通 过电解质膜中而到达阴极侧，电子通过外部电路而到达阴极。另一方面，在阴极侧进行氢离 子、电子及氧气反应而生成水分的反应，放出能量。通常，燃料电池中阴极侧和大气连通，因此在发电停止中，有时空气会从大气中侵 入燃料电池单元内，侵入的空气从阴极通过电解质膜向阳极侧移动。另外，也有如下的燃料 电池为了停止燃料电池的发电，向阳极侧供给氧气，以使阳极内的氢气排出。如上所述，在阳极内存在空气(氧气)的状态下，向燃料电池供给氢气等阳极气体 时，在阳极变成阳极气体和空气不均勻存在的状态。在阳极气体不均勻存在的部分形成局 部电池，在空气不均勻存在的部分流过与正常发电时反向的电流。这样一来，有时燃料电池 的电位变为异常电位，主要使阴极腐蚀，使得燃料电池的发电性能下降。例如，专利文献1中提出有一种燃料电池系统，其将燃料电池起动时供给的阳极 气体设定为比燃料电池发电时供给的阳极气体的压力高。根据该专利文献1的燃料电池系 统，燃料电池起动时，较高压力的阳极气体被供给到阳极，因此，可抑制阳极内的空气的不 均勻存在，从而可抑制异常电位的产生。但是，专利文献1的燃料电池系统中，由于向阳极供给较高压力的阳极气体，因此 阳极的气压和阴极的气压之差变大，有时会导致由阳极和阴极夹持的电解质膜破损。另外，虽然不是燃料电池起动时的技术，但例如专利文献2中提出了一种燃料电 池系统，其将阳极的气压和阴极的气压之间的压力差控制在规定值以下。根据该专利文献2 的燃料电池系统，能够将加在阳极及阴极的气体的压力差维持在规定值内，因此，可抑制电 解质膜的破损。专利文献1 日本特开2004-139984号公报专利文献2 日本特开2002-373682号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，其能够抑制燃料电池起动时的燃料电 池的异常电位及电解质膜的破损。(1)本发明提供一种燃料电池系统，具有燃料电池、调节向所述燃料电池供给的 阳极气体的压力的阳极气体压力调节单元、调节向所述燃料电池供给的阴极气体的压力的 阴极气体压力调节单元，其中，具备压力控制单元，所述压力控制单元控制所述阳极气体压力调节单元及所述阴极气体压力调节单元，以将所述燃料电池起动时供给的阳极气体的压 力设定得高于所述燃料电池发电时供给的阳极气体的压力，并且，在使阳极气体的压力上 升到设定的压力时，与阳极气体的压力上升的开始对应地开始阴极气体的压力上升。(2)本发明提供一种燃料电池系统，具有燃料电池、调节向所述燃料电池的阳极 供给的阳极气体的压力的阳极气体压力调节单元、调节向所述燃料电池的阴极供给的阴极 气体的压力的阴极气体压力调节单元，其中，具备推测单元，推测所述阳极内的气体量; 以及压力控制单元，所述压力控制单元控制所述阳极气体压力调节单元及所述阴极气体压 力调节单元，以根据由所述推测单元推测的气体量来设定所述燃料电池起动时供给的阳极 气体的压力，并且，在使阳极气体的压力上升到设定的压力时，与阳极气体的压力上升的开 始对应地开始阴极气体的压力上升。(3)在上述(1)或(2)记载的所述燃料电池系统中，优选所述燃料电池具备电解质 膜和夹持所述电解质膜的阳极及阴极，所述压力控制单元控制所述阳极气体压力调节单元 和所述阴极气体压力调节单元中的至少任意一方，以使所述燃料电池起动时供给的阳极气 体的压力和所述燃料电池起动时供给的阴极气体的压力之间的压力差不超过所述电解质 膜的压力破损临界值。(4)在上述(2)记载的所述燃料电池系统中，所述推测单元根据所述燃料电池的 停止时间、所述燃料电池的温度中的至少任意一方，推测所述阳极内的气体量。本发明的燃料电池系统，具备压力控制单元，该压力控制单元控制阳极气体压力 调节单元及阴极气体压力调节单元，以将燃料电池起动时供给的阳极气体的压力设定得高 于燃料电池发电时供给的阳极气体的压力，并且，在使阳极气体的压力上升到设定的压力 时，与阳极气体的压力上升的开始对应地开始阴极气体的压力上升，由此，能够抑制燃料电 池起动时的燃料电池的异常电位及电解质膜的破损。
图1是表示本发明实施方式的燃料电池系统的构成的一例的示意图；图2是表示在本发明的燃料电池系统起动时供给到燃料电池的气压的一例的图；图3是表示本发明的其它实施方式的燃料电池系统的构成的一例的示意图。标号说明1,2燃料电池系统、10燃料电池、12氢气瓶、14空气压缩机、16阳极气体供给 流路、18阳极气体循环流路、20阴极气体供给流路、22阴极气体排出流路、24喷射器、26 氢压缩机、28压力调节阀、32计时器、34温度传感器
具体实施例方式下面，对本发明的实施方式进行说明。图1是表示本发明实施方式的燃料电池系统的构成的一例的示意图。燃料电池系 统1具有燃料电池10、氢气瓶12、空气压缩机14、阳极气体供给流路16、阳极气体循环流路 18、阴极气体供给流路20、阴极气体排出流路22、喷射器24、氢压缩机26、压力调节阀28、 ECU (Electronic Control Unit 电子控制单元)30。对本实施方式的燃料电池系统1所使用的燃料电池10的构成进行说明。燃料电
4池10是以包括具有氢离子传导性的电解质膜、夹持电解质膜的阳极及阴极、夹持阳极及阴 极的两外侧的一对燃料电池用隔板的组件为单位电池，并将该单位电池至少层叠一层以上 而形成。阳极气体供给流路16与燃料电池10的阳极气体导入口(未图示)及氢气瓶12 的排出口(未图示)连接。另外，阳极气体供给流路16上设有喷射器24。阳极气体循环流 路18与燃料电池10的阳极气体排出口(未图示)及阳极气体供给流路16连接。另外，虽 然没有特别限制，但优选阳极气体循环流路18与比喷射器24靠下游侧的阳极气体供给流 路16连接。从氢气瓶12供给的阳极气体(例如氢气)通过阳极气体供给流路16，经由喷 射器24供给到燃料电池10。另外，从燃料电池10排出的阳极气体通过阳极气体循环流路 18再次被供给到阳极气体供给流路16。另外，为了高效地送出阳极气体循环流路18内的 阳极气体，在阳极气体循环流路18上设有氢压缩机26。另外，阴极气体供给流路20与燃料电池10的阴极气体导入口(未图示)及空气 压缩机14的排出口(未图示)连接。另外，阴极气体排出流路22与燃料电池10的阴极气 体排出口(未图示)连接。另外，阴极气体排出流路22上设有压力调节阀28。从空气压缩 机14排出的阴极气体(例如空气)通过阴极气体供给流路20供给到燃料电池10。另外， 从燃料电池10排出的阴极气体通过阴极气体排出流路22，经由压力调节阀28向燃料电池 系统1外排出。喷射器24是调节从氢气瓶12向燃料电池10(具体地说为阳极)供给的阳极气 体的压力的部件，且与ECU30电连接。压力调节阀28是调节从空气压缩机14向燃料电池 10(具体地说为阴极)供给的阴极气体的压力的部件，且与E⑶30电连接。E⑶30主要控制 喷射器24及压力调节阀28，设定与燃料电池10需要的气压相应的压力。通常，燃料电池10停止时，在阴极气体供给流路20、压力调节阀28开放的情况下， 有时空气从阴极气体排出流路22向燃料电池10的阴极侵入，侵入的空气从阴极通过电解 质膜向阳极移动。另外，有时也设置连接阴极气体供给流路20和比喷射器24靠下游侧的 阳极气体供给流路16的连接路，向阳极侧供给阴极气体(空气)，由此使阳极内的氢气排 出，使燃料电池10的发电停止。这样，在阳极存在空气的状态下，燃料电池10起动时，若供给和发电时相同的气 压的阳极气体，则在阳极上阳极气体和空气(氧气)不均勻存在，在阳极气体不均勻存在的 部分形成局部电池，在空气不均勻存在的部分流过和正常发电时反向的电流。这样一来，燃 料电池10的电位上升而成为异常电位，有时使阳极等腐蚀。图2是表示在本发明的燃料电池系统起动时供给到燃料电池的气压的一例的图。 燃料电池系统起动时的运转方法的说明，用图1及图2进行说明。在此，本说明书的所谓燃 料电池10的起动时，是指按下燃料电池系统1的起动开关(例如接通点火开关)，直到燃料 电池系统1与外部负载连接的状态。另外，所谓发电时，是指燃料电池系统1和外部负载连 接而发电的状态。另外，所谓燃料电池10的停止时，是指燃料电池系统1的起动开关被断 开，燃料电池系统1和外部负载的连接被解除的状态。在燃料电池10起动时，由图1所示的E⑶30控制喷射器24及压力调节阀28，将 燃料电池10起动时供给的阳极气体的压力设定为比燃料电池10发电时供给的阳极气体的 压力高，并且，当使阳极气体的压力上升到设定的压力时，对应于阳极气体的压力上升的开
5始使阴极气体的压力上升开始。在此，作为以下说明的燃料电池10起动时的运转方法的一 例，将燃料电池10发电时供给的阳极气体的压力设定为150kPa，将燃料电池10起动时供给 的阳极气体的压力设定为300kPa。如图2所示，在燃料电池10起动时，首先，ECU30将喷射 器24的气体压力调整值设定为200kPa，向燃料电池10供给压力为200kPa的阳极气体(图 2所示的A)。接着，E⑶30将压力调节阀28的气体压力调整值设定为150kPa，向燃料电池 10供给压力为150kPa的阴极气体(图2所示的B)。然后，E⑶30将喷射器24的气体压力 调整值设定为300kPa，向燃料电池10供给压力为300kPa的阳极气体(图2所示的C)。然 后，使燃料电池系统1与外部负载连接，并且，E⑶30将喷射器24的气体压力调整值设定为 燃料电池10发电时供给的阳极气体的压力即150kPa，使燃料电池10进行发电(图2所示 的D)。上述说明的一例中，将发电时供给的阳极气体的压力设定为150kPa，但发电时供 给的阳极气体的压力只要是在能够维持充分的发电反应且不会产生气体的浪费的范围内 设定的值即可。另外，将燃料电池10起动时供给的阳极气体的压力设定为300kPa，但只要 设定为比发电时供给的阳极气体的压力高即可。另外，上述说明的一例中，使燃料电池10 起动时供给的阳极气体的压力阶段性地升高到300kPa，但并不限定于此，也可以使燃料电 池10起动时供给的阳极气体的压力连续地升高到例如300kPa。另外，在使阳极气体上升到 设定的压力(例如300kPa)时，只要对应于阳极气体的压力上升的开始而使阴极气体的压 力上升开始即可，因此，不仅可以为如上所述在使阳极气体的压力上升开始后使阴极气体 的压力上升开始的情况，还可以和阳极气体的压力上升的开始同时使阴极气体的压力上升 开始。另外，优选E⑶30控制喷射器24及压力调节阀28的至少任意一方，以使燃料电池 10起动时供给的阳极气体的压力和燃料电池10起动时供给的阴极气体的压力的压力差不 超过构成燃料电池10的电解质膜的压力破损临界值。由此，能够抑制因燃料电池10重复 起动而产生的电解质膜的破损。阳极气体的压力和阴极气体的压力的压力差，在图2所示 的A中为IOOkPa,在图2所示的B中为50kPa，在图2所示的C中为150kPa，但只要是不超 过电解质膜的压力破损临界值的压力差，就不被限定于此。所谓电解质膜的压力破损临界 值，是指电解质膜不会因阳极气体的压力和阴极气体的压力的压力差而破损的压力差的界 限值，根据电解质膜的膜压、强度等适当地设定。另外，为了使燃料电池10起动时供给的阳 极气体的压力和燃料电池10起动时供给的阴极气体的压力的压力差不超过电解质膜的压 力破损临界值，可通过减慢或加快阳极气体的压力上升速度，或者减慢或加快阴极气体的 压力上升速度来实现。因此，E⑶30只要控制喷射器24及压力调节阀28的至少任意一方 即可。这样，本实施方式中，由于在燃料电池起动时供给比燃料电池发电时供给的阳极 气体的压力高的阳极气体，因此，可使阳极内的空气势头良好地排出，从而能够抑制空气的 不均勻存在。另外，由于对应于阳极气体的压力上升的开始也使阴极气体的压力上升开始， 因此可防止阳极气体的压力和阴极气体的压力差变大，从而能够抑制因压力差产生的电解 质膜的劣化。尤其是，通过以使燃料电池起动时向阳极供给的阳极气体的压力和向阴极供 给的阴极气体的压力之差不超过电解质膜的压力破损临界值的方式进行控制，能够抑制因 燃料电池的重复起动产生的电解质膜的破损。
接着，对本发明的其它实施方式的燃料电池系统进行说明。图3是表示本发明的其它实施方式的燃料电池系统的构成的一例的示意图。如 图3所示，燃料电池系统2具有燃料电池10、氢气瓶12、空气压缩机14、阳极气体供给流路 16、阳极气体循环流路18、阴极气体供给流路20、阴极气体排出流路22、喷射器24、氢压缩 机26、压力调节阀28、ECU (Electronic Control Unit) 30、计时器32、温度传感器34。在图 3所示的燃料电池系统2中，对于和图1所示的燃料电池系统1 一样的构成，附加了同一标 号。计时器32可计测燃料电池10的停止时间，且根据计测时间推测阳极内的气体量。 另外，计时器32设于ECU30中。所谓燃料电池10的停止时间是指燃料电池系统2的起动 开关被OFF(关断)的时间。即，计时器32计测燃料电池系统2的起动开关的OFF信号被 输入E⑶30之后直到输入ON(接通)的信号为止的时间。燃料电池10停止时从阴极向阳 极移动的空气的量随着燃料电池10的停止时间的经过而增加。因而，例如，如果由计时器 32计测的时间在规定值以上，则推测为阳极内的空气量“多”，如果不足规定值，则推测为阳 极内的空气量“少”。另外，例如也可以根据事先进行了实验的表示时间经过和阳极内的空 气量的关系的映射，将由计时器32计测的燃料电池10的停止时间适用于该映射，由此来推 测阳极内的空气量。此外，空气的量不一定需要是推测的气体量，与随着时间经过而增加的 空气量相反，阳极气体量减少，因此也可以将阳极气体量作为推测的气体量，也可以将随着 时间经过而增加/减少的空气的量及阳极气体的量之比作为推测的气体量。温度传感器34可检测出燃料电池10的温度，且根据燃料电池10的温度推测阳极 内的气体量。温度传感器34设于燃料电池10上。燃料电池10的温度为燃料电池10的表 面温度、燃料电池10的内部温度或燃料电池10内的冷却水温度等。由于燃料电池10的温 度随着燃料电池10的停止时间的经过而降低，因此例如如果由温度传感器34检测的燃料 电池10的温度低于规定值，则推测为随着停止时间的经过而增加的阳极内的空气量“多”， 如果燃料电池10的温度在规定值以上，则推测为阳极内的空气量“少”。另外，例如，可根据 事先进行了实验的表示燃料电池10的温度和阳极内的空气量的关系的映射，将由温度传 感器34计测的燃料电池10的温度适用于该映射，由此来推测阳极内的空气量。与上述同 样，空气的量不一定需要是推测的气体量，与随着时间经过而增加的空气量相反，阳极气体 量减少，因此也可以将阳极气体量作为推测的气体量，也可以将随着时间经过而增加/减 少的空气的量及阳极气体的量之比作为推测的气体量。本实施方式中，阳极内的气体量的推测并不限于基于上述计时器32、温度传感器 34等。例如也可以在燃料电池10的阳极侧设置氧传感器，由氧传感器来推测阳极内的气体
量(空气量)。ECU30根据所推测的阳极内的气体量来设定燃料电池10起动时供给的阳极气体 的压力。即，如上述说明的那样设定喷射器24的压力调整值。具体地说，在所推测的阳极 内的气体量例如空气量“少”的情况下，由于从阳极排出的空气量也少，因此，减小燃料电池 10起动时供给的阳极气体的压力，例如将其设定为燃料电池10发电时供给的阳极气体的 压力。另外，在所推测的阳极内的气体量例如空气量“多”的情况下，由于从阳极排出的空 气量也多，因此，增大燃料电池10起动时供给的阳极气体的压力，例如将其设定为比燃料 电池10发电时供给的阳极气体的压力大(例如300kPa)。而且，使阳极气体的压力上升到所设定的压力时，如上述说明的那样，ECU30控制喷射器24及压力调节阀28，以对应于阳 极气体的压力上升的开始使阴极气体的压力开始上升。由此，可适当地设定为抑制阳极内 的空气的不均勻存在及电解质膜的破损所需要的阳极气体的压力，能够节省阳极气体量的 浪费。另外，从可抑制因燃料电池10的重复起动而产生的电解质膜的破损方面考虑，优选 ECU30控制喷射器24及压力调节阀28的至少任意一方，以使阳极气体的压力和阴极气体的 压力的压力差不超过上述说明的电解质膜的压力破损临界值。本实施方式中，设有温度传感器和定时器两者，但只要设置至少任一个即可。上述本实施方式的燃料电池系统例如可用作便携式电脑等移动设备用小型电源、 汽车用电源、定置用电源等。
权利要求
一种燃料电池系统，具有燃料电池；阳极气体压力调节单元，调节向所述燃料电池供给的阳极气体的压力；及阴极气体压力调节单元，调节向所述燃料电池供给的阴极气体的压力，其特征在于，具备压力控制单元，所述压力控制单元控制所述阳极气体压力调节单元和所述阴极气体压力调节单元，以将所述燃料电池起动时供给的阳极气体的压力设定得高于所述燃料电池发电时供给的阳极气体的压力，并且，在使阳极气体的压力上升到设定的压力时，与阳极气体的压力上升的开始对应地开始阴极气体的压力上升。
2.一种燃料电池系统，具有燃料电池；阳极气体压力调节单元，调节向所述燃料电池 的阳极供给的阳极气体的压力；及阴极气体压力调节单元，调节向所述燃料电池的阴极供 给的阴极气体的压力，其特征在于，具备推测单元，推测所述阳极内的气体量；以及压力控制单元，所述压力控制单元控制所述阳极气体压力调节单元和所述阴极气体压 力调节单元，以根据由所述推测单元推测的气体量设定所述燃料电池起动时供给的阳极气 体的压力，并且，在使阳极气体的压力上升到设定的压力时，与阳极气体的压力上升的开始 对应地开始阴极气体的压力上升。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池具备电解质膜和夹 持所述电解质膜的阳极及阴极，所述压力控制单元控制所述阳极气体压力调节单元和所述阴极气体压力调节单元中 的至少任意一方，以使所述燃料电池起动时供给的阳极气体的压力和所述燃料电池起动时 供给的阴极气体的压力之间的压力差不超过所述电解质膜的压力破损临界值。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池具备电解质膜和夹 持所述电解质膜的阳极及阴极，所述压力控制单元控制所述阳极气体压力调节单元和所述阴极气体压力调节单元中 的至少任意一方，以使所述燃料电池起动时供给的阳极气体的压力和所述燃料电池起动时 供给的阴极气体的压力之间的压力差不超过所述电解质膜的压力破损临界值。
5.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述推测单元根据所述燃料电池 的停止时间、所述燃料电池的温度中的至少任意一方推测所述阳极内的气体量。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统，具有燃料电池、调节向所述燃料电池供给的阳极气体的压力的阳极气体压力调节单元、及调节向所述燃料电池供给的阴极气体的压力的阴极气体压力调节单元，其中，具备压力控制单元，该压力控制单元控制所述阳极气体压力调节单元和所述阴极气体压力调节单元，以将所述燃料电池起动时供给的阳极气体的压力设定得高于所述燃料电池发电时供给的阳极气体的压力，并且，在使阳极气体的压力上升到设定的压力时，与阳极气体的压力上升的开始对应地开始阴极气体的压力上升。
文档编号H01M8/04GK101897068SQ20088012085
公开日2010年11月24日 申请日期2008年12月2日 优先权日2007年12月14日
发明者中西淳二, 德田健一, 折桥信行, 新田高弘, 松尾真司, 滨田仁, 西田恒政, 越智勉 申请人:丰田自动车株式会社