专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及使燃料气体和氧化剂气体进行反应来发电的燃料电池。
背景技术：
在使燃料气体与氧化剂气体反应而进行发电的燃料电池中，即使在运转停止后， 还通过残留燃料气体和残留氧化剂气体继续发电，产生所谓的开路电压(Open Circuit Voltage)。通过该开路电压会产生构成燃料电池的催化剂层的碳的腐蚀和催化剂金属的溶出等催化剂老化。因此，为了降低开路电压而提出了各种方案。催化剂老化在燃料电池变为负电压时也会发生。例如，在构成燃料电池组的一部分的燃料电池中缺乏燃料气体的情况下，在该燃料电池中由于阳极电位上升而变为负电压。在这种情况下，在燃料气体缺乏的燃料电池中，由于流过与其他燃料电池相同的电流，因此可能使构成催化剂的碳发生氧化。
发明内容
发明要解决的问题在燃料电池变为负电压而发生了碳氧化的情况下，有效的催化剂面积减小，因而存在发电效率降低的问题。但是，以往实际上并未为了抑制燃料电池变为负电压时的催化剂老化而深入地研究。本发明的目的在于抑制燃料电池变为负电压时的催化剂老化。用于解决问题的手段本发明是为了解决上述问题的至少一部分而提出的，能够作为下面的方式或应用例实现。[应用例1]在燃料电池系统中，包括第一发电模块，具有含有催化剂的发电部、与所述发电部接触的阳极侧非发电部、 以及隔着所述发电部配置在所述发电部的相反侧的阴极侧非发电部；第二发电模块，与所述第一发电模块相邻；电流调整电路，与各发电模块并联连接；以及电流控制部，在所述阳极侧非发电部和所述阴极侧非发电部之间的电压即单电池电压为作为负压的第一规定电压以下的情况下，使在与所述第一发电模块并联连接的所述电流调整部中沿第一方向流动的电流增加，其中，所述第一方向是从所述阳极侧非发电部朝向所述阴极侧非发电部的方向。在应用例1的燃料电池系统中，在第一发电模块的单电池电压为第一规定电压以下的情况下，使在电流调整电路中沿所述第一方向流动的电流增加，因而能够经由电流调整电路对相邻的第二发电模块供给电子。因而，在第一发电模块发生氢缺乏等情况下，向第二发电模块供给电子，因而能够抑制在第一发电模块的阳极发生伴随生成电子的化学反应。因而，能够抑制阳极的碳氧化，从而能够抑制发电效率降低。[应用例2]在应用例1记载的燃料电池系统中，
所述电流控制部具有检测与所述第一发电模块并联连接的所述电流调整电路中的电流的方向的电流方向检测部，基于所述电流方向检测部检测出的所述电流的方向判断所述单电池电压是否为所述第一规定电压以下。根据这样的结构，能够正确地判断是否处于如下状态由于缺乏燃料气体等原因未在发电模块中发生通常发电时的化学反应，而在阳极可能发生伴随生成电子的化学反应。[应用例3]在应用例1或应用例2记载的燃料电池系统中，在所述单电池电压大于第二规定电压的情况下，所述电流控制部使在与所述第一发电模块并联连接的所述电流调整电路中沿与所述第一方向相反的第二方向流动的电流增加，其中，所述第二规定电压是大于所述第一规定电压且产生所述催化剂的溶出的电压。根据这样的结构，在第一发电模块的单电池电压高于第二规定电压的情况下，能够将通过通常发电时的化学反应产生的电子通过电流调整电路从第一发电模块的阴极供给至阳极。因而，能够使第一发电模块的电动势在电流调整电路中热消耗，因而在燃料电池组处于OC (开路)状态的情况下，能够降低第一发电模块的单电池电压，而能够抑制OC状态下的高电压引起的催化剂的溶出。[应用例4]在应用例1 应用例3中任一例记载的燃料电池系统中，
所述电流调整电路和所述电流控制部包括二极管。根据这样的结构，在第一规定电压(的绝对值)大于二极管的正向压降(的绝对值)的情况下，能够在第一发电模块的单电池电压为第一规定电压以下的情况下使电流调整电路中沿第一方向流动的电流增加，并在单电池电压大于第一规定电压的情况下使在电流调整电路中沿第一方向流动的电流减小。因而，不需要用于判断单电池电压是否为第一规定电压以下的特别的功能部，因此能够简单地构成电流调整电路和电流控制部，能够抑制燃料电池系统的建造费用的上升。[应用例5]在应用例4记载的燃料电池系统中，各发电模块具有一对隔板和被所述一对隔板夹持着的膜电极接合体，所述电流调整电路和所述电流控制部配置在所述膜电极接合体的周缘部，被所述一对隔板夹持。根据这样的结构，能够将电流调整电路和电流控制部配置在发电模块的内部，因而能够使燃料电池组的结构简单，并且实现燃料电池系统整体的小型化。而且，在膜电极接合体的制造过程中，能够一并生成电流调整电路和电流控制部，因而能够使燃料电池组的
建造顺序简单。[应用例6]在应用例4或应用例5记载的燃料电池系统中，所述二极管是硅二极管或肖特基势垒二极管。根据这样的结构，因为能够使用正向压降比较小的二极管，所以能够在发电模块间电压变为负电压之后比较短的时间内，增加第一方向的电流。因而，与使用其他二极管的结构相比，能够进一步抑制催化剂老化。尤其是硅二极管的耐反向电压的耐性好，因此第一发电模块进行通常发电时几乎不流过第二方向的电流。因而，在通常发电时，在电流调整电路中产生电流，第一发电模块的电动势在电流调整电路中被热消耗，从而能够抑制发电效率降低。
此外，本发明能够以各种方式实现，例如能够以电流的控制方法、或用于实现电流控制的计算机程序、记录该计算机程序的记录介质等方式实现。
图1是表示作为本发明的一个实施例的燃料电池系统的概略结构的说明图。图2是表示图1所示的单电池和电流调整部的详细结构的说明图。图3是示意地表示单电池的电压变化的说明图。图4是表示第一实施例的电流调整处理的顺序的流程图。图5是示意地表示在正常时流向可变电阻的电流的说明图。图6是示意地表示在氢缺乏时流向可变电阻的电流的说明图。图7是表示第二实施例的单电池和电流调整部的详细结构的说明图。图8是表示第二实施例的电流调整处理的顺序的说明图。图9是表示第三实施例的燃料电池系统的概略结构的说明图。图10是表示第三实施例的单电池和电流调整部的详细结构的说明图。图11是示意地表示第三实施例的在正常时流向二极管的电流的说明图。图12是示意地表示第三实施例的在氢缺乏时流向二极管的电流的说明图。图13是表示第四实施例的单电池和电流调整部的详细结构的说明图。图14是表示第四实施例的电流调整处理的顺序的说明图。图15是表示第五实施例的单电池和电流调整部的详细结构的说明图。图16是表示第六实施例的单电池和电流调整部的详细结构的说明图。
具体实施例方式A.第一实施例A.系统结构图1是表示作为本发明的一个实施例的燃料电池系统的概略结构的说明图。在本实施例中，燃料电池系统100作为用于供给驱动用电源的系统安装在电动汽车上来使用。 燃料电池系统100具有燃料电池组10、氢罐61、空气压缩机62、切断阀71、调压阀72、燃料气体供给路81、燃料气体排出路82、旁通流路83、循环用泵63、氧化剂气体供给路84、氧化剂气体排出路85、电流调整部30、电阻值调整部50和控制单元90。燃料电池组10具有将多个比较小型且发电效率高的固体高分子型燃料电池即单电池(也称为发电模块)20层叠而成的结构，作为燃料气体的纯氢和作为氧化剂气体的空气中的氧在各电极上发生电化学反应从而获得电动势。氢罐61贮存高压氢气。作为氢罐61，例如可以使用在内部具有储氢合金并通过使储氢合金吸收而贮存氢的罐。空气压缩机62配置在氧化剂气体供给路84上，将从外部取入的空气进行加压而供给至燃料电池组10。切断阀71配置在氢罐61的未图示的氢气排出口处，进行氢气的供给和停止。调压阀72配置在燃料气体供给路81上，使从氢罐61排出的高压氢气降低至规定的压力。燃料气体供给路81是用于连通氢罐61和燃料电池组10并且将从氢罐61供给的氢气导入燃料电池组10的流路。燃料气体排出路82是用于从燃料电池组10排出剩余氢气(阳极侧废气)的流路。旁通流路83连通燃料气体供给路81和燃料气体排出路82，在通常运转时，将从燃料气体排出路82排出的剩余氢气导入燃料气体供给路81。循环用泵 63配置在旁通流路83上，使剩余氢气(阳极侧废气)从燃料气体排出路82流向燃料气体供给路81。氧化剂气体供给路84是用于连通空气压缩机62和燃料电池组10并且将从空气压缩机62供给的压缩空气导入燃料电池组10的流路。氧化剂气体排出路85是用于将从燃料电池组10排出的剩余空气(阴极侧废气)和生成水排出至外部(大气)的流路。电流调整部30与各单电池20连接。此外，对于电流调整部30的详细结构在后面说明。电阻值调整部50与电流调整部30连接，对电流调整部30所具有的未图示的电阻的电阻值进行调整。控制单元90与循环用泵63、空气压缩机62、切断阀71、调压阀72和电阻值调整部50电连接，对这些各要素进行控制。另外，控制单元90与电流调整部30所具有的未图示的电流传感器连接，接收从电流传感器通知的电流值。90 ^ CPU (Central Processing Unit) 9UR0M(Read0nly Memory) 92> RAM (Random Access Memory) 93 在R0M92中存储有用于控制燃料电池系统100的未图示的控制程序，CPU91 一边利用RAM93 —边执行该控制程序，由此作为控制部91a发挥功能。 控制部91a执行后述的电流调整处理。图2是表示图1所示的单电池和电流调整部的详细结构的说明图。单电池20具有膜电极接合体25、阴极侧隔板^c、阳极侧隔板^a。膜电极接合体25具有电解质膜21、阴极侧催化剂层22c、阴极侧气体扩散层23c、阳极侧催化剂层2 和阳极侧气体扩散层23a。电解质膜21是含有磺酸基的氟树脂类离子交换膜，能够使用Flemi0n(注册商标)、AcipleX (注册商标)等。此外，作为电解质膜21不限于磺酸基，还能够使用含有磷酸基或羧酸基等其他的离子交换基的膜。阴极侧催化剂层22c与电解质膜21接触配置。阴极侧催化剂层22c使用由导电性粒子担载催化剂的构件和作为质子导体的离聚物构成。作为催化剂例如能够使用钼、钼与钌或铁等金属的合金。作为导电性粒子例如能够使用炭黑等碳粒子或碳纤维等。作为离聚物能够采用含有磺酸基的氟树脂。阴极侧气体扩散层23c由多孔构件构成，以便使作为反应气体的空气扩散，另外排出通过电化学反应等产生的水。具体地说，例如由碳纸或碳布等碳多孔体、金属网或发泡金属等金属多孔体构成。阴极侧隔板^c能够由气体不透过的传导性构件构成，例如由对碳进行压缩而使气体不透过的致密碳或冲压成型的金属板构成。阴极侧隔板26c具有凹凸形状，阴极侧隔板26c与阴极侧气体扩散层23c接触，从而在阴极侧隔板26c与阴极侧气体扩散层23c之间形成氧化剂气体流路27c。该氧化剂气体流路27c将从空气压缩机62供给的空气导入阴极侧气体扩散层23c，并且将从阴极侧气体扩散层23c排出的气体(剩余空气和水蒸气) 排出至单电池20的外部。阳极侧的结构与阴极侧的结构相同。即，阳极侧催化剂层2 具有与阴极侧催化剂层22c相同的结构。另外，阳极侧气体扩散层23a与阴极侧气体扩散层23c具有相同的结构，阳极侧隔板26a与阴极侧隔板26c具有相同的结构。此外，在阳极侧隔板26a和阳极侧气体扩散层23a之间形成的燃料气体流路27a将由氢罐61和循环用泵63供给的氢气导入阳极侧气体扩散层23a，并且将从阳极侧气体扩散层23a排出的气体(剩余氢气)排出至单电池20的外部。电流调整部30具有与各单电池20并联连接的多个可变电阻31、与各可变电阻31 串联连接的多个电流传感器32。各可变电阻31的电阻值由电阻值调整部50控制。各电流传感器32检测流过对应的可变电阻31的电流值并通知给控制单元90。此时，控制单元 90(控制部91a)能够通过接收到的电流值的符号(正或负)检测流过可变电阻31的电流的方向。具体地说，电流调整部30和电阻值调整部50能够采用下面的结构。例如，可变电阻31是具有多个电阻值的电阻，采用能够分别与单电池20并联连接的电阻，电阻值调整部 50由与各电阻串联连接的开关构成，可采用如下构成通过控制与单电池20连接(并联连接)的电阻的数量，控制可变电阻31的电阻值。所述单电池20相当于技术方案中的发电模块。另外，膜电极接合体25相当于技术方案中的发电部，阳极侧隔板26a相当于技术方案中的阳极侧非发电部，阴极侧隔板26c 相当于技术方案中的阴极侧非发电部，可变电阻31相当于技术方案中的电流调整电路，电阻值调整部50、电流传感器32和控制部91a相当于技术方案中的电流控制部，电流传感器 32相当于技术方案中的电流方向检测部。此外，也可采用如下构成膜电极接合体25的电解质膜21、阳极侧催化剂层2 和阴极侧催化剂层22c相当于技术方案中的发电部，阳极侧隔板^a、阴极侧隔板^c、阳极侧气体扩散层23a和阴极侧气体扩散层23c相当于技术方案中的非发电部。图3是示意地表示单电池的电压的变化的说明图。在图3中，上段表示正常时的单电池20的电压，下段表示氢缺乏时的单电池20的电压。在图3中，为了便于说明，用3个层叠的单电池2(K20a、20b、20c)表示燃料电池组 10。另外，用电解质膜、阴极、阳极和隔板表示各单电池20a、20b、20c。具体地说，用隔板sO 的一部分、阳极al、电解质膜ml、阴极Cl、隔板si的一部分表示单电池20a。隔板sO是指图2所示的阳极侧隔板26a和阴极侧隔板^c。阳极al是指图2所示的阳极侧气体扩散层23a和阳极侧催化剂层22a。电解质膜ml是指图2所示的电解质膜21。阴极cl是指图 2所示的阴极侧催化剂层22c和阴极侧气体扩散层23c。隔板si是指图2所示的阳极侧隔板26a和阴极侧隔板^c。同样地，用隔板si的一部分、阳极a2、电解质膜m2、阴极c2和隔板s2的一部分表示单电池20b。另外，用隔板s2的一部、阳极a3、电解质膜m3、阴极c3和隔板s3的一部分表示单电池20c。如图3上段所示，在正常时，即在向各单电池20a、20b、20c充分地供给氢气和空气而在各单电池20a、20b、20c中进行发电时，在阳极发生下述式1所示的反应，在阴极发生下述式2所示的反应。此时，各单电池20a、20b、20c的电压(各单电池的隔板间的电压单电池电压Vc)为大约+1.0V。下述式1、2的反应可在各单电池20a、20b、20c的电压高于OV时发生。[式1]2H2 — 4H++4e"(1)
[式2]单电池电压Vc如下述式3所示那样决定。此外，在式3中，Vc指单电池电压，Ec 指阴极电位，fe指阳极电位，顶指通过单电池的电阻(电解质膜的电阻、配线的接触电阻等)产生的压降。此外，单电池电压Vc换言之是指各单电池之间的电压。例如，单电池20b 的单电池电压Vc是指单电池20a(阴极Cl)与单电池20c (阳极a3)之间的电压。[式3]
在对单电池的氢气供给量小于发电需要的量的情况下(氢缺乏时)，上述式(3)中的阳极电位fe上升，因而单电池电压Vc会变为负电压。氢缺乏可在如下等情况下产生，例如，由电化学反应生成的水(生成水)积存在燃料气体流路27a中，通过该生成水使燃料气体的流通路中的压力损失增大的情况下，或者在冰点以下的环境中，阳极侧气体扩散层23a 等中积存的生成水结冰而使气体扩散性恶化。在图3下段中，在单电池20b中产生氢缺乏，单电池电压Vc变为负电压。此时，在其他的单电池20a、20c中正常地进行发电，因而在单电池20b中，也要产生电流(即，要进行电子交换)。但是，因为氢缺乏，所以在单电池20b中不发生上述式1、2所示的反应，而在阳极a2上发生下述式4和下述式5所示的反应。式4的反应在单电池电压Vc大约为-0. 8V 以下的情况下发生，式5的反应在单电池电压Vc大约为-1. 5V以下的情况下发生。此外， 在阴极c2上发生下述式6所示的反应。[式4]
[式5]
在此，式5所示的反应意味着在构成阳极a2的催化剂中含有的碳的氧化。即，在氢缺乏时，由于发生式5所示的反应，在阳极a2上催化剂可能老化。在本实施例的燃料电池系统100中，能够通过执行后述的电流调整处理，抑制伴随氢缺乏产生的催化剂老化。A2.电流调整处理图4是表示第一实施例的电流调整处理的顺序的流程图。在燃料电池系统100中， 以燃料电池系统100的起动为契机开始电流调整处理。首先，图1所示的控制部91a对于各单电池20基于从电流传感器32通知的电流值判断可变电阻31上的电流方向是否是规定的第一方向(步骤S105)。在判断为电流方向不是第一方向(即，是与第一方向相反的第二方向)的情况下， 控制部91a控制电阻值调整部50将与该单电池20对应的可变电阻31的电阻值设定为规定的大的值(步骤S110)，然后返回步骤S105。另一方面，在判断为电流方向是第一方向的情况下，控制部91a控制电阻值调整部50将与该单电池20对应的可变电阻31的电阻值设定为规定的小的值(步骤Sl 15)，然后返回步骤S105。图5是示意地表示在正常时流向可变电阻的电流的说明图。图6是示意地表示在氢缺乏时流向可变电阻的电流的说明图。在图5、6中，各单电池20a、20b、20c与图3所示的各单电池20a、20b、20c相同。在图5、6中，为了便于说明，仅示出了与单电池20b对应的可变电阻31。在正常时(S卩，单电池电压Vc大于OV时)，在各单电池20a、20b、20c的阳极a2发生上述式1所示的反应，在阴极c2发生上述式2所示的反应。在这种情况下，如图5所示，流过可变电阻31的电子的方向为从隔板si (单电池20b中的阳极侧隔板^a)向隔板s2 (单电池20b中的阴极侧隔板^c)的方向。即，可变电阻31上的电流的方向为从隔板s2(单电池20b中的阴极侧隔板^c)向隔板si (单电池20b中的阳极侧隔板^a)的方向。在本实施例中，将该方向(从隔板s2向隔板si的方向)设定为第二方向，将相反的方向(从隔板si向隔板s2的方向)设定为第一方向。因而，在正常时，可变电阻31上的电流方向为第二方向，因而执行步骤S110，可变电阻31的电阻值设定为大的值。在这种情况下，抑制通过可变电阻31的第二方向的电流。根据下面的理由像上述那样在正常时增大可变电阻31的电阻值。流向可变电阻 31的电流量越大，则单电池20的电动势中在可变电阻31上被热消耗的电能越多。其结果， 单电池20的发电效率变得更低。因此，在燃料电池系统100中，在正常时，通过增大可变电阻31的电阻值而减小第二方向的电流量，来降低在可变电阻31上被热消耗的电能，使单电池20的发电效率提高。与此相对，当由于单电池20b中的氢缺乏，单电池20b的单电池电压Vc减小而变为负电压，不发生上述式1的反应时，不从单电池20b的阳极a2向单电池20a的阴极cl供给电子。在这种情况下，如图6所示，在单电池20c的阳极a3上通过上述式1的反应产生的电子经由可变电阻31供给至单电池20a的阴极Cl。因而，可变电阻31上的电流的流动变为第一方向。在这种情况下，执行步骤Sl 15，可变电阻31的电阻值设定为小的值，通过可变电阻31的电流增加。因此，因为向单电池20a的阴极cl供给电子，所以在氢缺乏状态下的单电池20b中不发生上述式4、5所示的反应，从而抑制阳极a2的催化剂老化。此外，如上所述，在单电池电压Vc大于OV的情况下，在各单电池20中发生上述1、 2的反应，电流的方向变为第二方向。因而，在本实施例中，OV相当于技术方案中的第一规定电压。另外，单电池20b相当于技术方案中的第一发电模块，单电池20a相当于技术方案中的第二发电模块，单电池20c相当于技术方案中的第三发电模块。如以上所说明的，在第一实施例的燃料电池系统100中，在可变电阻31上的电流方向变为第一方向的情况下(即，单电池20的单电池电压Vc变为负电压的情况下)，通过减小与该单电池20并联连接的可变电阻31的电阻值，使可变电阻31上的电流值增加，因而能够抑制该单电池20中的碳氧化。因而，能够抑制单电池20变为负电压时的催化剂老化。另外，在单电池电压Vc不是负电压的情况下，通过增大可变电阻31的电阻值，减小可变电阻31上的电流值，因而能够提高该单电池20的发电效率。而且，在切换可变电阻31的电阻值时的判断(步骤S105)中，基于流过可变电阻 31的电流的方向进行判断，因而能够正确地判断是否处于如下状态在单电池20b中不发生正常时的化学反应(上述式1、2所示的反应)，而在阳极a2可能发生伴随生成电子的化
学反应。B.第二实施例图7是表示第二实施例中的单电池和电流调整部的详细结构的说明图。第二实施例的燃料电池系统在电流调整部30a中具有电压传感器33代替电流传感器32、以及基于单电池电压Vc执行切换可变电阻31的电阻值的判断这两点与第一实施例的燃料电池系统 100不同，其他结构与第一实施例相同。此外，第二实施例的单电池20与第一实施例相同。如图7所示，第二实施例的电流调整部30a在各单电池20中具有与单电池20并联连接的电压传感器33。电压传感器33测量单电池电压Vc并且通知给控制单元90 (控制部 91a)。图8是表示第二实施例的电流调整处理的顺序的说明图。控制部91a基于从电压传感器33通知的单电池电压Vc的值判断单电池电压Vc是否是负电压(步骤S205)。在判断为单电池电压Vc是负电压的情况下(步骤S205为是)，控制部91a执行上述的步骤 S115 (将可变电阻31的电阻值设定为小的值)，然后返回步骤S205。在上述步骤S205中，在判断为单电池电压Vc不是负电压的情况下，控制部91a判断单电池电压Vc是否为催化剂溶出电压Vd以上(步骤S210)。催化剂溶出电压Vd例如在催化剂是钼(Pt)时，为0.85V。在使用钼作为催化剂时，在单电池电压Vc为0.85V以上时 (例如，在燃料电池系统100运转停止后的OC(开路)状态下)，发生钼的离子化而导致催化剂老化。此外，催化剂溶出电压Vd相当于技术方案中的第二规定电压。在判断为单电池电压Vc低于催化剂溶出电压Vd的情况下(步骤S210为否)，控制部91a执行上述的步骤SllO (将可变电阻31的电阻值设定为大的值)，然后返回步骤 S205。与此相对，在判断为单电池电压Vc高于催化剂溶出电压Vd的情况下(步骤S210为是)，执行上述的步骤S115(将可变电阻31的电阻值设定为小的值)，然后返回步骤S205。具有上述结构的第二实施例的燃料电池系统具有与第一实施例的燃料电池系统 100同样的效果。而且，因为在单电池电压Vc为催化剂溶出电压Vd以上时将可变电阻31 的电阻值设定为小的值，所以能够增加流过可变电阻31的电流。其结果，因为能够在可变电阻31上更多地使单电池20的电动势热消耗而降低单电池20的电压，所以能够抑制阳极上的催化剂溶出。C.第三实施例图9是表示第三实施例的燃料电池系统的概略结构的说明图。第三实施例的燃料电池系统IOOa在没有电阻值调整部50和控制部91a、以及具有电流调整部30b来代替电流调整部30这两点与第一实施例的燃料电池系统100不同，其他结构与第一实施例相同。图10是表示第三实施例的单电池和电流调整部的详细结构的说明图。第三实施例的电流调整部30b在各单电池20中具有二极管40来代替可变电阻31和电流传感器32， 这一点与第一实施例的电流调整部30不同。此外，第三实施例的单电池20与第一实施例相同。如图10所示，第三实施例的电流调整部30b在各单电池20中具有与单电池20并联连接的二极管40。二极管40的P侧与单电池20的阳极侧连接，N侧与单电池20的阴极侧连接。在第三实施例中，采用硅二极管作为二极管40。硅二极管的正向压降Vf大约为 0. 6V，并且具有耐反向电压的耐性好的特性。图11是示意地表示第三实施例的在正常时流向二极管的电流的说明图。在第一实施例中，在正常时，如图5所示，电子以从单电池20b的阳极a2向阴极c2的方向流动，产生了第二方向的电流。但是，该第二方向的电流在第三实施例中相当于二极管40上的反向电流，因而几乎不能产生。此外，图11所示的状态不仅在正常时(即，单电池电压Vc为OV以上的情况下)产生，还能够在单电池20b的单电池电压Vc为大于-Vf(例如，-0.6V)的负电压时发生。图12是示意地表示第三实施例的在氢缺乏时流向二极管的电流的说明图。图12 所示的状态可在单电池20b中发生氢缺乏并且单电池20b的单电池电压Vc为-Vf以下的情况下发生。在单电池20b中发生氢缺乏并且单电池20b的单电池电压Vc为小于-Vf的负电压时，在二极管40上产生正向的电流。即，产生第一方向的电流。因而，与第一实施例的图 6相同，因为经由可变电阻31向单电池20a的阴极cl供给在单电池20c的阳极a3上通过上述式1的反应产生的电子，因而抑制了阳极a2的催化剂老化。此外，如上所述，在本实施例中，在单电池20的单电池电压Vc大于-Vc的情况下，不产生第一方向和第二方向中的任一方向的电流。另外，在单电池20的单电池电压Vc 为-Vc以下的情况下，产生第一方向的电流。因而，在本实施例中，电压-Vf相当于技术方案中的第一规定电压。具有上述结构的第三实施例的燃料电池系统IOOa具有与第一实施例的燃料电池系统100同样的效果。而且，能够省略电阻值调整部50和控制部91a，并且能够简单地构成电流调整部30a，因而能够抑制燃料电池系统IOOa的建造费用的上升。D.第四实施例图13是表示第四实施例中的单电池和电流调整部的详细结构的说明图。第四实施例的燃料电池系统在电流调整部30c中具有第一二极管40a来代替电流传感器32、在电流调整部30c中具有第二二极管40b和电压传感器34、以及基于单电池电压Vc执行切换可变电阻31的电阻值的判断这三点与第一实施例的燃料电池系统100不同，其他结构与第一实施例相同。此外，第四实施例的单电池20与第一实施例相同。如图13所示，第四实施例的电流调整部30c在各单电池20中具有与可变电阻31 串联连接的第一二极管40a。第一二极管40a的P侧与可变电阻31连接，N侧与单电池20 的阳极侧连接。另外，电流调整部30c在各单电池20中具有与单电池20并联连接的第二二极管40b。第二二极管40b的P侧与单电池20的阳极侧连接，N侧与单电池20的阴极侧连接。第一二极管40a和第二二极管40b都与第三实施例相同，采用硅二极管。另外，电流调整部30c在各单电池20中具有与单电池20并联连接的电压传感器34。图14是表示第四实施例的电流调整处理的顺序的说明图。控制部91a基于从电压传感器34通知的单电池电压Vc的值判断单电池电压Vc是否为催化剂溶出电压Vd以上 (步骤S210)。在判断为单电池电压Vc低于催化剂溶出电压Vd的情况下(步骤S210为否)，控制部91a执行上述的步骤SllO (将可变电阻31的电阻值设定为大的值)，然后返回步骤S210。与此相对，在判断为单电池电压Vc为催化剂溶出电压Vd以上的情况下(步骤 S210为是)，控制部91a执行上述的步骤S115 (将可变电阻31的电阻值设定为小的值)，返回步骤S210。根据上述结构，在氢缺乏状态下，与第三实施例相同，电流向第二二极管40b的正向流动，从而在各单电池20的阳极上抑制催化剂老化。另一方面，在正常状态下，在单电池电压Vc低于催化剂溶出电压Vd的情况下，可变电阻31的电阻值设定为大的值，因而不仅第二二极管40b上几乎不流过电流，在第一二极管40a上也几乎不流过电流。根据这样的结构，抑制因电流流向第一二极管40a和第二二极管40b引起的发电效率降低。另外，在正常状态下，在单电池电压Vc为催化剂溶出电压Vd以上的情况下，可变电阻31的电阻值设定为小的值，因而在第二二极管40b上不流过电流，而在第一二极管40a上流过电流。结果， 使单电池20的电动势更多地在可变电阻31上热消耗，能够降低单电池20的电压，因而能够抑制阳极上的催化剂溶出。具有以上结构的第四实施例的燃料电池系统具有与第一实施例的燃料电池系统 100同样的效果。而且，在单电池电压Vc为催化剂溶出电压Vd以上的情况下，将可变电阻 31的电阻值设定为小的值，因而能够增大流过可变电阻31的电流。结果，使单电池20的电动势更多地在可变电阻31上热消耗，从而能够降低单电池20的电压，因而能够抑制阳极上的催化剂溶出。此外，在能够省略判断单电池电压Vc是否变为负电压的处理(步骤S205) 以及能够省略在单电池电压Vc为负电压时切换可变电阻31的电阻值的处理(步骤S115) 这两点，与第二实施例的燃料电池系统相比，能够使电流调整处理的顺序简单，并且能够节约CPU91和RAM93等资源。E.第五实施例:图15是表示第五实施例的单电池和电流调整部的详细结构的说明图。第五实施例的燃料电池系统在电流调整部30b配置在各单电池20的内部这一点与图9 12所示的第三实施例的燃料电池系统IOOa不同，其他结构与第三实施例相同。在第三实施例中，电流调整部30( 二极管40)配置在各单电池的外部。与此相对， 如图15所示，在第五实施例中，电流调整部30c( 二极管40)配置在各单电池20内部。如图15所示，电流调整部30b仅由配置在膜电极接合体25的外缘部上的二极管 40构成。二极管40由P型硅40p和N型硅40η构成，P型硅40ρ与阳极侧隔板26a接触，N 型硅40n与阴极侧隔板^c接触。这样的结构例如能够通过由二极管40构成如下的密封构件的一部分而实现，该密封构件是由配置在膜电极接合体25的外缘部上的树脂等形成的。具有上述结构的第五实施例的燃料电池系统具有与第三实施例的燃料电池系统 IOOa同样的效果。而且，因为将电流调整部30b ( 二极管40)配置在各单电池20的内部，所以能够使燃料电池组10的结构简单，并且能够实现燃料电池系统整体的小型化。另外，因为将电流调整部30b设置在膜电极接合体25的周缘部上，所以在膜电极接合体25的制造过程中，能够一并生成电流调整部30b。因而，能够使燃料电池组10的建造顺序简单。F.第六实施例图16是表示第六实施例的单电池和电流调整部的详细结构的说明图。第六实施例的燃料电池系统，与第五实施例相同，第一二极管40a和第二二极管40b配置在各单电池 20的内部这一点与图13、14所示的第四实施例的燃料电池系统不同，其他结构与第四实施例相同。在第四实施例中，第一二极管40a、第二二极管40b和可变电阻31配置在各单电池的外部。与此相对，如图16所示，在第六实施例中，第一二极管40a、第二二极管40b和可变电阻31配置在各单电池20内部。如图16所示，第一二极管40a由P型硅41p和N型硅41η构成，N型硅41η与阳极侧隔板26a接触，P型硅41p与可变电阻31接触。另外，可变电阻31与阴极侧隔板26c 接触。
第二二极管40b由P型硅42p和N型硅4 构成，P型硅42p与阳极侧隔板26a接触，N型硅42η与阴极侧隔板26c接触。第六实施例的这种结构与第五实施例相同，例如能够通过由第一二极管40a、第二二极管40b和可变电阻31构成如下的密封构件的一部分而实现，该密封构件是由配置在膜电极接合体25的外缘部上的树脂等形成的。具有上述结构的第六实施例的燃料电池系统具有与第四实施例的燃料电池系统同样的效果。而且，因为将第一二极管40a、第二二极管40b和可变电阻31配置在各单电池 20的内部，所以能够使燃料电池组的结构简单，能够实现燃料电池系统整体的小型化。另外，因为将电流调整部30b设置在膜电极接合体25的周缘部上，所以在膜电极接合体25的制造过程中，能够一并生成电流调整部30b。因而，能够使燃料电池组10的建造顺序简单。G.变形例此外，上述各实施例的结构要素中的除了独立权利要求中要求保护的要素以外的要素都是附加要素，能够适当省略。另外，本发明不限于上述的实施例或实施方式，能够在不脱离其宗旨的范围内以各种方式实施，例如也能够形成下面的变形例。Gl.变形例 1 在第三 第六实施例中使用的二极管是硅二极管，但是本发明不限于此。例如也能够采用锗二极管、肖特基势垒二极管等其他的二极管。在采用了锗二极管和肖特基势垒二极管的情况下，因为能够将正向压降Vf抑制得低，所以能够在单电池20的单电池电压Vc 变为负电压之后比较短的时间内增加第一方向的电流，因而能够进一步抑制催化剂老化。 此外，在采用肖特基势垒二极管的情况下，可以使隔板与半导体接合来制作肖特基势垒二极管。具体地说，例如能够通过溅射法在隔板上形成半导体来制作肖特基势垒二极管。G2.变形例 2:在第一实施例中，仅基于可变电阻31上的电流方向判断可变电阻31的电阻值的切换，在第二实施例中，仅基于单电池电压Vc判断可变电阻31的电阻值的切换。但是，本发明不限于这些结构。例如，也能够基于可变电阻31上的电流方向进行将可变电阻31的电阻值从小的值切换为大的值的判断，基于单电池电压Vc进行将可变电阻31的电阻值从大的值切换为小的值的判断。具体地说，当开始电流调整处理时，首先判断单电池电压Vc 是否为OV以上，在单电池电压Vc为负电压(低于0V)的情况下，将可变电阻31的电阻值设定为小的值。在将可变电阻31的电阻值设定为小的值后，监视可变电阻31上的电流方向，在氢缺乏被消除而电流方向已变为第二方向的情况下，将可变电阻31的电阻值设定为大的值。并且也能够采用如下的结构，即，在单电池电压Vc为OV以上的情况下，监视单电池电压Vc，在单电池电压Vc变为催化剂溶出电压Vd以上的情况下，将可变电阻31的电阻值从大的值切换为小的值。G3.变形例 3:在第二实施例中，在电流调整处理的步骤S205中，成为判断基准的电压是0V，但是本发明不限于此。例如还能够采用-0. SV或-1.5V。在采用-0.8V或-1.5V的情况下，发生上述式4所示的反应，但能够抑制式5所示的反应的发生。因而，因为能够抑制阳极的碳氧化，所以能够抑制单电池20中的发电效率恶化。此外，在这些结构中，-0. 8V或-1. 5V相当于技术方案中的第一规定电压。
G4.变形例 4:在各实施例中，膜电极接合体25是包括阳极侧气体扩散层23a和阴极侧气体扩散 M 23c 的Mi胃 MEGA (Membrane Electrode and GasDiffusion Layer Assembly :11 -^% 体扩散层组件)，还能够使用不包括阳极侧气体扩散层23a和阴极侧气体扩散层23c的所谓 MEA(Membrane Electrode Assembly 膜电极组件)来代替MEGA。在该结构中，能够采用在该MEA的外侧(阳极侧隔板26a侧和阴极侧隔板26c侧)形成阳极侧气体扩散层23a和阴极侧气体扩散层23c的结构。G5.变形例 5:在第一实施例中，控制部91a基于从电流传感器32通知的电流值对可变电阻31 上的电流方向进行判断，但能够采用电流传感器32基于本身测量的电流值判断电流方向的结构来代替上述结构。在该结构中，控制部91a能够基于从电流传感器32通知的电流方向执行步骤S105。G6.变形例 6:在使用上述的图3、5、6的说明中，构成燃料电池组10的单电池20的数量为3个， 但不限于3个，也能够由两个以上的任意数量的单电池20构成燃料电池组10。例如，也能够采用在图3、5、6中省略单电池20c，使两个单电池20a、20b相互接触的结构。在该结构中，在单电池20a的阳极al产生的电子经由隔板sO和负载200供给至隔板s2 (单电池20b 的阴极侧隔板26c)。并且，与上述第一实施例相同，在单电池20b中发生了氢缺乏的情况下通过将可变电阻31的电阻值设定为小的值，能够将供给至隔板s2的电子经由可变电阻31 和隔板si供给至单电池20a的阴极Cl。G7.变形例 7 在各实施例中，燃料电池系统安装在电动汽车上来使用，但也能够用于混合动力汽车、船舶、机器人等各种移动体上，来代替上述情况。另外，还能够将燃料电池组10作为固定式电源来使用，燃料电池系统也适用于大厦或一般住宅等建筑物。G8.变形例 8:在各实施例中，可以将通过软件实现的结构的一部分替换为硬件。另外，相反地， 可以将通过硬件实现的结构的一部分替换为软件。标号说明10…燃料电池组20、20a、20b、20c …单电池21…电解质膜2 …阳极侧催化剂层22c…阴极侧催化剂层23a…阳极侧气体扩散层23c…阴极侧气体扩散层25…膜电极接合体26a…阳极侧隔板26c…阴极侧隔板27a…燃料气体流路
27c…氧化剂气体流路30、30a、30b、30c …电流调整部31…可变电阻32…电流传感器33、；34…电压传感器40…二极管40a…第一二极管40b…第二二极管50…电阻值调整部61…氢罐62…空气压缩机63…循环用泵71…切断阀72…调压阀81…燃料气体供给路82…燃料气体排出路83…旁通流路84…氧化剂气体供给路85…氧化剂气体排出路90…控制单元91... CPU92." ROM93... RAM91a…控制部100、IOOa…燃料电池系统al、a2、a3...阳极ml、m2、m3…电解质膜cl、c2、c3 …阴极si、s2、s3…隔板
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括第一发电模块，具有含有催化剂的发电部、与所述发电部接触的阳极侧非发电部、以及隔着所述发电部配置在所述发电部的相反侧的阴极侧非发电部；第二发电模块，与所述第一发电模块相邻；电流调整电路，与各发电模块并联连接；以及电流控制部，在所述阳极侧非发电部和所述阴极侧非发电部之间的电压即单电池电压为作为负压的第一规定电压以下的情况下，使在与所述第一发电模块并联连接的所述电流调整部中沿第一方向流动的电流增加，其中，所述第一方向是从所述阳极侧非发电部朝向所述阴极侧非发电部的方向。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述电流控制部具有检测与所述第一发电模块并联连接的所述电流调整电路中的电流的方向的电流方向检测部，基于所述电流方向检测部检测出的所述电流的方向判断所述单电池电压是否为所述第一规定电压以下。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，在所述单电池电压大于第二规定电压的情况下，所述电流控制部使在与所述第一发电模块并联连接的所述电流调整电路中沿与所述第一方向相反的第二方向流动的电流增加， 其中，所述第二规定电压是大于所述第一规定电压且产生所述催化剂的溶出的电压。
4.如权利要求1 3中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述电流调整电路和所述电流控制部包括二极管。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，各发电模块具有一对隔板和被所述一对隔板夹持着的膜电极接合体，所述电流调整电路和所述电流控制部配置在所述膜电极接合体的周缘部，被所述一对隔板夹持。
6.如权利要求4或5所述的燃料电池系统，其中，所述二极管是硅二极管或肖特基势垒二极管。
7.一种燃料电池系统中的电流的控制方法，所述燃料电池系统包括第一发电模块、第二发电模块和电流调整电路，所述电流是流过与所述第一发电模块并联连接的所述电流调整电路的电流，其中，所述第一发电模块具有含有催化剂的发电部、与所述发电部接触的阳极侧非发电部、以及隔着所述发电部配置在所述发电部的相反侧的阴极侧非发电部，所述第二发电模块与所述第一发电模块相邻，所述电流调整电路与各发电模块并联连接，所述控制方法包括如下工序在所述阳极侧非发电部和所述阴极侧非发电部之间的电压即单电池电压为作为负压的第一规定电压以下的情况下，使在与所述第一发电模块并联连接的所述电流调整电路中沿第一方向流动的电流增加，其中，所述第一方向是从所述阳极侧非发电部朝向所述阴极侧非发电部的方向。
8.一种用于控制燃料电池系统中的电流的程序，所述燃料电池系统包括第一发电模块、第二发电模块和电流调整电路，所述电流是流过与所述第一发电模块并联连接的所述电流调整电路的电流，其中，所述第一发电模块具有含有催化剂的发电部、与所述发电部接触的阳极侧非发电部、以及隔着所述发电部配置在所述发电部的相反侧的阴极侧非发电部，所述第二发电模块与所述第一发电模块相邻，所述电流调整电路与各发电模块并联连接，其中，所述程序用于使计算机实现如下功能在所述阳极侧非发电部和所述阴极侧非发电部之间的电压即单电池电压为作为负压的第一规定电压以下的情况下，使在与所述第一发电模块并联连接的所述电流调整电路中沿第一方向流动的电流增加，其中，所述第一方向是从所述阳极侧非发电部朝向所述阴极侧非发电部的方向。
9. 一种记录介质，记录有权利要求8所述的程序且能够由计算机读取。
全文摘要
燃料电池系统包括第一发电模块，具有含有催化剂的发电部、与发电部接触的阳极侧非发电部、以及隔着发电部配置在发电部的相反侧的阴极侧非发电部；至少一个第二发电模块，与第一发电模块相邻；电流调整电路，与各发电模块并联连接；以及电流控制部，在阳极侧非发电部和阴极侧非发电部之间的电压即单电池电压为作为负压的第一规定电压以下的情况下，使在与第一发电模块并联连接的电流调整部中沿第一方向流动的电流增加，其中，所述第一方向是从阳极侧非发电部朝向阴极侧非发电部的方向。
文档编号H01M8/10GK102388495SQ201080002220
公开日2012年3月21日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者久米井秀之, 川原周也 申请人:丰田自动车株式会社