燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】一种燃料电池系统，具备：燃料电池堆，其根据负荷来发电；燃料罐，其贮存燃料气体；压力调整阀，其调整从燃料罐向燃料电池堆供给的燃料气体的压力；放气阀，其放出从燃料电池堆排出的燃料气体；以及控制器，其控制系统，控制器包括：脉动部，其使燃料电池堆的燃料气体压力脉动；以及升压速度设定部，其根据运转状态来设定燃料气体压力的脉动的升压速度。
【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]日本JP2007-517369A公开了一种反复进行高压的负极气体的供给/停止来使负极气体的压力脉动的燃料电池系统。在这种燃料电池系统中，供给高压的负极气体。由此，将滞留在反应流路中的杂质压入缓冲罐，提高反应流路的负极气体浓度，来进行发电。接着，停止负极气体的供给并继续发电，由此负极气体被消耗而反应流路的压力降低。随之，暂时排出到缓冲罐的负极气体反流过来而在发电反应中被消耗。当与负极气体一起反流的杂质、从正极侧交叉泄漏的杂质逐渐增加时，再次供给高压的负极气体。
[0003]通过反复进行这种动作，来维持反应流路的负极气体浓度以持续发电。
[0004]另外，相关文献公知发明在日本JP2008-97966A和日本JP2007-149630A中也有所记载。
【发明内容】
[0005]然而，本申请发明人发现:由于燃料电池系统一般是层叠多达数百块电池(cell)的结构，因此在如日本JP2007-517369A那样单纯进行脉动的控制中，由于运转状态的不同而发电电池间容易产生反应偏差。即，例如，若在处于低负荷运转状态时脉动运转的升压速度过大，则在歧管中流动的负极气体的流速会过快而成为乱流状态。在这种状态下，变得易于从歧管流向规定的发电电池的反应气体流路或者难以从歧管流向规定的发电电池的反应气体流路，从而会使向各电池供给的负极气体量产生偏差。其结果，有可能会出现无法排除杂质、负极气体浓度降低的电池。这样一来，发电电池间容易产生反应偏差。另外，例如在处于高负荷运转状态时，发电反应也变得活跃，会生成很多水。在由于该水而堵塞了若干个发电电池的气体流路的状态下，会阻碍该发电电池的气体流路的气体的流动。若在这种状况下升压速度过慢，就更难向被生成水所阻碍的气体流路供给气体，发电反应变得不稳定而发电电池间容易产生反应偏差。
[0006]本发明是着眼于这种以往的问题而完成的。本发明的目的在于提供一种即使运转状态发生变化、发电电池间也难以产生反应偏差的燃料电池系统。
[0007]本发明的燃料电池系统的一个方式具备:燃料电池堆，其根据负荷来发电；燃料罐，其贮存燃料气体；压力调整阀，其调整从燃料罐向燃料电池堆供给的燃料气体的压力；放气阀，其放出从燃料电池堆排出的燃料气体；以及控制器，其控制系统。而且包括:脉动部，其使上述燃料电池堆的燃料气体压力脉动；以及升压速度设定部，其根据运转状态来设定上述燃料气体压力的脉动的升压速度。
[0008]下面参照附图来详细说明本发明的实施方式、本发明的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是表示本发明的燃料电池系统的第一实施方式的概要的图。
[0010]图2A是说明燃料电池堆的外观立体图。
[0011]图2B是表示燃料电池堆的发电电池的构造的分解图。
[0012]图3A是说明燃料电池堆中的电解质膜的反应的示意图。
[0013]图3B是说明燃料电池堆中的电解质膜的反应的示意图。
[0014]图4是燃料电池系统的第一实施方式的控制器所执行的控制流程图。
[0015]图5是表示设定反应气体的脉动运转的目标上限压力和目标下限压力的对应图的一例的图。
[0016]图6是表示燃料电池系统的第一实施方式的升压速度设定例程的图。
[0017]图7A是例示燃料电池系统的第一实施方式的用于设定升压速度的对应图的图。
[0018]图7B是例示燃料电池系统的第一实施方式的用于设定升压速度的对应图的图。
[0019]图7C是例示燃料电池系统的第一实施方式的用于设定升压速度的对应图的图。
[0020]图8是说明执行第一实施方式的控制流程图时的动作的时序图。
[0021]图9A是说明第一实施方式的作用效果的图。
[0022]图9B是说明第一实施方式的作用效果的图。
[0023]图10是表示燃料电池系统的第二实施方式的升压速度设定例程的图。
[0024]图1lA是例示燃料电池系统的第二实施方式的用于设定升压速度的对应图的图。
[0025]图1lB是例示燃料电池系统的第二实施方式的用于设定升压速度的对应图的图。
[0026]图1lC是例示燃料电池系统的第二实施方式的用于设定升压速度的对应图的图。
[0027]图12是说明第二实施方式的作用效果的图。
[0028]图13是燃料电池系统的第三实施方式的控制器所执行的控制流程图。
[0029]图14是表示燃料电池系统的第三实施方式的升压速度设定例程的图。
[0030]图15A是例示燃料电池系统的第三实施方式的用于设定升压速度的对应图的图。
[0031]图15B是例示燃料电池系统的第三实施方式的用于设定升压速度的对应图的图。
[0032]图15C是例示燃料电池系统的第三实施方式的用于设定升压速度的对应图的图。
[0033]图16是说明执行第三实施方式的控制流程图时的动作的时序图。
[0034]图17是表示燃料电池系统的第四实施方式的升压速度设定例程的图。
[0035]图18A是例示燃料电池系统的第四实施方式的用于设定升压速度的对应图的图。
[0036]图18B是例示燃料电池系统的第四实施方式的用于设定升压速度的对应图的图。
[0037]图18C是例示燃料电池系统的第四实施方式的用于设定升压速度的对应图的图。
[0038]图19是说明执行第四实施方式的控制流程图时的动作的时序图。
[0039]图20是控制器所执行的第五实施方式的控制流程图。
[0040]图21是执行第五实施方式时的时序图。
【具体实施方式】
[0041](第一实施方式)
[0042]图1是表示本发明的燃料电池系统的第一实施方式的概要的图。
[0043]燃料电池系统包括燃料电池堆100、氢罐200、压力调整阀300、缓冲罐400、放气阀500以及控制器600。
[0044]燃料电池堆100被供给反应气体(负极(anode)气体H2、正极(cathode)气体O2)来进行发电。详情在后面叙述。
[0045]氢罐200是以高压状态贮存负极气体H2的高压气体罐。氢罐200设置于负极路径的最上游。
[0046]压力调整阀300设置于氢罐200的下游。压力调整阀300对从氢罐200新供给到负极路径的负极气体H2的压力进行调整。通过压力调整阀300的开度对负极气体H2的压力进行调整。
[0047]缓冲罐400设置于燃料电池堆100的下游。缓冲罐400蓄积从燃料电池堆100排出的负极气体H2。
[0048]放气阀500设置于缓冲罐400的下游。当打开放气阀500时，负极气体H2从缓冲罐400被放出。
[0049]控制器600基于设置于负极路径的压力传感器71、设置于燃料电池堆100的电流电压传感器72等的信号来控制压力调整阀300的动作。具体的控制内容在后面叙述。
[0050]图2A是说明燃料电池堆的外观立体图。图2B是表示燃料电池堆的发电电池的构造的分解图。
[0051]如图2A所示，燃料电池堆100具备进行层叠的多个发电电池10、集电板20、绝缘板30、端板40以及四根拉杆50。
[0052]发电电池10是燃料电池的单位发电电池。各发电电池10产生I伏特(V)左右的电动势。各发电电池10的结构的详情在后面叙述。
[0053]集电板20分别配置于进行层叠的多个发电电池10的外侧。集电板20由不透气性的导电性构件、例如致密碳形成。集电板20具备正极端子211和负极端子212。燃料电池堆100通过正极端子211和负极端子212取出由各发电电池10产生的电子e_并输出。
[0054]绝缘板30分别配置于集电板20的外侧。绝缘板30由绝缘性的构件、例如橡胶等形成。
[0055]端板40分别配置于绝缘板30的外侧。端板40由具有刚性的金属材料、例如钢等形成。
[0056]在一方的端板40 (图2A中左前的端板40)上设置有负极供给口 41a、负极排出口41b、正极供给口 42a、正极排出口 42b、冷却水供给口 43a以及冷却水排出口 43b。在本实施方式中，负极供给口 41a、冷却水供给口 43a以及正极排出口 42b设置于图中右侧。另外，正极供给口 42a、冷却水排出口 43b以及负极排出口 41b设置于图中左侧。
[0057]拉杆50分别设置于端板40的四角附近。燃料电池堆100在内部形成有贯通的孔(未图示)。拉杆50贯穿该贯通孔。拉杆50由具有刚性的金属材料、例如钢等形成。拉杆50在表面进行了绝缘处理，以防止发电电池10之间发生电短路。该拉杆50与螺母(位于里面因此未图示)螺纹接合。拉杆50和螺母将燃料电池堆100沿层叠方向紧固。
[0058]作为向负极供给口 41a供给作为负极气体的氢的方法，例如由从氢贮存装置直接供给氢气的方法、或者将含氢的燃料重整来供给重整后的含氢气体的方法等。此外，作为氢贮存装置，有高压气体罐、液化氢罐、贮氢合金罐等。作为含氢的燃料，有天然气、甲醇、汽油等。在图1中，使用高压气体罐。另外，作为向正极供给口 42a供给的正极气体，一般利用空气。
[0059]如图2B所示,发电电池10构成为在膜电极组件(Membrane Electrode Assembly ；MEA) 11的两面配置负极隔板(负极双极板)12a和正极隔板(正极双极板)12b。
[0060]MEAll在由离子交换膜组成的电解质膜111的两面形成电极催化剂层112。在该电极催化剂层112之上形成气体扩散层(Gas Diffus1n Layer ;(?L)113。
[0061]电极催化剂层112例如由承载有钼等的炭黑粒子形成。
[0062]GDLl 13由具有足够的气体扩散性和导电性的构件、例如碳纤维形成。
[0063]从负极供给口 41a供给的负极气体在该GDL113a中流动来与负极电极催化剂层112 (112a)进行反应，从负极排出口 41b排出。
[0064]从正极供给口 42a供给的正极气体在该⑶L113b中流动来与正极电极催化剂层112 (112b)进行反应，从正极排出口 42b排出。
[0065]负极隔板12a隔着⑶L113a和密封件14a叠加在MEAll的单面(图2B的背面)上。正极隔板12b隔着⑶L113b和密封件14b叠加在MEAll的单面(图2B的表面)上。密封件14(14a、14b)例如是娃橡胶、三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer ；EPDM)、氟橡胶等橡胶状弹性材料。负极隔板12a和正极隔板12b例如是将不锈钢等金属制的隔板基体压制成型而成的，在一个面上形成反应气体流路，在其相反面上以与反应气体流路交替排列的方式形成冷却水流路。如图2B所示那样将负极隔板12a和正极隔板12b重叠，来形成冷却水流路。
[0066]MEA11、负极隔板12a以及正极隔板12b中分别形成有孔41a、41b、42a、42b、43a、43b，将它们重叠来形成负极供给口(负极供给歧管)41a、负极排出口(负极排出歧管)41b、正极供给口(正极供给歧管)42a、正极排出口(正极排出歧管)42b、冷却水供给口(冷却水供给歧管)43a以及冷却水排出口(冷却水排出歧管)43b。
[0067]图3A和图3B是说明燃料电池堆中的电解质膜的反应的示意图。
[0068]如上所述，燃料电池堆100被供给反应气体(正极气体O2、负极气体H2)来进行发电。将在电解质膜的两个面上形成正极电极催化剂层和负极电极催化剂层而得到的膜电极组件(Membrane Electrode Assembly ；MEA)层叠数百块来构成燃料电池堆100。图3A中示出了其中一块MEA。在此，示出了以下的例子:一边对MEA供给正极气体(正极进)并从对角侧将其排出(正极出)，一边对MEA供给负极气体(负极进)并从对角侧将其排出(负极出)。
[0069]各膜电极组件(MEA)在正极电极催化剂层和负极电极催化剂层中根据负荷而进行以下反应来发电。
[0070][化I]
[0071]正极电极催化剂层:4H++4e_+02— 2Η20...(1-1)
[0072]负极电极催化剂层:2?— 4H++4e_...(1-2)
[0073]如图3B所示，随着反应气体(正极气体O2)在正极流路中流动，进行上式(1-1)的反应，生成水蒸气。然后，在正极流路的下游侧相对湿度变高。其结果，正极侧与负极侧的相对湿度差变大。以该相对湿度差为动力(driving force)，水逆扩散而将负极上游侧加湿。该水分还从MEA蒸发到负极流路中而将在负极流路中流动的反应气体(负极气体H2)加湿。然后，被运送到负极下游侧，将负极下游的MEA加湿。
[0074]为了通过上述反应来高效地发电，需要使电解质膜处于适度的湿润状态。若电解质膜中的水分少而电解质膜的湿润度过小，则无法促进上述反应。反之，若电解质膜中的水分过多，则剩余的水分会溢出到反应气体流路，气体的流动受到阻碍。在这种情况下也无法促进上述反应。因而，通过使电解质膜处于适度的湿润状态来高效地发电。作为目标的湿润度(目标湿润度)与负荷无关，是固定的值。考虑与湿润度相应的发电效率以及与电解质膜的含水相应的启动时的冻结度，通过实验方式来提供最合适的湿润度。在运转过程中，通过调整冷却水温、正极气体压力、正极流量来执行湿润度反馈控制，使得基于HFR(HighFrequency Resistance:高频电阻)检测出的湿润度变为如上所述那样提供的目标湿润度。与目标湿润度相比越靠近湿润侧时，假定负极流路内存在大量凝结水而使脉动供给负极气体时的升压速度越高。此外，HFR(High Frequency Resistance)例如是通过公知的交流阻抗法而求出的。即，通过电压传感器检测对燃料电池堆100的输出电流叠加高频的交流电流时的燃料电池堆100的电压值，基于该电压值来运算所叠加的交流电流的电压振幅，通过用该电压振幅除以所叠加的交流电流的电流振幅来计算阻抗(HFR)。阻抗(HFR)越大，则电解质膜越干燥。此外，阻抗(HFR)的计算方法不限于上述方法，例如也可以使用本 申请人:所申请的日本JP2012-054153A中记载的方法。
[0075]具体地说，发明人们如下那样进行控制。
[0076]图4是燃料电池系统的第一实施方式的控制器所执行的控制流程图。此外，控制器每隔微小时间(例如10毫秒)就重复执行该流程图。
[0077]在步骤SI中，控制器获取目标要求负荷。具体地说，例如只要基于驱动器的加速踏板踏下量等来进行运算即可。
[0078]在步骤S2中，控制器判断目标要求负荷是否发生了变化。如果判断结果为肯定，则控制器使处理转变为步骤S3，如果判断结果为否定，则控制器使处理转变为步骤S5。
[0079]在步骤S3中，控制器设定反应气体的脉动运转的目标上限压力和目标下限压力。具体地说，例如预先通过实验等准备图5所示那样的对应图。然后，将目标要求负荷应用于该对应图，来设定反应气体的脉动运转的目标上限压力和目标下限压力。
[0080]在步骤S4中，控制器设定升高反应气体的压力时的升压速度。具体地说，如图6所示，基于压力来设定升压速度(步骤S41)。此外，在此所说的压力例如是目标上限压力与目标下限压力的平均压力。然后，预先通过实验等准备图7A所示那样的对应图，将压力应用于该对应图，来设定升压速度。此外，对应图也可以是如图7B、图7C那样简易的图。总之，有压力越大则升压速度越大的趋势。
[0081]在步骤S5中，控制器判断当前压力是否正在上升。如果判断结果为肯定，则控制器使处理转到步骤S6，如果判断结果为否定，则控制器使处理转到步骤S8。
[0082]在步骤S6中，控制器判断当前的压力是否小于目标上限压力。如果判断结果为否定，则控制器暂时退出处理，如果判断结果为肯定，则控制器使处理转到步骤S7。
[0083]在步骤S7中，控制器停止供给反应气体。
[0084]在步骤S8中，控制器判断当前的压力是否大于目标下限压力。如果判断结果为否定，则控制器暂时退出处理，如果判断结果为肯定，则控制器使处理转到步骤S9。
[0085]在步骤S9中，控制器开始供给反应气体。
[0086]图8是说明执行第一实施方式的控制流程图时的动作的时序图。
[0087]此外，为了易于理解与上述的流程图的对应关系，对流程图的步骤号标注S来一并记载。
[0088]执行以上的控制流程图来如下那样进行动作。
[0089]在图8中，在时刻til以前，进行步骤SI — S2 — S3 — S4的处理，基于目标要求负荷设定了脉动运转的目标下限压力Pll和目标上限压力P12。还设定了升高反应气体的压力时的升压速度。
[0090]在时刻til以后，重复步骤SI — S2 —S5 —S6的处理。其结果，如图8所示那样，负极压力上升。
[0091]当在时刻tl2负极压力达到目标上限压力P12时，进行步骤S6 — S7的处理。其结果，如图8所示那样，负极压力转为下降。
[0092]在时刻tl2以后，重复步骤SI — S2 — S5 — S8的处理。在停止供给负极气体的期间，负极气体也会被发电反应所消耗，因此如图8所示那样，负极压力持续下降。
[0093]当在时刻tl3负极压力达到目标下限压力Pll时，进行步骤S8 — S9的处理。其结果，如图8所示那样，负极压力转为上升。
[0094]直到时刻tl5为止重复同样的控制。
[0095]当在时刻tl5踏下加速踏板等而目标要求负荷上升时，进行步骤SI — S2 — S3 — S4的处理，基于目标要求负荷重新设定目标下限压力P21和目标上限压力P22。还重新设定升压速度。此外，根据图8明确可知，在时刻tl5以后，负极压力上升时的斜率比时刻tl5以前负极压力上升时的斜率大。S卩，时刻tl5以后的负极压力的升压速度比时刻tl5以前的负极压力的升压速度快。
[0096]在时刻tl5以后，重复步骤SI — S2 — S5 — S6的处理。其结果，负极压力上升。
[0097]当在时刻tl6负极压力达到目标上限压力P22时，进行步骤S6 — S7的处理。其结果，负极压力转为下降。
[0098]在时刻tl6以后，重复步骤SI — S2 — S5 — S8的处理。在停止供给负极气体的期间，负极气体也会被发电反应所消耗，因此负极压力持续下降。
[0099]当在时刻tl7负极压力达到目标下限压力P21时，进行步骤S8 — S9的处理。其结果，如图8所示那样，负极压力转为下降。
[0100]以后重复同样的控制。
[0101]图9A和图9B是说明第一实施方式的作用效果的图。此外，图表的横轴表示进行层叠的多个发电电池10的位置。左侧为图2所示的面前侧，右侧是图2所示的里面侧。图表的纵轴表不各发电电池的微小时间内的发电量。若该发电量的相差小则可知偏差少而发电稳定。若发电量的相差大则可知偏差多而发电不稳定。
[0102]如上所述，在本实施方式中，对燃料电池堆要求的负荷越高，则将脉动运转的目标上限压力和目标下限压力设定得越大。另外将升压速度也设定得越大。
[0103]当对燃料电池堆要求的负荷小时，式(1-1)所示的发电反应也相应地发生。在这种时候，若不使升压速度过大而使压力以基准速度上升，则各发电电池中的发电偏差如图9A的黑方形所示那样小。即发生稳定的发电反应。
[0104]与此相对，当增大升压速度时，各发电电池中的发电偏差如图9A的白圆所示那样大。即发电反应变得不稳定。
[0105]就这一点，发明人进行了如下研究。即，若增大升压速度，则在负极供给歧管中流动的负极气体的流速急剧变快。于是，从负极供给歧管向各发电电池的气体流路流动的气体的流量不一样。这是由于，若在负极供给歧管中流动的负极气体的流速急剧变快，则在负极供给歧管中流动的负极气体会变为乱流状态，从而阻碍向各发电电池的气体流路的均匀的流动而分配偏差变大。认为如果在负极供给歧管中流动的负极气体的流速不快，则负极气体从负极供给歧管向各发电电池的气体流路几乎均匀地流动而分配偏差小。以上为发明人的研究。
[0106]另一方面，当对燃料电池堆要求的负荷大时，式(1-1)所示的发电反应也变得活跃。在这种时候，若增大升压速度，则各发电电池中的发电偏差如图9B的白圆所示那样小。即发生稳定的发电反应。
[0107]与此相对，若是压力以基准速度上升，则各发电电池中的发电偏差如图9B的黑方形所示那样大。即发电反应变得不稳定。
[0108]就这一点，发明人进行了如下研究。即，如果对燃料电池堆要求的负荷大，则式(1-1)所示的发电反应也变得活跃，会生成很多水。在该水残留于各发电电池的气体流路的状态下，气体的流动受到阻碍，发电反应变得不稳定。与此相对，如果增大升压速度、使在负极供给歧管中流动的负极气体的流速迅速升高，则会去除残留于各发电电池的气体流路的生成水，发电反应稳定。然而，若使压力以基准速度上升，则残留于各发电电池的气体流路的生成水的去除能力不足，发电反应变得不稳定，以上为发明人的见解。
[0109]另外，在对燃料电池堆要求的负荷大时，向燃料电池堆供给的气体的压力也变高。
[0110]在气体的压力高的状态与气体的压力低的状态下，即使以相同气体的升压速度使气体压力上升，流动的速度也不同。即，即使以相同气体的升压速度使气体压力上升，与气体的压力低的状态时相比，气体的压力高的状态时的气体的流速更慢。即更难以供给气体。
[0111]与此相对，在本实施方式中，对燃料电池堆要求的负荷越高，则将脉动运转的目标压力设定得越大，同时将升压速度也设定得越大，因此容易供给适当的气体。
[0112]如以上所说明的那样，根据本实施方式，即使对燃料电池堆要求的负荷(运转状态)发生变化，也难以产生各发电电池中的发电偏差，容易使发电稳定。另外，在存在分配偏差而各发电电池中反应气体不足的情况下，存在电池劣化的可能性。然而在本实施方式中，能够抑制分配偏差，因此能够防止使电池劣化。
[0113](第二实施方式)
[0114]图10是表示燃料电池系统的第二实施方式的升压速度设定例程的图。
[0115]此外，下面对实现与前述同样的功能的部分标注同一标记，适当省略重复的说明。
[0116]在第一实施方式中，基于压力(例如目标上限压力和目标下限压力的平均压力)来设定升压速度(步骤S41)。与此相对，在该第二实施方式中，不考虑目标上限压力而基于目标下限压力来设定升压速度(步骤S42)。具体地说，预先通过实验等准备图1lA所示那样的对应图，将目标下限压力应用于该对应图，来设定升压速度。此外，对应图也可以是如图11B、图1lC那样简易的图。总之，有目标下限压力越大则升压速度越大的趋势。
[0117]图12是说明第二实施方式的作用效果的图。
[0118]考虑脉动运转模式A和脉动运转模式B。
[0119]脉动运转模式B的目标上限压力和目标下限压力的平均压力与脉动运转模式A相同。然而，脉动运转模式B以比脉动运转模式A大的振幅进行脉动。在这种情况下，脉动运转模式B的下限压力更低，因此即使升压速度相同气体的流速也容易变快。因而，向各发电电池的气体流路的分配偏差容易变大。
[0120]与此相对，在第二实施方式中，基于目标下限压力来设定升压速度，因此脉动运转模式B设定比脉动运转模式A小的升压速度。因而，与脉动运转模式A相比，在脉动运转模式B中，在负极供给歧管中流动的负极气体的流速更慢，容易从负极供给歧管向各发电电池的气体流路均匀地流动。即，分配偏差变小。因此能够进行稳定的发电反应。
[0121](第三实施方式)
[0122]图13是燃料电池系统的第三实施方式的控制器所执行的控制流程图。
[0123]在该第三实施方式中，如图13所示，在步骤S2的分支之前的步骤S40中设定升压速度。除此以外的步骤SI?S3、S5?S9与图4相同，因此省略详细的说明。此外，参照图14来说明步骤S40的详情。
[0124]图14是表示燃料电池系统的第三实施方式的升压速度设定例程的图。
[0125]在步骤S401中，控制器求出电解质膜的湿润度。电解质膜的湿润度根据阻抗而发生变化。即，电解质膜的湿润度越小(电解质膜中的水分越少而越偏干)，则阻抗越大。电解质膜的湿润度越大(电解质膜中的水分越多而越偏湿)，则阻抗越小。在步骤S401中，利用该特性，例如使燃料电池堆的发电电流以例如IkHz的正弦波进行变动来观察电压的变动。然后，通过用IkHz的交流电压振幅除以交流电流振幅来求出阻抗。然后，能够基于该阻抗来得到电解质膜的湿润度。
[0126]在步骤S402中，控制器判断电解质膜的湿润度是否发生变化。此外，具体地说，在湿润度的变化是超过某个程度的范围地变化的情况下判断为肯定。这是为了防止误差。如果判断结果为否定，则控制器暂时退出处理，如果判断结果为肯定，则控制器使处理转到步骤 S403。
[0127]在步骤S403中，控制器基于电解质膜的湿润度来设定升压速度。具体地说，预先通过实验等准备图15A所示那样的对应图，将电解质膜的湿润度应用于该对应图，来设定升压速度。此外，对应图也可以是如图15B、图15C那样简易的图。总之，有电解质膜的湿润度越大则升压速度越大的趋势。
[0128]图16是说明执行第三实施方式的控制流程图时的动作的时序图。
[0129]在图16 中，在时刻 t31 以前，进行步骤 S40(S401 —S402 —S403) — SI — S2 — S3的处理，设定与电解质膜的湿润度相应的升压速度，并且基于目标要求负荷设定脉动运转的目标下限压力P31和目标上限压力P32。
[0130]在时刻t32之前电解质膜的湿润度未变化。或者即使存在变化也未大幅变化。在该状态下，在步骤S40中，进行步骤S401 — S402的处理。然后，与第一实施方式同样地进行处理来使负极压力脉动。
[0131]在时刻t32，判断出电解质膜的湿润度大而偏湿。在该状态下，在步骤S40中，进行步骤S401 — S402 — S403的处理来重新设定升压速度。根据负极压力上升时的斜率比在时刻t32以前负极压力上升时的斜率高这一点也可知，升压速度被设定成大于时刻t32以前的升压速度。然后，与上述同样地进行处理来使负极压力脉动。
[0132]在时刻t33，判断出电解质膜的湿润度小而偏干。在该状态下，在步骤S40中，进行步骤S401 — S402 — S403的处理来重新设定升压速度。根据负极压力上升时的斜率比在时刻t33以前负极压力上升时的斜率低这一点也可知，升压速度被设定成小于时刻t33以前的升压速度。然后，与上述同样地进行处理来使负极压力脉动。
[0133]在该第三实施方式中，根据电解质膜的湿润度来设定升压速度。湿润度越高(即电解质膜越偏湿)，则使升压速度增大得越多，使在负极供给歧管中流动的负极气体的流速迅速升高。这样一来，能够去除残留于各发电电池的气体流路的生成水，从而能够使发电反应稳定。
[0134]另外，湿润度越低(即电解质膜越偏干)，则越减小升压速度，使在负极供给歧管中流动的负极气体的流速不会过快。这样一来，从负极供给歧管向各发电电池的气体流路几乎均匀地分配负极气体，从而能够使发电反应稳定。
[0135](第四实施方式)
[0136]图17是表示燃料电池系统的第四实施方式的升压速度设定例程的图。
[0137]在第三实施方式中，根据电解质膜的湿润度设定升压速度。与此相对，在该第四实施方式中根据燃料电池堆的温度来设定升压速度。具体如下。
[0138]在步骤S404中，控制器求出燃料电池堆的温度。具体地说，只要例如在燃料电池堆中安装温度传感器并通过该温度传感器进行检测即可。另外，也可以根据冷却水的温度来估计燃料电池堆的温度。
[0139]在步骤S405中，控制器判断燃料电池堆的温度是否发生了变化。此外，具体地说，在温度的变化是超过某个程度的范围地变化的情况下判断为肯定。这是为了防止误差。如果判断结果为否定，则控制器暂时退出处理，如果判断结果为肯定，则控制器使处理转到步骤 S406。
[0140]在步骤S406中，控制器基于燃料电池堆的温度来设定升压速度。具体地说，预先通过实验等准备图18A所示那样的对应图，将燃料电池堆的温度应用于该对应图，来设定升压速度。此外，对应图也可以是如图18B、图18C那样简易的图。总之，有燃料电池堆的温度越大则升压速度越小的趋势。
[0141]在该第四实施方式中，根据燃料电池堆的温度来设定升压速度。然后，燃料电池堆的温度越低则使升压速度增大得越多，使在负极供给歧管中流动的负极气体的流速迅速升高。另外，燃料电池堆的温度越高则使升压速度减小得越多，使在负极供给歧管中流动的负极气体的流速不会过快。
[0142]燃料电池堆的电解质膜的湿润度与燃料电池堆的温度相关。燃料电池堆的温度越高，则湿润度越低。即，电解质膜越偏干。燃料电池堆的温度越低，则湿润度越高。即电解质膜越偏湿。
[0143]因此，通过如该第四实施方式那样根据燃料电池堆的温度来设定升压速度，也如图19所示那样得到与第三实施方式同样的作用效果。与求出电解质膜的湿润度相比，求出燃料电池堆的温度更简单。因而，根据该第四实施方式，能够比第三实施方式更简单地得到与第三实施方式同样的作用效果。
[0144](第五实施方式)
[0145]图20是控制器所执行的第五实施方式的控制流程图。
[0146]通过式(1-1)所示的发电反应而生成水。该水透过电解质膜而到达负极流路，剩余的液态水被排出到缓冲罐400。
[0147]另外，暂时流向缓冲罐侧的水有可能随着负极压力的降低而返回到燃料电池堆。对燃料电池堆要求的负荷越大，则燃料电池的发电反应越活跃而水的生成量也越多，因此在要求负荷大的情况下存在水从缓冲罐侧返回的担忧。若水返回，则该水有可能堵塞负极流路而阻碍发电反应。
[0148]因此，发明人在这种情况下通过减慢负极压力的降低速度来抑制水从缓冲罐侧返回。
[0149]以下说明具体的控制内容。
[0150]在步骤S501中，控制器判断负荷是否大于阈值。如果判断结果为肯定，则控制器使处理转到步骤S502，如果判断结果为否定，则控制器使处理转到步骤S505。
[0151 ] 在步骤S502中，控制器检测HFR。
[0152]在步骤S503中，控制器判断HFR是否小于阈值。即判断湿润状态是否为湿(wet)。如果判断结果为肯定，则控制器使处理转到步骤S504，如果判断结果为否定，则控制器使处理转到步骤S505。
[0153]在步骤S504中，控制器以使脉动的降压速度慢于平常的方式决定降压速度的目标值(使气体返回到能够抑制水从缓冲罐侧返回但是不会使发电运转恶化的程度的目标速度)并执行反馈控制。如上所述，控制器在升压时设定升压速度，执行反馈控制使得成为该升压速度。作为其结果，适当调整压力调整阀300的开度。在该步骤S504中，同样地决定降压速度的目标值并执行反馈控制。作为其结果，适当调整压力调整阀300的开度，在降压时也将压力调整阀300打开到固定的开度，与步骤S505时相比压力调整阀300的开度变大。
[0154]在步骤S505中，控制器以使脉动的降压速度为平常的方式决定降压速度的目标值并执行反馈控制。在此平常的降压速度是指在无需抑制水从缓冲罐侧返回的情况下基于负荷等设定的速度。
[0155]图21是执行第五实施方式时的时序图。
[0156]在负荷小的期间，负极压力也低。
[0157]若负荷变高，则负极压力也变高。另外，发电反应活跃而生成水也增多，因此HFR也下降。但是在时刻t52之前，HFR大于阈值，未处于过度湿润的状态。在该状态下，脉动的降压速度被设定为平常速度，在脉动降压时压力调整阀300完全闭合。
[0158]当过了时刻t52时，HFR变得小于阈值，从燃料电池堆排出的液态水在脉动降压时有可能返回。因此在此时，以使脉动的降压速度慢于平常的方式决定降压速度的目标值并执行反馈控制。作为其结果，在脉动降压时压力调整阀300也不是完全闭合的，而是被设为固定开度，使脉动的降压速度变慢。这样，在脉动降压时也从氢罐200供给固定的负极气体，从而抑制水从缓冲罐侧返回。
[0159]以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不是将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。
[0160]例如，上述实施方式能够适当组合。
[0161]另外，上述说明中的“检测”不仅包括直接检测，也包括间接地检测、即根据其它来进行估计。
[0162]另外，在第五实施方式中，也可以事先求出脉动的降压速度与压力调整阀的开度的相关关系，在步骤S504、步骤S505中将压力调整阀设为期望的开度。
[0163] 本申请基于2012年3月15日向日本专利局申请的特愿2012-59276要求优先权，通过参照将该申请的全部内容引入本说明书中。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统，具备: 燃料电池堆，其根据负荷来发电； 燃料罐，其贮存燃料气体； 压力调整阀，其调整从燃料罐向燃料电池堆供给的燃料气体的压力； 放气阀，其放出从燃料电池堆排出的燃料气体；以及 控制器，其控制系统， 其中，上述控制器包括: 脉动部，其使上述燃料电池堆的燃料气体压力脉动；以及 升压速度设定部，其根据运转状态来设定上述燃料气体压力的脉动的升压速度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 供给到上述燃料电池堆的燃料气体压力越高，则上述升压速度设定部将升压速度设定得越高。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述燃料电池堆的电解质膜的湿润度越高，则上述升压速度设定部将升压速度设定得越闻。
4.根据权利要求1?3中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 供给到上述燃料电池堆的燃料气体压力的下限值越高，则上述升压速度设定部将升压速度设定得越高。
5.根据权利要求1?4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述燃料电池堆的温度越低，则上述升压速度设定部将升压速度设定得越高。
6.根据权利要求1?5中的任一项所述的燃料电池系统,其特征在于， 上述脉动部使上述燃料电池堆内的燃料气体压力与要求负荷相应地上升，并且使燃料气体压力脉动。
7.根据权利要求1?6中的任一项所述的燃料电池系统,其特征在于， 上述控制器还包括根据要求负荷来设定目标上限压力和目标下限压力的目标压力设定部， 上述脉动部反复进行以下动作:进行反馈控制使得燃料气体的实际压力变为目标上限压力，如果燃料气体的实际压力变为目标上限压力则切换目标值并进行反馈控制使得燃料气体的实际压力变为目标下限压力，如果燃料气体的实际压力变为目标下限压力则切换目标值并进行反馈控制使得燃料气体的实际压力变为目标上限压力， 并且，上述脉动部使脉动的降压速度在要求负荷大于规定负荷时比要求负荷不大于规定负荷时慢。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述脉动部通过增大上述压力调整阀的开度来减慢脉动的降压速度。
【文档编号】H01M8/10GK104170143SQ201380014430
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年3月15日 优先权日:2012年3月15日
【发明者】前岛晋, 池添圭吾, 市川靖, 藤井隆宏, 仲孝志, 岩崎大刚 申请人:日产自动车株式会社