燃料电池系统和燃料电池的含水量控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及燃料电池系统和燃料电池的含水量控制方法。
【背景技术】
[0002]为有效地生成电力，希望将包括在蓄电池单元的电池中的水的量调整到合适的量。为将包括在电池中的水的量调整到合适的量，公开了如下技术，即，在考虑在阳极电极和阴极电极之间通过电解质膜进行的水的移动的情况下，估算每个单个电池的表面中的反应气体通路中的水的量和包括在电解质膜中的水的量，并且如果估算出的水的量超过预定值，则在燃料电池上执行排水过程，然后限制从燃料电池获取的电流(国际专利公开N0.2010/73383)。
[0003]然而，一般地，在阳极侧中的气体流速小于在阴极侧中的气体流速。因此，国际专利公开N0.2010/73383的技术具有的问题是，在水一旦蓄积在阳极侧中的气体通路中的情况中，移除因此蓄积的水变得困难。当水蓄积在阳极侧中的气体通路中时，阳极气体难于流过，这导致燃料电池的输出降低。因此，希望能够抑制水蓄积在阳极侧中的气体通路中的技术。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种燃料电池系统和燃料电池的含水量控制方法。
[0005]本发明的一个方面提供了一种燃料电池系统。燃料电池系统包括:燃料电池，该燃料电池包括电解质膜、阳极和阴极，该阳极被形成在电解质膜的一个表面上，该阴极被形成在电解质膜的另一个表面上；估算部，该估算部被构造成估算在阳极侧中的水阻塞；和控制部，所述控制部被构造成使得当估算部估算出阳极侧处于水阻塞状态时，所述控制部将在阳极侧中流动的阳极气体的流速维持在预定速度，并且将在阴极侧中流动的阴极气体的流速控制为小于预定速度。在根据以上方面的燃料电池系统中，当估算在阳极侧中的水阻塞时，降低阴极侧中的气体流速，使得从阳极侧移动到阴极侧的水的量能够大于从阴极侧移动到阳极侧的水的量。这使得能够抑制水在阳极侧中的气体通路中蓄积。
[0006]在以上的实施例中，可基于阳极侧中存在的含水量来估算水阻塞。估算部估算出阳极侧处于水阻塞状态的情况可以指示阳极侧的含水量为阈值或高于阈值的情况。
[0007]在以上的方面中，燃料电池系统可以包括组，所述组被构造成使得多个燃料电池被层叠起来，并且估算部可以基于被设置在所述组的端部中使得其阳极面向所述燃料电池的组的外侧的燃料电池的含水量，来估算阳极侧的含水量。与其他部分相比，所述组的端部的含水量易于增加。此外，在其阳极面向所述组的外侧的燃料电池中，与燃料电池的阴极的温度相比，阳极的温度容易降低。因此，通过估算其阳极面向所述组的外侧的燃料电池的含水量作为阳极侧的含水量，能够容易地估算阳极侧的含水量。
[0008]在以上的方面中，估算部可以基于燃料电池的电压波动来估算阳极侧的含水量。在该燃料电池系统中，能够基于燃料电池的电压波动来估算阳极侧的含水量。
[0009]在本发明的以上的方面中，本发明能够由不同于上述燃料电池系统的多种其它形式来实现。例如，本发明能够以例如燃料电池的含水量控制方法的形式来实现。
【附图说明】
[0010]将在下文中参考附图描述本发明的典型实施例的特征、优点以及技术与工业意义，其中类似的附图标号指示了类似的元件，其中:
[0011]图1是图示了根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的构造的示意图；
[0012]图2是图示了燃料电池系统中的燃料电池的含水量控制过程的流程图；
[0013]图3是示意性地图示了在未执行含水量控制过程的情况下的阳极An和阴极Cn之间的水移动的解释图；
[0014]图4是示意性地图示了在执行了含水量控制过程的情况下的阳极An和阴极Cn之间的水移动的解释图；并且
[0015]图5是图示了第二实施例中的含水量控制过程的流程图。
【具体实施方式】
[0016]A.第一实施例:
[0017]Al.燃料电池系统的构造:
[0018]图1是图示了根据本发明的一个实施例的燃料电池系统100的构造的示意图。燃料电池系统100被设置在例如电动车辆中，并且响应于来自驾驶员的要求而输出电力作为车辆的动力源。
[0019]燃料电池系统100包括燃料电池20、阴极气体供给系统30、阴极气体排出系统40、阳极气体供给系统50、阳极气体排出系统60和控制部70。
[0020]燃料电池20是固体聚合物燃料电池，其被构造成当接收氢气(阳极气体)和空气(阴极气体)作为反应气体时生成电力。燃料电池20由组21s形成，所述组21s被构造成使得多个电池21被层叠起来。被设置在组21s的端部中的电池21a、21b与相应的端板25接触。电池21a是其阳极面向组21s的外侧的电池，并且电池21b是其阳极面向组21s的内侧的电池。
[0021]每个电池21均包括膜电极和气体扩散层组件(MEGA) 22，所述MEGA 22包括膜电极组件(MEA) 10、经由微多孔层(MPL) 14与MEA 10的一个表面连结的阳极侧气体扩散层16和经由MPL 15与MEA 10的另一个表面连结的阴极侧气体扩散层17。MEGA 22的阳极侧气体扩散层16和阴极侧气体扩散层17分别与阳极侧分离器18和阴极侧分离器19相邻。阳极气体通路24被形成在阳极侧气体扩散层16和阳极侧分离层18之间。阴极气体通路26被形成在阴极侧气体扩散层17和阴极侧分离层19之间。
[0022]MEA 10包括电解质膜11，和被分别形成在电解质膜11的两个表面上的阳极侧催化层12和阴极侧催化层13。电解质膜11是固体聚合物薄膜，其在湿态中具有良好的质子传导性。电解质膜11由氟化树脂制成的离子交换膜构成，例如Naf1n(注册商标)。阳极侧催化层12和阴极侧催化层13每个均包括:催化剂，所述催化剂促进氢和氧之间的化学反应；和碳颗粒，所述碳颗粒携带催化剂。
[0023]MPL 14、MPL 15具有通过使用排水树脂诸如聚四氟乙烯(PTFE)和导电材料诸如炭黑而形成的微孔。MPL 14、MPL 15维持MEA 10中的湿态，并且在燃料电池20的发电期间抑制如下状态，即阳极侧催化层12和阴极侧催化层13的孔以及阳极侧气体扩散层16和阴极侧气体扩散层17的孔被由于化学反应所生成的水封闭。
[0024]阳极侧气体扩散层16和阴极侧气体扩散层17由多孔基材料构成，所述材料具有导电性和气体扩散性，诸如碳纤维基材料、石墨纤维基材料和泡沫金属。
[0025]阳极侧分离器18和阴极侧分离器19是板状构件，其具有导电性和不透气性，并且每个例如由金属板构成。
[0026]阳极气体通路24被连接到阳极气体供给系统50和阳极气体排出系统60。阴极气体通路26被连接到阴极气体供给系统30和阴极气体排出系统40。阴极气体(例如空气)从阴极气体供给系统30经由管31被供给到电池21，并且罐52中的阳极气体(例如氢体)被从阳极气体供给系统50经由管51供给。此外，已在多个电池21中反应的气体和在反应中尚未使用的气体经由管41、61被从阴极气体排出系统40和阳极气体排出系统60排出。
[0027]注意到，在本实施例中，包括阳极侧催化层12、MPL 14、阳极侧气体扩散层16、阳极侧分离器18和阳极气体通路24的区域被称为相对于电解质膜11的“阳极侧”，并且包括阴极侧催化层13、MPL 15、阴极侧气体扩散层17、阴极侧分离器19和阴极气体通路26的区域被称为相对于电解质膜11的“阴极侧”。当在燃料电池20中执行发电时，由于氢和氧之间的电化学反应，在阴极侧中生成水。
[0028]控制部70被构造为包括CPU、RAM和ROM的计算机。通过将存储在ROM中的程序加载到RAM中并且执行该程序而将CPU用作估算部71和流速控制部72。例如，在燃料电池20的发电结束时或燃料电池20的发电停止时(例如，设有燃料电池20的车辆的档位换档到停车范围)，控制部70执行后文中陈述的含水量控制过程。在含水量控制过程中，估算部71估算在阴极通路24中的水阻塞的发生。在第一实施例中，估算部71估算在燃料电池20的阳极侧中存在的含水量(在后文中称为阳极含水量Wa)。此外，估算部71估算已经从阳极侧移动到阴极侧的含水量(在后文中称为移动的含水量Wac)。当因此通过估算部71估算的阳极含水量Wa为阈值Ta或高于阈值Ta时，流速控制部72将阳极气体流速维持在用于燃料电池的正常的发电的阳极气体流速下，并且