燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】燃料電池系統(tǒng)包含負(fù)載和與負(fù)載連接的燃料電池堆，通過向該燃料電池堆供給陽極氣體和陰極氣體，從而對應(yīng)于負(fù)載進(jìn)行發(fā)電，該燃料電池系統(tǒng)包含有：壓力設(shè)定部，其在該負(fù)載較高時，與該負(fù)載較低時相比，將陽極氣體的壓力設(shè)定得較高；滯留點判定部，其對應(yīng)于燃料電池堆的發(fā)電狀態(tài)，判定氮氣滯留點是否殘留在燃料電池堆內(nèi)的反應(yīng)流路中；以及運(yùn)轉(zhuǎn)控制部，其在氮氣滯留點殘留的狀態(tài)下，在要求負(fù)載下降時，禁止降低陽極氣體的壓力而進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
【專利說明】燃料電池系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]JP2007-517369A公開了一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)反復(fù)進(jìn)行高壓的陽極氣體的供給/停止而使陽極氣體的壓力發(fā)生脈動。在上述燃料電池系統(tǒng)中，如果供給高壓的陽極氣體，則會發(fā)生發(fā)電反應(yīng)，消耗陽極氣體。并且，如果停止陽極氣體的供給，則殘留在反應(yīng)流路中的陽極氣體在發(fā)電反應(yīng)中被消耗。然后，再次供給高壓的陽極氣體，通過發(fā)電反應(yīng)消耗陽極氣體。通過反復(fù)上述情況，不浪費而高效地利用陽極氣體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在對應(yīng)于要求負(fù)載的變動而對陽極氣體的壓力進(jìn)行調(diào)整的情況下，在要求負(fù)載提高時，壓力調(diào)整閥的開度或開閥時間增大。其結(jié)果，從氫氣罐供給高壓的氫氣，陽極氣體的壓力迅速上升。因此，上升過渡運(yùn)轉(zhuǎn)的時間較短。然而，在要求負(fù)載降低時，在壓力調(diào)整閥關(guān)閉的狀態(tài)下，必須等待通過發(fā)電反應(yīng)消耗氫氣。因此，降低陽極氣體的壓力時的過渡運(yùn)轉(zhuǎn)(下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn))的時間，比上升過渡運(yùn)轉(zhuǎn)的時間長。在該下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)中，有時緩沖罐的氮氣會逆流，MEA的陽極氣體會殘留在反應(yīng)流路中。在這種狀態(tài)下，如果再次進(jìn)行下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)，則有可能發(fā)生氫氣不足的情況，促進(jìn)MEA (電解質(zhì)膜)的劣化。
[0004]本發(fā)明是著眼于上述現(xiàn)有的問題點而提出的。本發(fā)明的目的在于，提供一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)能夠防止由氫氣不足導(dǎo)致的MEA(電解質(zhì)膜)的劣化。
[0005]本發(fā)明涉及的燃料電池系統(tǒng)的一個方式是，包含負(fù)載和與負(fù)載連接的燃料電池堆，通過向該燃料電池堆供給陽極氣體和陰極氣體，對應(yīng)于負(fù)載進(jìn)行發(fā)電。而且，其特征在于，包含:壓力設(shè)定部，其在該負(fù)載較高時，與該負(fù)載較低時相比，將陽極氣體的壓力設(shè)定得較高；滯留點判定部，其對應(yīng)于燃料電池堆的發(fā)電狀態(tài)，判定在燃料電池堆內(nèi)的反應(yīng)流路中是否殘留氮氣滯留點；以及運(yùn)轉(zhuǎn)控制部，其在氮氣滯留點殘留的狀態(tài)下要求負(fù)載下降時，禁止降低陽極氣體的壓力而運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0006]以下根據(jù)附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式、本發(fā)明的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是表示本發(fā)明涉及的燃料電池系統(tǒng)的第I實施方式的概要的圖。
[0008]圖2A是說明燃料電池堆的外觀斜視圖。
[0009]圖2B是表示發(fā)電單元的構(gòu)造的分解圖。
[0010]圖3A是說明燃料電池堆中的電解質(zhì)膜的反應(yīng)的示意圖。
[0011]圖3B是說明燃料電池堆中的電解質(zhì)膜的反應(yīng)是示意圖。
[0012]圖4是示意地表示向燃料電池堆供給的反應(yīng)氣體的壓力的圖。
[0013]圖5是說明產(chǎn)生氮氣滯留點的機(jī)理的圖。[0014]圖6是示意地表示在圖4的低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)中MEA的陽極流路中的氫氣濃度的圖。
[0015]圖7是示意地表示在圖4的高負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)中MEA的陽極流路中的氫氣濃度的圖。
[0016]圖8是說明本實施方式所要解決的課題的圖。
[0017]圖9是燃料電池系統(tǒng)的第I實施方式的由控制器執(zhí)行的控制流程圖。
[0018]圖10是表示對氮氣滯留點是否殘留在MEA的陽極流路中進(jìn)行判定的程序的流程圖。
[0019]圖11是表示壓力下降ΛΡ、和氮氣滯留點與出口相距的距離的相關(guān)性的一個例子的圖。
[0020]圖12是說明第I實施方式的執(zhí)行了控制流程時的動作的時序圖。
[0021]圖13是本發(fā)明涉及的燃料電池系統(tǒng)的第2實施方式的由控制器執(zhí)行的控制流程圖。
[0022]圖14是表示壓力下降Λ P和當(dāng)前的氫氣濃度Cl的相關(guān)性的一個例子的圖。
[0023]圖15是表示用于計算對應(yīng)于要求負(fù)載而降低壓力后的氫氣濃度C2的對應(yīng)圖的一個例子的圖。
[0024]圖16是說明第2實施方式的執(zhí)行了控制流程時的動作的時序圖。
[0025]圖17是示意地表示第2實施方式的執(zhí)行了控制流程時的MEA的陽極流路中的氫氣濃度的圖。
【具體實施方式】
[0026](第I實施方式)
[0027]圖1是表示本發(fā)明涉及的燃料電池系統(tǒng)的第I實施方式的概要的圖。
[0028]燃料電池系統(tǒng)包含有燃料電池堆100、氫氣罐200、壓力調(diào)整閥300、緩沖罐400、排泄閥500以及控制器600。
[0029]燃料電池堆100被供給反應(yīng)氣體(陽極氣體H2、陰極氣體O2)而進(jìn)行發(fā)電。詳細(xì)內(nèi)容將后述。
[0030]氫氣罐200是將陽極氣體H2以高壓狀態(tài)儲存的高壓氣體罐。氫氣罐200設(shè)置在陽極流路的最上游。
[0031]壓力調(diào)整閥300設(shè)置在氫氣罐200的下游。壓力調(diào)整閥300對從氫氣罐200向陽極流路供給的新的陽極氣體H2的壓力進(jìn)行調(diào)整。通過壓力調(diào)整閥300的開度，對陽極氣體H2的壓力進(jìn)行調(diào)整。
[0032]緩沖罐400設(shè)置在燃料電池堆100的下游。緩沖罐400存儲從燃料電池堆100排出的陽極氣體Η2。另外，在燃料電池堆的陰極流路中流動的空氣的一部分(特別是氮氣N2)會透過電解質(zhì)膜而到達(dá)陽極流路。該氮氣N2也與陽極氣體H2 —起從燃料電池堆100排出，而存儲在緩沖罐400中。
[0033]排泄閥500設(shè)置在緩沖罐400的下游。如果打開排泄閥500，則氮氣N2與陽極氣體H2 —起從緩沖罐400排泄。
[0034]控制器600基于設(shè)置在陽極流路上的壓力傳感器71或設(shè)置在燃料電池堆100中的電流電壓傳感器72等的信號，對壓力調(diào)整閥300的動作進(jìn)行控制。具體的控制內(nèi)容將后述。[0035]圖2A是說明燃料電池堆的外觀斜視圖。
[0036]如圖2A所示，燃料電池堆100具有:層疊的多個發(fā)電單元10 ;集電板20 ;絕緣板30 ;端板40 ；以及4根拉緊桿50。
[0037]發(fā)電單元10是燃料電池的單位發(fā)電單元。各發(fā)電單元10形成I伏(V)左右的電動勢。各發(fā)電單元10的詳細(xì)結(jié)構(gòu)將后述。
[0038]集電板20分別配置在層疊的多個發(fā)電單元10的外側(cè)。集電板20由不透氣的導(dǎo)電性部件、例如致密碳形成。集電板20具有正極端子211及負(fù)極端子212。燃料電池堆100通過正極端子211及負(fù)極端子212，獲取在各發(fā)電單元10中產(chǎn)生的電子e 一并輸出。
[0039]絕緣板30分別配置在集電板20的外側(cè)。絕緣板30由絕緣性部件、例如橡膠等形成。
[0040]端板40分別配置在絕緣板30的外側(cè)。端板40由具有剛性的金屬材料、例如鋼等形成。
[0041]在一側(cè)的端板40(在圖2A中左前側(cè)的端板40)上，設(shè)置有陽極供給口 41a、陽極排出口 41b、陰極供給口 42a、陰極排出口 42b、冷卻水供給口 43a和冷卻水排出口 43b。在本實施方式中，陽極供給口 41a、冷卻水供給口 43a及陰極排出口 42b設(shè)置在圖中右側(cè)。另夕卜，陰極供給口 42a、冷卻水排出口 43b及陽極排出口 41b設(shè)置在圖中左側(cè)。
[0042]拉緊桿50分別配置在端板40的四個角部附近。燃料電池堆100在內(nèi)部形成貫通的孔(未圖示)。在該貫通孔中插入拉緊桿50。拉緊桿50由具有剛性的金屬材料、例如鋼等形成。為了防止發(fā)電單元10之間的電氣短路，對拉緊桿50的表面實施絕緣處理。該拉緊桿50與螺母(由于在背面，因此未圖示)螺合。拉緊桿50和螺母將燃料電池堆100沿層疊方向緊固。
[0043]作為向陽極供給口 41a供給作為陽極氣體的氫氣的方法，例如有將氫氣氣體從氫氣儲存裝置直接供給的方法、或者對含有氫氣的燃料進(jìn)行改性而供給改性后的含氫氣氣體的方法等。此外，作為氫氣儲存裝置，有高壓氣體罐、液化氫氣罐、氫氣吸附合金罐等。作為含有氫氣的燃料，有天然氣、甲醇、汽油等。在圖1中，使用高壓氣體罐。另外，作為向陰極供給口 42a供給的陰極氣體，通常利用空氣。
[0044]圖2B是表示發(fā)電單元的構(gòu)造的分解圖。
[0045]如圖2B所不，發(fā)電單兀10是在膜電極接合體(Membrane Electrode Assembly ；MEA) 11的兩面上配置陽極隔膜(陽極雙極板)12a及陰極隔膜(陰極雙極板)12b的構(gòu)造。
[0046]作為MEA11，是在由離子交換膜構(gòu)成的電解質(zhì)膜111的兩面上形成電極催化劑層112。在該電極催化劑層112上形成氣體擴(kuò)散層(Gas Diffusion Layer ;⑶L) 113。
[0047]電極催化劑層112例如由承載鉬的炭黑粒子形成。
[0048]GDLl 13由具有充分的氣體擴(kuò)散性及導(dǎo)電性的部件、例如碳纖維形成。
[0049]從陽極供給口 41 a供給的陽極氣體流過該⑶L113a而與陽極電極催化劑層112 (112a)反應(yīng)后，從陽極排出口 41b排出。
[0050]從陰極供給口 42a供給的陰極氣體流過GDLl 13b而與陰極電極催化劑層112 (112b)反應(yīng)后，從陰極排出口 42b排出。
[0051]陽極隔膜12a經(jīng)由⑶LI 13a及密封部14a與MEAll的單面(圖2B的背面)重疊。陰極隔膜12b經(jīng)由⑶LI 13b及密封部14b與MEAll的單面(圖2B的表面)重疊。密封部14 (14a、14b)例如是娃橡膠、三兀乙丙橡膠(ethylene propylene diene monomer ;EPDM)、氟橡膠等橡膠狀彈性材料。陽極隔膜12a及陰極隔膜12b例如是不銹鋼等金屬制的隔膜基體沖壓成型的，在一側(cè)的面上形成反應(yīng)流路，在其相反側(cè)的面上以與反應(yīng)流路交替排列方式形成冷卻水流路。如圖2B所示，陽極隔膜12a及陰極隔膜12b重疊而形成冷卻水流路。
[0052]在MEA11、陽極隔膜12a及陰極隔膜12b上分別形成有孔41a、41b、42a、42b、43a、43b， 這些孔重疊而形成陽極供給口(陽極供給歧管)41a、陽極排出口(陽極排出歧管)41b、陰極供給口(陰極供給歧管)42a、陰極排出口(陰極排出歧管)42b、冷卻水供給口(冷卻水供給歧管)43a及冷卻水排出口(冷卻水排出歧管)43b。
[0053]圖3A及圖3B是說明燃料電池堆中的電解質(zhì)膜的反應(yīng)的示意圖。
[0054]如上所述，燃料電池堆100被供給反應(yīng)氣體(陰極氣體O2、陽極氣體H2)而進(jìn)行發(fā)電。燃料電池堆100是層疊幾百片膜電極接合體(Membrane Electrode Assembly ；MEA)而構(gòu)成，該膜電極接合體是在電解質(zhì)膜的兩面形成有陰極電極催化劑層及陽極電極催化劑層而形成的。在圖3A中示出其中I片MEA。在這里示出向MEA—邊供給陰極氣體(陰極入)并從對角側(cè)排出(陰極出)，一邊供給陽極氣體(陽極入)并從對角側(cè)排出(陽極出)的例子。
[0055]各膜電極接合體(MEA)在陰極電極催化劑層及陽極電極催化劑層中，對應(yīng)于負(fù)載進(jìn)行以下的反應(yīng)而發(fā)電。
[0056]【式I】
[0057]陰極電極催化劑層:4H++4eO2— 2Η20...(1-1)
[0058]陽極電極催化劑層:2H2— 4H++4e_...(1-2)
[0059]如圖3B所示，隨著反應(yīng)氣體(陰極氣體O2)流入陰極流路，進(jìn)行上式(1-1)的反應(yīng)，生成水蒸氣。于是，在陰極流路的下游側(cè)，相對濕度增大。其結(jié)果，陰極側(cè)與陽極側(cè)的相對濕度差增大。以該相對濕度差作為驅(qū)動力，水進(jìn)行逆擴(kuò)散而將陽極上游側(cè)加濕。該水分進(jìn)一步進(jìn)行從MEA向陽極流路蒸發(fā)而將在陽極流路中流動的反應(yīng)氣體(陽極氣體H2)加濕。然后，輸送至陽極下游側(cè)而將陽極下游的MEA加濕。
[0060]為了通過上述而高效地進(jìn)行發(fā)電，需要使電解質(zhì)膜處于適當(dāng)?shù)臐駶櫊顟B(tài)。如果電解質(zhì)膜中的水分較少而電解質(zhì)膜的濕潤度過低，則不能促進(jìn)上述反應(yīng)。相反，如果電解質(zhì)膜中的水分過多，則剩余的水分溢至反應(yīng)流路而阻礙氣體的流動。在這種情況下，也不能促進(jìn)上述反應(yīng)。因此，通過使電解質(zhì)膜處于適當(dāng)?shù)臐駶櫊顟B(tài)，從而高效地進(jìn)行發(fā)電。
[0061]圖4是示意地表示向燃料電池堆供給的反應(yīng)氣體的壓力的圖。
[0062]該燃料電池堆100對應(yīng)于要求負(fù)載的變動，設(shè)定反應(yīng)氣體(陽極氣體，陰極氣體)的壓力。而且，壓力調(diào)整閥300進(jìn)行開閉，反復(fù)進(jìn)行高壓的陽極氣體的供給/停止，從而脈動地供給陽極氣體。
[0063]如圖4所示，在要求負(fù)載較小時，反應(yīng)氣體(陽極氣體、陰極氣體)的壓力設(shè)定得較低，脈動地供給陽極氣體。如果要求負(fù)載增大，則反應(yīng)氣體(陽極氣體、陰極氣體)的壓力設(shè)定得較高，脈動地供給陽極氣體。
[0064]在要提高陽極氣體的壓力時，只要將壓力調(diào)整閥300的開度或開閥時間增大即可。這樣，從氫氣罐200供給高壓的氫氣，陽極氣體的壓力能夠迅速提高。因此，上升過渡運(yùn)轉(zhuǎn)的時間較短。[0065]然而，在要降低陽極氣體的壓力時，必須在關(guān)閉壓力調(diào)整閥300的狀態(tài)下，等待通過上式(1-2)的反應(yīng)而消耗陽極氣體H2。因此，降低陽極氣體的壓力時的過渡運(yùn)轉(zhuǎn)(下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn))的時間，比上升過渡運(yùn)轉(zhuǎn)的時間長。而且，在下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)中，由于關(guān)閉壓力調(diào)整閥300，因此，陽極氣體的壓力不會脈動。另外，由于下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)的時間較長，因此，在燃料電池堆的MEA的反應(yīng)流路中產(chǎn)生氮氣滯留的位置(氮氣滯留點)。如果氮氣滯留，則該位置的陽極氣體濃度比其他位置低?？紤]這種氮氣滯留點在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)或高負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時都會產(chǎn)生，但由于關(guān)閉壓力調(diào)整閥300的時間較短，因此不會成為問題。
[0066]以下對該氮氣滯留點進(jìn)行說明。
[0067]圖5是說明產(chǎn)生氮氣滯留點的機(jī)理的圖，圖5 (A)表示MEA的反應(yīng)流路的剖面，圖5(B)表示MEA的反應(yīng)流路的位置中的陽極氣體濃度的經(jīng)時變化。
[0068]即使壓力調(diào)整閥300全閉，如圖5(A)的向右的箭頭所示，MEA的陽極流路的陽極氣體也會通過由氫氣(陽極氣體)消耗而引起的壓力差，向緩沖罐側(cè)流動。如果陽極氣體被消耗，則陽極流路的壓力低于緩沖罐的壓力。其結(jié)果，發(fā)生從緩沖罐向陽極流路逆流的氣體。在緩沖罐中與氫氣H2 —起還存儲有氮氣N2,因此，與氫氣H2 —起而氮氣N2逆流。
[0069]在式(1-1) (1-2)中示出的催化劑反應(yīng)中，氮氣N2不反應(yīng)，因此，不會被消耗。因此，隨著時間的經(jīng)過，在速度O點的附近氮氣N2發(fā)生滯留。其結(jié)果，如圖5(B)所示，隨著時間的經(jīng)過，陽極氣體H2的濃度下降。
[0070]圖6是示意地表示在圖4的低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)中MEA的陽極流路中的氫氣濃度的圖，圖6(A)表示脈動壓力達(dá)到上限壓力的狀態(tài)，圖6(B)表示脈動壓力達(dá)到下限壓力的狀態(tài)。
[0071]在脈動壓力達(dá)到上限壓力時，陽極流路從上游至下游為止被氫氣充滿。在緩沖罐中，還存在氮氣。因此，緩沖罐的氫氣濃度低于陽極流路的氫氣濃度。
[0072]在脈動壓力下降而達(dá)到下限壓力時，如上所述，由于存在氮氣滯留點，因此，在陽極下游附近，氫氣濃度下降。
[0073]圖7是示意地表示在圖4的高負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)中MEA的陽極流路中的氫氣濃度的圖，圖7(A)表示脈動壓力達(dá)到上限壓力的狀態(tài)，圖7(B)表示脈動壓力達(dá)到下限壓力的狀態(tài)。
[0074]在高負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)中，也與低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)相同地，在脈動壓力達(dá)到上限壓力時，陽極流路從上游至下游為止被氫氣充滿。
[0075]在脈動壓力下降而達(dá)到下限壓力時，如上所述，由于存在氮氣滯留點，因此，在陽極下游附近氫氣濃度下降。
[0076]此外，與低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時相比，在高負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時，氮氣滯留點位于陽極流路更深的位置。
[0077]圖8是說明本實施方式所要解決的課題的圖。圖8(A)是示意地表示下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束的狀態(tài)下的MEA的陽極流路中的氫氣濃度的圖。圖8(B)是示意地表示在圖8(A)的狀態(tài)后，成為中負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)而陽極氣體的壓力上升，脈動壓力達(dá)到上限壓力的狀態(tài)下的MEA的陽極流路中的氫氣濃度的圖。圖8(C)是示意地表示在圖8(B)的狀態(tài)后，下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)時的MEA的陽極流路中的氫氣濃度的圖。
[0078]如圖4所示，下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)的時間較長。因此，如圖8㈧所示，氮氣滯留點位于比在圖7(B)中示出的高負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)中的脈動壓力達(dá)到下限壓力的狀態(tài)下的位置更深的位置處。[0079]在這種狀態(tài)之后，即使成為中負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)而陽極氣體的壓力上升，脈動壓力達(dá)到上限壓力，如圖8(B)所示，氮氣滯留點也不會被排出至緩沖罐，而是殘留在陽極流路內(nèi)。
[0080]在這種狀態(tài)下，如果進(jìn)行下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)，則氮氣滯留點被推入陽極流路的深處，并且，在該氮氣滯留點處進(jìn)一步滯留氮氣，而發(fā)生氫氣不足的情況。如果成為這種情況，則會促進(jìn)MEA (電解質(zhì)膜)的劣化。
[0081]為了解決這種課題，發(fā)明人想到以下述方式進(jìn)行控制。
[0082]圖9是燃料電池系統(tǒng)的第I實施方式的由控制器所執(zhí)行的控制流程圖。此外，控制器每隔微小時間(例如10毫秒)反復(fù)執(zhí)行該流程圖。
[0083]在步驟Sll中，控制器對應(yīng)于要求負(fù)載設(shè)定目標(biāo)壓力。此外，要求負(fù)載例如根據(jù)由駕駛?cè)颂と氲募铀倨魈と肓康榷@得。另外，存在要求負(fù)載越大，目標(biāo)壓力也越大的傾向。具體而言，預(yù)先通過實驗等，將相關(guān)性設(shè)定為對應(yīng)圖，在該對應(yīng)圖中使用要求負(fù)載而設(shè)定目標(biāo)壓力即可。
[0084]在步驟S12中，控制器判定當(dāng)前是否是禁止降低壓力而運(yùn)轉(zhuǎn)中。如果判定結(jié)果為否定，則控制器將處理轉(zhuǎn)至步驟S13，如果判定結(jié)果為肯定將轉(zhuǎn)至步驟S15。
[0085]在步驟S13中，控制器判定要求負(fù)載(目標(biāo)壓力)是否上升。如果判定結(jié)果為否定，則控制器將處理轉(zhuǎn)至步驟S14，如果判定結(jié)果為肯定，則將處理轉(zhuǎn)至步驟S15。
[0086]在步驟S14中，控制器不進(jìn)行任何禁止，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0087]在步驟S15中，控制器判定氮氣滯留點是否殘留在MEA的陽極流路中。此外，具體的判斷方法將后述。如果判定結(jié)果為否定，則控制器將處理轉(zhuǎn)至步驟S13，如果判定結(jié)果為肯定，則將處理轉(zhuǎn)至步驟S16。
[0088]在步驟S16中，禁止降低壓力而進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0089]圖10是表示對氮氣滯留點是否殘留在MEA的陽極流路中進(jìn)行判定的程序的流程圖。
[0090]在步驟S151中，控制器判定是否已運(yùn)算出排出氮氣滯留點所需的時間。如果判定結(jié)果為否定，則控制器將處理轉(zhuǎn)至步驟S152，如果判定結(jié)果為肯定，則將處理轉(zhuǎn)至步驟S156。
[0091]在步驟S152中，控制器運(yùn)算氮氣滯留點與出口相距的距離。氮氣滯留點與出口相距的距離CN存在壓力下降(ΛΡ)越大則越大的傾向。另外，即使是相同的壓力下降(ΛΡ)，也存在初始壓力越小則越大的傾向(圖11)。因此，將這種關(guān)系預(yù)先通過實驗等設(shè)定在對應(yīng)圖中，基于該對應(yīng)圖，運(yùn)算氮氣滯留點與出口相距的距離即可。
[0092]在步驟S153中，控制器對在打開排泄閥而排泄時氮氣滯留點移動的速度進(jìn)行運(yùn)算。氮氣滯留點的移動速度存在排泄閥的開度越大則越快的傾向。另外，存在排泄閥的開度時間越大則越快的傾向。另外，存在運(yùn)轉(zhuǎn)壓力越高則越快的傾向。因此，將這種關(guān)系，預(yù)先通過實驗等設(shè)定在對應(yīng)圖中，基于該對應(yīng)圖，運(yùn)算氮氣滯留點的移動速度即可。
[0093]在步驟S154中，控制器通過對使壓力形成脈動而氮氣滯留點移動的速度進(jìn)行運(yùn)算。氮氣滯留點的移動速度存在脈動振幅越大則越快的傾向。另外，存在脈動周期越短則越快的傾向。因此，將這種關(guān)系，預(yù)先通過實驗等設(shè)定在對應(yīng)圖中，基于該對應(yīng)圖，運(yùn)算氮氣滯留點的移動速度即可。
[0094]在步驟S155中，控制器對排出氮氣滯留點所需的時間進(jìn)行運(yùn)算。具體而言，考慮在步驟S152中求出的氮氣滯留點與出口相距的距離、在步驟S153及步驟S154中求出的氮氣滯留點的移動速度，對排出氮氣滯留點所需的時間進(jìn)行運(yùn)算。
[0095]在步驟S156中，控制器判定是否經(jīng)過了排出氮氣滯留點所需的時間。如果判定結(jié)果為否定，則控制器將處理轉(zhuǎn)至步驟S157，如果判定結(jié)果為肯定，則將處理轉(zhuǎn)至步驟S158。
[0096]在步驟S157中，控制器判定氮氣滯留點殘留在MEA的陽極流路中。
[0097]在步驟S158中，控制器判定氮氣滯留點從MEA的陽極流路中排出。
[0098]如果執(zhí)行以上的流程圖，沒有運(yùn)算出排出氮氣滯留點所需的時間，則進(jìn)行步驟S151 — S152 — S153 — S154 — S155的處理，運(yùn)算排出氮氣滯留點所需的時間。
[0099]在運(yùn)算出排出氮氣滯留點所需的時間后，直至經(jīng)過該時間為止，進(jìn)行步驟S151 — S156 — S157的處理，判定氮氣滯留點仍殘留在MEA的陽極流路中。并且，如果經(jīng)過了該時間，則進(jìn)行步驟S151 — S156 — S158的處理，判定氮氣滯留點已從MEA的陽極流路中排出。
[0100]圖12是說明第I實施方式的執(zhí)行控制流程時的動作的時序圖。
[0101]此外，為了容易理解與上述流程圖的對應(yīng)關(guān)系，在流程圖中的步驟編號上標(biāo)注S而一起記載。
[0102]執(zhí)行上述的控制流程而以下述方式動作。
[0103]在圖12中，在時刻til之前，反復(fù)進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0104]在時刻tll，要求負(fù)載上升。此時，氮氣滯留點不會殘留在MEA的陽極流路中。因此，進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S15 — S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。而且，其后，反復(fù)進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0105]在時刻tl2，要求負(fù)載降低。此時，進(jìn)行步驟Sll —S12 —S13 —S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，其后也是反復(fù)進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0106]在時刻tl3，要求負(fù)載再次上升。由于在剛剛之前進(jìn)行了下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，氮氣滯留點會殘留在MEA的陽極流路中。因此，進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S15 — S16的處理，禁止降低壓力而運(yùn)轉(zhuǎn)。其后，反復(fù)進(jìn)行步驟Sll — S12 — S15 — S16的處理，禁止降低壓力而運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0107]在時刻tl4，要求負(fù)載再次降低。但是在該時刻，氮氣滯留點還殘留在MEA的陽極流路中。因此，進(jìn)行步驟Sll — S12 — S15 — S16的處理，繼續(xù)禁止降低壓力而運(yùn)轉(zhuǎn)。其結(jié)果，雖然要求負(fù)載下降，但壓力不降低，而是維持當(dāng)前的壓力而運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0108]在時刻tl5，經(jīng)過排出氮氣滯留點所需的時間。即，判定為氮氣滯留點從MEA的陽極流路中排出。因此，進(jìn)行步驟Sll — S12 — S15 — S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。其結(jié)果，壓力降低而運(yùn)轉(zhuǎn)。其后，反復(fù)進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S14的處理，不禁止降低壓力，而以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0109]根據(jù)本實施方式，在氮氣滯留點殘留在MEA的陽極流路中時，即使要求負(fù)載下降，也不降低壓力，而是維持當(dāng)前的壓力而運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，能夠防止由于在氮氣滯留點處進(jìn)一步滯留氮氣而使氫氣不足，導(dǎo)致促進(jìn)MEA (電解質(zhì)膜)的劣化的情況。[0110]而且，其后，在氮氣滯留點從MEA的陽極流路中排出的情況下，降低壓力而運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，能夠供給與要求負(fù)載對應(yīng)的壓力。假設(shè)沒有降低壓力而繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，則會導(dǎo)致燃料消耗性能惡化。然而，根據(jù)本實施方式，在氮氣滯留點從MEA的陽極流路中排出的情況下，降低壓力而運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，能夠防止這種情況。
[0111]另外，在本實施方式中，運(yùn)算排出氮氣滯留點所需的時間，根據(jù)是否經(jīng)過了該時間，判斷氮氣滯留點是否殘留在MEA的陽極流路中。因此，容易進(jìn)行判定。
[0112](第2實施方式)
[0113]即使氮氣滯留點實際殘留在MEA的陽極流路中，如果要求負(fù)載下降較小而即使降低壓力也不會導(dǎo)致氫氣不足，則無需禁止降低壓力。因此，在該第2實施方式中，對降低壓力時是否會導(dǎo)致氫氣不足進(jìn)行推定。而且，僅在推定為會導(dǎo)致氫氣不足時，才禁止降低壓力，在推定為不會導(dǎo)致氫氣不足時，不禁止降低壓力。
[0114]以下說明具體的內(nèi)容。
[0115]圖13是本發(fā)明涉及的燃料電池系統(tǒng)的第2實施方式的由控制器執(zhí)行的控制流程圖。
[0116]此外，以下對起到與上述同樣功能的部分標(biāo)注相同的標(biāo)號，適當(dāng)省略重復(fù)的說明。
[0117]步驟Sll~S16與第I實施方式相同，省略說明。
[0118]在步驟S21中，控制器判定要求負(fù)載(目標(biāo)壓力)是否下降。如果判定結(jié)果為否定，則控制器將處理轉(zhuǎn)至步驟S22，如果判定結(jié)果為肯定，則將處理轉(zhuǎn)至步驟S16。
[0119]在步驟S22中，控制器推定當(dāng)前的氫氣濃度Cl。具體而言，氫氣濃度Cl存在壓力調(diào)整閥的閉閥時間越長、即壓力下降(△?越多則越小的傾向。因此，將這種關(guān)系，預(yù)先通過實驗等設(shè)定在對應(yīng)圖中(圖14)，基于該對應(yīng)圖，推定當(dāng)前的氫氣濃度Cl即可。
[0120]在步驟S23中，控制器基于當(dāng)前的氫氣濃度Cl，對與要求負(fù)載對應(yīng)而降低壓力后的氫氣濃度C2進(jìn)行推定。具體而言,氫氣濃度C2存在氫氣濃度Cl越小則越小的傾向。另外，存在壓力調(diào)整閥的閉閥時間越長則越小的傾向。因此，將這種關(guān)系，預(yù)先通過實驗等設(shè)定在對應(yīng)圖中(圖15)，基于該對應(yīng)圖，對氫氣濃度C2進(jìn)行推定即可。另外，也可以通過將在步驟S22中使用的對應(yīng)圖的初始值設(shè)為氫氣濃度Cl，對氫氣濃度C2進(jìn)行推定。
[0121]在步驟S24中，控制器判定氫氣濃度C2是否小于基準(zhǔn)濃度CO。此外，該基準(zhǔn)濃度CO是基準(zhǔn)值，用于判定即使氫氣濃度C2存在誤差也不會在MEA的陽極流路中發(fā)生氫氣不足的情況。這種基準(zhǔn)值預(yù)先通過試驗等設(shè)定即可。如果判定結(jié)果為否定，則控制器將處理轉(zhuǎn)至步驟S14，如果判定結(jié)果為肯定，則將處理轉(zhuǎn)至步驟S16。
[0122]執(zhí)行上述控制流程而以下述方式動作。
[0123]圖16是說明第2實施方式的執(zhí)行了控制流程時的動作的時序圖。另外，圖17是示意地表示第2實施方式的執(zhí)行了控制流程時的MEA的陽極流路中的氫氣濃度的圖。圖17(A)示意地示出在結(jié)束下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下MEA的陽極流路中的氫氣濃度。圖17(B)示意地示出在圖17( A)的狀態(tài)后，負(fù)載上升而陽極氣體的壓力上升，脈動壓力達(dá)到上限壓力的狀態(tài)下，MEA的陽極流路中的氫氣濃度。圖17(C)示意地示出在圖17(B)的狀態(tài)之后，負(fù)載降低而陽極氣體的壓力降低的狀態(tài)下，MEA的陽極流路中的氫氣濃度。
[0124]在圖16中，在時刻t21之前，反復(fù)進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。[0125]在時刻t21，要求負(fù)載上升。此時，氮氣滯留點不會殘留在MEA的陽極流路中。因此，進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S15 — S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。而且，其后，反復(fù)進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0126]在時刻t22，要求負(fù)載下降。此時，進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，其后，反復(fù)進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0127]在時刻t23，要求負(fù)載再次上升。此外，在圖17(A)中示意地示出，要求負(fù)載剛上升之前的MEA的陽極流路中的氫氣濃度。如上所述，氮氣滯留點殘留在MEA的陽極流路中。而且，在圖17(B)中示意地示出要求剛負(fù)載上升之后的MEA的陽極流路中的氫氣濃度。此時，進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S15 — S21 — S22的處理，推定當(dāng)前的氫氣濃度Cl。然后，進(jìn)行步驟S23的處理，推定氫氣濃度C2。然后，進(jìn)行步驟S24的處理。在這里，氫氣濃度C2大于基準(zhǔn)濃度CO，進(jìn)行步驟S24 — S14的處理。其后，反復(fù)進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0128]在時刻t24，要求負(fù)載下降。此時，進(jìn)行步驟Sll —S12 —S13 —S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，其后，也反復(fù)進(jìn)行步驟Sll — S12 — S13 — S14的處理，以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0129]在圖17(C)中示意地示出剛結(jié)束該下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)之后的MEA的陽極流路中的氫氣濃度。在氮氣滯留點處確保氫氣濃度C2，不會導(dǎo)致氫氣不足。如上所述，根據(jù)本實施方式，能夠以與要求負(fù)載對應(yīng)的目標(biāo)壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。即，不會無用地將運(yùn)轉(zhuǎn)壓力維持為較高。因此，不會使燃料消耗性能惡化，能夠穩(wěn)定地發(fā)電。
[0130]以上，對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行說明，但上述實施方式只是本發(fā)明的適用例的一部分，并不能將本發(fā)明的技術(shù)范圍限定于上述實施方式的具體結(jié)構(gòu)。
[0131]例如，在上述實施方式中，運(yùn)算排出氮氣滯留點所需的時間，根據(jù)是否經(jīng)過了該時間，由此求出氮氣滯留點是否殘留在MEA的陽極流路中，但并不限于此。也可以利用氮氣傳感器判定氮氣是否殘留。
[0132]另外，在各運(yùn)算中使用的對應(yīng)圖只不過是一個例子。在對應(yīng)圖中使用的項目只要適當(dāng)使用即可。
[0133]此外，上述實施方式可以適當(dāng)?shù)亟M合。
[0134]本申請基于2011年11月28日向日本特許廳申請的特愿2011-259101申請的優(yōu)先權(quán)，該申請的全部內(nèi)容作為參照引入本說明書中。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其包含負(fù)載和與負(fù)載連接的燃料電池堆， 通過向該燃料電池堆供給陽極氣體和陰極氣體，從而對應(yīng)于負(fù)載而進(jìn)行發(fā)電， 該燃料電池系統(tǒng)包含: 壓力設(shè)定部，其在該負(fù)載較高時，與該負(fù)載較低時相比，將陽極氣體的壓力設(shè)定得較聞; 滯留點判定部，其對應(yīng)于燃料電池堆的發(fā)電狀態(tài)，判定在燃料電池堆內(nèi)的反應(yīng)流路中是否殘留氮氣滯留點；以及 運(yùn)轉(zhuǎn)控制部，其在氮氣滯留點殘留的狀態(tài)下要求負(fù)載下降時，禁止降低陽極氣體的壓力而進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述運(yùn)轉(zhuǎn)控制部，在禁止降低陽極氣體的壓力后，在氮氣滯留點已不會殘留時，允許降低陽極氣體的壓力而進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述滯留點判定部，根據(jù)是否經(jīng)過了排出氮氣滯留點所需的時間，判定氮氣滯留點是否殘留。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)， 還包含有濃度推定部，在氮氣滯留點殘留的狀態(tài)下要求負(fù)載降低時，該濃度推定部對降低壓力后的氫氣濃度進(jìn)行推定， 所述運(yùn)轉(zhuǎn)控制部，在推定出的氫氣濃度大于基準(zhǔn)值時，即使在氮氣滯留點殘留的狀態(tài)下要求負(fù)載下降，也不禁止降低陽極氣體的壓力而進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
【文檔編號】H01M8/04GK103959529SQ201280058442
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月28日
【發(fā)明者】池添圭吾, 筑后隼人, 市川靖 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社