燃料电池系统技术方案

本发明专利技术提供能够使燃料电池的寿命提高的燃料电池系统。上述燃料电池系统具备：燃料电池；氧化剂气体供给部，向上述燃料电池的阴极供给包含氧的氧化剂气体；燃料气体供给部，向上述燃料电池的阳极供给包含氢的燃料气体；氧分压推断部，推断上述燃料电池的上述阴极的氧分压；氢分压推断部，推断上述燃料电池的上述阳极的氢分压；以及控制部，上述控制部根据规定的式(1)计算目标氢分压，上述控制部将上述阳极的上述氢分压控制为上述目标氢分压。阳极的上述氢分压控制为上述目标氢分压。阳极的上述氢分压控制为上述目标氢分压。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池系统


[0001]本公开涉及燃料电池系统。

技术介绍

[0002]燃料电池(FC)是在一个单电池或者将多个单电池(以下，存在记载为单元的情况)层叠而成的燃料电池组(以下，存在仅记载为电池堆的情况)中通过氢等燃料气体、与氧、空气等氧化剂气体的电化学反应来取出电能量的发电装置。此外，以下，也存在不特别地区分燃料气体、氧化剂气体而简称为“反应气体”或者“气体”的情况。
[0003]该燃料电池的单电池通常具备膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)。
[0004]膜电极接合体具有在固体高分子型电解质膜(以下，也简称为“电解质膜”)的两面分别依次形成有催化剂层和气体扩散层的构造。因此，膜电极接合体有时被称为膜电极气体扩散层接合体(MEGA)。
[0005]单电池根据需要具有夹持该膜电极气体扩散层接合体的两面的两片隔离件。隔离件通常具有在与气体扩散层接触的面形成有作为反应气体的流路的槽的构造。此外，该隔离件也作为发电的电气的集电体发挥功能。
[0006]在燃料电池的燃料极(阳极)，作为从气体流路和气体扩散层供给的燃料气体的氢(H2)通过催化剂层的催化剂作用而质子化，通过电解质膜并向氧化剂极(阴极)移动。同时生成的电子通过外部电路而做功，并向阴极移动。作为向阴极供给的氧化剂气体的氧(O2)在阴极上与质子及电子反应，生成水。生成的水给予电解质膜适度的湿度，多余的水透过气体扩散层而被向系统外排出。
[0007]对车载于燃料电池车辆(以下存在记载为车辆的情况)来使用的燃料电池进行了各种研究。
[0008]例如在专利文献1中公开了以下技术，即，使电解质膜为具有加强层的复合膜，为了抑制化学劣化，将含有担载有包含Pt的催化剂(ORR活性催化剂)的碳粒子的离子交换材料配置于复合膜的至少一端。在专利文献1中还公开有在催化剂担载碳粒子配置于阴极侧的情况下效果特别大这一情况。此外，ORR活性催化剂是指促进燃料电池的阴极中的氧还原反应(ORR：Oxygen Reduction Reaction)的催化剂。
[0009]在专利文献2中公开有在膜内设置电绝缘的催化剂层并且上述催化剂层配置于阴极附近。
[0010]在专利文献3中公开有使从铂、金、钯、铑、铱以及钌中选出的金属催化剂的至少一个以上相对于上述高分子固体电解质的重量含有0.01～80重量％而形成。
[0011]专利文献1：日本特开2014
‑
139939号公报
[0012]专利文献2：日本特开平6
‑
103992号公报
[0013]专利文献3：日本特开平07
‑
090111号公报
[0014]为了燃料电池的寿命提高，期望耐久性更高的膜材料。
[0015]本公开人进行了上述专利文献1的电解质膜的耐久评价，获得了根据试验条件而耐久性能反而恶化这一见解。公知有Pt催化剂的氧还原反应的双电子还原的选择率根据电位而改变。在使用了使Pt催化剂分散来添加的电解质膜的燃料电池中，在电位较低(富含氢)的环境中，氧的一部分促进过氧化氢的生成，会加速电解质膜的化学劣化。即在专利文献1中，对于已配置的催化剂担载碳粒子的位置，有可能不能进行用于抑制过氧化氢的生成的控制。

技术实现思路

[0016]本公开是鉴于上述实际情况而完成的，其主要目的在于提供一种能够使燃料电池的寿命提高的燃料电池系统。
[0017]本公开的燃料电池系统具备：燃料电池；氧化剂气体供给部，向上述燃料电池的阴极供给包含氧的氧化剂气体；燃料气体供给部，向上述燃料电池的阳极供给包含氢的燃料气体；氧分压推断部，推断上述燃料电池的上述阴极的氧分压；氢分压推断部，推断上述燃料电池的上述阳极的氢分压；以及控制部，上述燃料电池具有一个以上的单电池，上述单电池包括膜电极接合体，上述膜电极接合体依次具有包括阳极催化剂层的阳极、电解质膜、以及包括阴极催化剂层的阴极，上述电解质膜在该电解质膜中具有与上述阳极催化剂层及上述阴极催化剂层平行并且配置为层状的催化剂分散部，上述催化剂分散部包括催化剂，上述控制部根据下式(1)计算目标氢分压，上述控制部将上述阳极的上述氢分压控制为上述目标氢分压。
[0018]式(1)：目标氢分压＝[2
×
电解质膜厚度方向的氧透过系数
×
{从阳极催化剂层到催化剂分散部的距离
÷
(电解质膜厚度－从阳极催化剂层到催化剂分散部的距离)}
×
氧分压]÷
电解质膜厚度方向的氢透过系数。
[0019]也可以构成为：在本公开的燃料电池系统的基础上，上述控制部判断上述目标氢分压是否低于下限氢分压，在判断为上述目标氢分压低于上述下限氢分压的情况下，上述控制部进行提高上述阴极的上述氧分压的控制，在判断为上述目标氢分压是上述下限氢分压的情况下，上述控制部进行维持上述阴极的上述氧分压的控制，并且进行维持上述阳极的上述氢分压的控制，在判断为上述目标氢分压大于上述下限氢分压的情况下，上述控制部以上述阳极的上述氢分压变为上述目标氢分压的方式控制上述氢分压。
[0020]根据本公开的燃料电池系统，能够使燃料电池的寿命提高。
附图说明
[0021]图1是表示高电位耐久试验中的氟离子排出量相对于时间的关系的图。
[0022]图2是表示电解质膜中的氧浓度和氢浓度的一个例子的图。
[0023]图3是表示以往的膜电极接合体的一个例子的示意图。
[0024]图4是表示在本公开中使用的膜电极接合体的一个例子的示意图。
[0025]图5是表示电解质膜中的距阳极的厚度方向的催化剂的位置与电解质膜的气体透过流束的关系的一个例子的图。
[0026]图6是表示相对于燃料电池的运转条件催化剂分散部的位置为最佳的情况下的一个例子的图。
[0027]图7是表示相对于燃料电池的运转条件催化剂分散部的位置位于比最佳位置的情况靠阴极侧的位置的情况下的一个例子的图。
[0028]图8是表示相对于燃料电池的运转条件催化剂分散部的位置位于比最佳位置的情况靠阳极侧的位置的情况下的一个例子的图。
[0029]图9是表示单元平面的一个例子的示意图。
[0030]图10是表示电解质膜中的距阳极的厚度方向的催化剂的位置与氧分压及氢分压的关系的一个例子的图。
[0031]图11是表示氧分压与目标氢分压的关系的一个例子的图。
[0032]图12是表示本公开的燃料电池系统的一个例子的简要结构图。
[0033]图13是表示本公开的燃料电池系统进行的控制的一个例子的流程图。
[0034]附图标记说明
[0035]1…
阳极催化剂层；2
…
电解质膜；3
…
阴极催化剂层；4
…
催化剂分散部；10
…
燃料电池；20
…
燃料气体供给部；21<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统具备：燃料电池；氧化剂气体供给部，向所述燃料电池的阴极供给包含氧的氧化剂气体；燃料气体供给部，向所述燃料电池的阳极供给包含氢的燃料气体；氧分压推断部，推断所述燃料电池的所述阴极的氧分压；氢分压推断部，推断所述燃料电池的所述阳极的氢分压；以及控制部，所述燃料电池具有一个以上的单电池，所述单电池包括膜电极接合体，所述膜电极接合体依次具有包括阳极催化剂层的阳极、电解质膜、以及包括阴极催化剂层的阴极，所述电解质膜在该电解质膜中具有与所述阳极催化剂层及所述阴极催化剂层平行并且配置为层状的催化剂分散部，所述催化剂分散部包括催化剂，所述控制部根据下式(1)计算目标氢分压，所述控制部将所述阳极的所述氢分压控制为所述目标氢分压，式(1)：目标氢分压＝[2
×
电解质膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：宫崎真一，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：