燃料电池系统以及对燃料电池的控制方法技术方案

在启动燃料电池时，分别向阳极和阴极供给包含氢气的燃料气体和氧化剂气体（例如空气），该氧化剂气体包含氧气和杂质气体，并且限制（例如，禁止）燃料电池的输出。在阳极中的杂质气体的分压与阴极中的杂质气体的分压之差变为小于预定值之后，解除对燃料电池的输出的限制，并且根据要求输出而控制燃料电池的输出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及燃料电池系统以及对在该燃料电池系统中设置的燃料电池的控 制方法。
技术介绍
作为能量源，通过燃料气体(例如氢)和氧化剂气体(例如氧)之间的电化学反 应发电的燃料电池引人注目。燃料电池设置有通过将阳极和阴极接合到电解质膜(例如， 具有质子传导性的固体聚合物膜)的两个相反侧而形成的发电体(例如，膜电极组件)。从 发电体的阳极被供给来自燃料气体通道的燃料气体，并且阴极被供给来自氧化剂气体通道 的氧化剂气体。在通过将阳极和阴极接合到具有质子传导性的电解质膜的两个相反表面而形成 的膜电极组件被用作上述发电体的情况下，被供给到膜电极组件的阴极的氧化剂气体通常 为包含氧的空气。在空气被用作氧化剂气体的情况下，包含在空气中且对发电没有贡献的 杂质气体(例如氮气等)穿过电解质膜从阴极侧渗透到阳极侧。由于即使在发电停止期间杂质气体从阴极侧到阳极侧的渗透也继续发生，在长时 间停止发电的情况下，杂质气体充满阳极。于是，在所谓的阳极封闭端(dead-end)型燃料 电池中，不能执行阳极废气向燃料电池外部排出，在该阳极封闭端型燃料电池中，被供给到 阳极的基本上全量的燃料气体被用于发电，同时滞留在燃料电池内而不被排出到燃料电池 的外部。因此在阳极封闭端型燃料电池中，如果在启动燃料电池时将燃料气体供给到阳极， 则由于燃料气体的流动，阳极中的杂质气体逐渐局域地滞留在燃料气体的流动方向上的下 游区域中。于是，在处于该状态的燃料电池被连接到负载且导致发电的情况下，与在杂质气 体不在其中滞留的区域相比，在膜电极组件中的杂质气体滞留于其中的区域中，燃料气体 的浓度变得较低。结果，膜电极组件中的发电的分布变得不均勻，导致发电效率降低。考虑将包括上述燃料电池的燃料电池系统安装作为电动车辆的电源。在该情况 下，如果在杂质气体滞留于阳极的一部分中的条件下发电且将电力供给到负载，则电池电 压降低，影响车辆(系统)的操作。在其中多个膜电极组件层叠而其间设置有隔离体的燃料电池叠层中，如果在任何 一个膜电极组件中燃料气体的浓度降低，则该膜电极组件的电动势降低，从而在该膜电极 组件的阳极与阴极之间发生反向电压。通常，膜电极组件的阳极和阴极均由催化剂层和气 体扩散层构成。在许多情况下，在催化剂层中使用负载催化剂金属的碳。因此，如果在膜电 极组件的阳极与阴极之间发生反向电压，则出现由于碳的氧化而使该膜电极组件的阳极侧 催化剂层劣化的问题。该碳氧化以下的式(1)表示。C+2H20 — C02+4e>4H+. · · (1)
技术实现思路
本专利技术提供一种燃料电池系统以及对该系统的控制方法，该燃料电池系统包括阳5极封闭端型燃料电池，其中在燃料电池启动时发电体的阳极中的杂质气体的局域滞留所引 起的问题受到抑制。本专利技术的第一方面涉及一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括燃料电池，其 包括通过将阳极接合到电解质膜的一个表面且将阴极接合到所述电解质膜的另一表面而 形成的发电体，并且其在供给到所述阳极的燃料气体不向外部排出而滞留在内部时发电； 燃料气体供给部分，其将所述燃料气体供给到所述阳极；氧化剂气体供给部分，其将氧化剂 气体供给到所述阴极，所述氧化剂气体包含氧和除了氧之外的杂质气体；阴极废气排出部 分，其将阴极废气排出到所述燃料电池的外部，所述阴极废气是在所述阴极中未用于发电 而剩下的氧化剂气体；要求输出的输入部分，其输入负载所要求的要求输出；以及输出控 制部分，其基于输入的要求输出而控制所述燃料电池的输出。所述输出控制部分基于输入 的要求输出而控制所述燃料气体供给部分、所述氧化剂气体供给部分和所述阴极废气排出 部分，并且使得所述燃料气体被供给到所述阳极，且使得所述氧化剂气体被供给到所述阴 极，且使得所述阴极废气从所述阴极排出，并且在所述燃料电池的启动时，所述输出控制部 分将所述燃料电池的输出限制为小于所述要求输出的输出。在根据本专利技术的第一方面的燃料电池系统中，在阳极封闭端型燃料电池的启动 时，输出控制部分将燃料电池的输出限制为小于负载所要求的输出的输出。因此，可以限制 在燃料电池的启动时由发电体的阳极中的杂质气体的局域滞留而引起的上述问题。此外， 在使用膜电极组件作为发电体的情况下，为了防止膜电极组件的阳极的催化剂层的碳氧 化，输出控制部分对燃料电池的输出的限制可以是禁止燃料电池的输出。所述燃料电池系统还包括电存储装置，并且，在燃料电池的输出限制(启动)时， 所述输出控制部分使得所述电存储装置供给全量的由所述负载所要求的所述要求输出，或 者使得从所述燃料电池向所述负载供给的电力的量少于所要求的量的电量。利用该结构， 该燃料电池系统可快速地向负载供给电力。此外，在解除了对燃料电池的输出限制之后，可 以将由燃料电池产生的电力存储到电存储装置中。顺便提及，“负载所要求的要求输出”意味着“负载要求燃料电池系统的要求输 出”，并且“要求燃料电池的要求输出”包括“要求燃料电池的要求输出”和“要求电存储装 置(在燃料电池系统中设置有电存储装置的情况下)的要求输出”。这里，阳极封闭端操作意味着当燃料气体继续被供给到阳极侧但不从阳极侧排出 时继续发电。结果，当供给的基本上全量的燃料气体至少在稳定发电时滞留在阳极侧时，执 行发电。在发电体包括通过将阳极和阴极接合到电解质膜的两个相反侧而形成的膜电极组 件且当燃料气体(通常为氢气或含氢气体)被供给到阳极侧时发电的情况下，被供给到阳 极的基本上全量的燃料气体被容纳在内部，且被用于发电而不被排出到外部。结果，被供给 燃料气体的阳极侧通常具有不将燃料气体排出或放出到外部的封闭结构。在该说明书中，将基本上全量的燃料气体被供给到燃料气体消耗层(阳极)的操 作方式称为封闭端操作。如果增加了其中从燃料气体消耗层抽取燃料气体且使用该燃料气 体而不旨在使来自燃料气体消耗层的燃料气体循环的设置时，不将这样的结构从封闭端操 作中排除。例如，可以设想这样的结构，其中设置有用于从燃料消耗层或从其上游抽取少量 燃料气体的通道，并且被抽取的燃料气体被燃烧以使附件等等预热。如果从燃料气体消耗 层或从其上游抽取的燃料气体不具有特殊意义，则燃料气体的这种消耗不在从本专利技术中的构思“在燃料气体消耗层中消耗了基本上全量的燃料气体”排除的结构之内。所述燃料电池还可被理解为这样的结构，该结构实现了其中在阳极电极(氢电 极)中的杂质(例如，氮)分压与阴极电极(空气电极)中的杂质(例如，氮)分压均衡的 均衡状态下连续地发电的操作状态。“均衡状态”在此意味着例如平衡状态，且不必意味着 其中两个分压相等的状态。所述燃料电池系统还包括判断部分，所述判断部分判断所述阳极中的所述杂质气 体的分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压之差是否小于预定值。如果在所述燃料电池 的启动之后的预定时刻，所述判断部分判断所述阳极中的所述杂质气体的分压与所述阴极 中的所述杂质气体的分压之差小于所述预定值，则所述输出控制部分根据所述输入的要求 输出而控制所述燃料电池的输出。所述阳极中的所述杂质气体的分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压之差小 于所述预定值包括所述各分压处于平衡状态。在阳极封闭端型燃料电池启动之后，S卩，在开始将燃料气体供给到发电体的阳极 之后，随着时间的流逝，由于所供给的燃料气体的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：燃料电池，其包括通过将阳极接合到电解质膜的一个表面且将阴极接合到所述电解质膜的另一表面而形成的发电体，并且其在供给到所述阳极的燃料气体不向外部排出而滞留在内部时发电；燃料气体供给部分，其将所述燃料气体供给到所述阳极；氧化剂气体供给部分，其将氧化剂气体供给到所述阴极，所述氧化剂气体包含氧和除了氧之外的杂质气体；阴极废气排出部分，其将阴极废气排出到所述燃料电池的外部，所述阴极废气是在所述阴极中未用于发电而剩下的氧化剂气体；要求输出的输入部分，其输入负载所要求的要求输出；以及输出控制部分，其基于输入的要求输出而控制所述燃料电池的输出，其中所述输出控制部分基于输入的要求输出而控制所述燃料气体供给部分、所述氧化剂气体供给部分和所述阴极废气排出部分，并且使得所述燃料气体被供给到所述阳极，且使得所述氧化剂气体被供给到所述阴极，且使得所述阴极废气从所述阴极排出，并且在所述燃料电池的启动时，所述输出控制部分将所述燃料电池的输出限制为小于所述要求输出的输出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：白川努，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[]