燃料电池系统技术方案

提供可将燃料电池内的含水状态管理为可达到高输出并避免枯竭的发生的最佳状态的燃料电池系统。第一、第二燃料电池系统在无加湿条件下运行，并包括燃料电池，所述燃料电池具有：高分子电解质膜，该高分子电解质膜被夹在阳极电极以及阴极电极之间；燃料气体流路，该燃料气体流路为了对所述阳极电极供应至少包含燃料成分的燃料气体而面向所述阳极电极而配置；以及氧化剂气体流路，该氧化剂气体流路为了对所述阴极电极供应至少包含氧化剂成分的氧化剂气体而面向所述阴极电极而配置，其中，所述燃料气体流路中的所述燃料气体的流动方向与所述氧化剂气体流路中的所述氧化剂气体的流动方向彼此相对，第一燃料电池系统的特征包括水蒸气量控制单元，该水蒸气量控制单元基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料气体流路的出口处的水蒸气量，所述水蒸气量的目标值是基于所述燃料电池的电压与所述水蒸气量之间的关系而预先设定的，第二燃料电池系统的特征在于包括平均流量控制单元，该平均流量控制单元基于所述平均流量的目标值来控制所述燃料气体流路中的所述燃料气体的平均流量，所述平均流量的目标值是基于所述燃料电池的电压与所述平均流量之间的关系而预先设定的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具备固态高分子电解质型燃料电池的燃料电池系统，尤其涉及使燃料电池在无加湿条件下运行的燃料电池系统，该燃料电池系统在高温运行时也可避免燃料电池内部的干燥状态来可稳定地进行发电。
技术介绍
燃料电池通过向电连接的两个电极供应燃料和氧化剂以引起燃料的电化学氧化来将化学能直接转换成电能。不同于火力发电，燃料电池不受卡诺循环的限制，因此显示出高的能量转换效率。燃料电池通常通过堆叠多个单电池(cell)来构成，单电池以 使用一对电极夹持电解质膜而成的膜-电极接合体作为基本构造。其中，将固态高分子电解质膜用作电解质膜的固态高分子电解质型燃料电池具有容易小型化、在低温度下工作等优点，因此尤其作为便携用、移动体用电源而备受关注。固态高分子电解质型燃料电池中，当将氢座燃料时，在阳极电极(燃料极)进行式⑷的反应。H2 — 2H++2e- ... (A)在所述式(A)中产生的电子经由外部电路在外部负荷中做功之后，到达阴极电极(氧化剂极)。并且，在所述式(A)中产生的质子以水合的状态在固态高分子电解质内通过电渗透从阳极电极侧向阴极电极侧移动。此外，当将氧作为氧化剂时，在阴极电极中进行式⑶的反应。2H++(l/2)02+2e-— H2O ... (B)在阴极电极中产生的水经由气体流路等向外部排出。如此，燃料电池没有水以外的排出物，是清洁的发电装置。在固态高分子电解质型燃料电池中，根据电解质膜和电极内的水分量，其发电性能受很大影响。S卩，如果作为排出物的水分过剩，则在燃料电池内部中冷凝的水堵塞电极内的空隙甚至气体流路，从而阻碍反应气体(燃料气体和氧化剂气体)的供应，用于发电的反应气体无法充分遍及整个电极，因此存在浓度过电压增大、燃料电池的输出和发电效率下降的问题。另一方面，如果燃料电池内的水分不足，电解质膜和电极干燥，电解质膜和电极内的质子(H+)的传导性就会下降，其结果产生电阻过电压增大、燃料电池的输出以及发电效率下降的问题。此外，在固态高分子电解质型燃料电池中，在电解质膜的平面方向(S卩，电极的平面方向)上会产生水的不均匀分布，即水在电解质膜的平面方向上不均匀地分布。其结果是，在电解质膜的平面方向上产生发电量的不均匀分布，进一步导致水的不均匀、进而导致燃料电池的输出以及发电效率下降。如上所述，在固态高分子电解质型燃料电池中，为了实现高输出以及高发电效率，合适的水分管理是非常重要的。为了避免水分不足、特别是为了避免所谓的枯竭，还提出了供应经加湿的反应气体的方案，但在此情况下，更容易产生由水分过剩引起的如上所述的问题。并且，搭载加湿器，会导致燃料电池的规模变大，系统变得复杂等。因此，进行了在不对反应气体进行加湿的无加湿条件下恰当的管理燃料电池的含水状态并获得稳定的发电性能的尝试。例如，专利文献I公开了一种在无加湿条件和/或高温条件下运行的燃料电池系统，该系统基于燃料电池的电阻值、电压、或氧化剂气体的压力损失来判定氧化剂气体流路入口附近的干燥状态，并基于该判定来控制燃料气体的流量或燃料气体的压力，由此防止产生燃料电池的面内水分量分布。此外，作为对燃料电池内的含水状态进行管理的技术，例如在专利文献2中公开了一种燃料电池系统，包括电流传感器，该电流传感器测定燃料电池的输出电流值；电压传感器，该电压传感器测定燃料电池的输出电压值；以及存储部，该存储部存储作为燃料 电池的运行状态为最佳运行状态时的基准的所述输出电压值与所述输出电流值的关系，其中，从所述存储部中读出与所述电流传感器所测定的测定电流值对应的最佳电压值，并在读出的所述最佳电压值与所述电压传感器所测定的测定电压值之差大于预先确定的阈值时，判定为燃料电池的水分状态为干燥状态。此外，专利文献3公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括在燃料电池的多个测量位置进行电压测量的测量单元，并且基于所述多个测量位置间的含水量之差来估计燃料电池的水分的不均匀状况，所述多个测量位置间的含水量之差是基于所测电压中的在不同的测量位置测得的电压之差估计的。此外，专利文献4公开了一种燃料电池系统，其从燃料电池的电压的时间序列变迁并具有与过渡时期的负荷增加对应的电压的下降幅度来判定是否具备用于进行燃料电池的含水状态判定的执行条件，并在判定为具备该执行条件时，基于所述电压的下降幅度和电阻的时间序列变迁来判定燃料电池的含水状态。现有技术文献专利文献I :日本专利文献特开2009-259758号公报专利文献2 :日本专利文献特开2010-114039号公报专利文献3 :日本专利文献特开2009-193817号公报专利文献4 :日本专利文献特开2009-117066号公报
技术实现思路
专利技术要解决的问题然而，在现有的燃料电池的水分管理技术中，无法充分避免燃料电池内的干燥状态的发生。例如，专利文献I所述的技术虽能够抑制在无加湿条件和高温条件时容易发生的氧化剂气体流路的入口附近的枯竭，但由于是基于测出的燃料电池的电压、电阻或压力损失来控制燃料气体的流量或压力的反馈控制，因此燃料电池内部可能会暂时变为干燥状态。电解质膜或电极一旦变成干燥状态(枯竭)，就会存在以下问题到变成最佳的含水状态需要时间，即发电性能的恢复需要时间，并且一经处于干燥状态的电解质膜和电极的材料被加速劣化。从而，即使是暂时的，也应避免燃料电池内部发生枯竭。而且，燃料电池的电阻与电压并非一定对应的。即，并不是在电阻值最低时可得到峰值电压。从而，即使如专利文献I所述那样基于燃料电池的电阻值来控制燃料气体的流量或压力，也充分有可能得不到峰值电压。而且，在专利文献I等中，用于测定电压和电阻的电池监控仪是必不可少的，会导致燃料电池系统的高成本、复杂。本专利技术就是鉴于上述事实而作出的，本专利技术的目的在于提供可将燃料电池内的含水状态管理为可达到高输出并避免枯竭的发生的最佳状态的燃料电池系统。用于解决问题的手段本专利技术的第一燃料电池系统的特征在于，在无加湿条件下运行，并包括燃料电池，所述燃料电池具有高分子电解质膜，该高分子电解质膜被夹在阳极电极以及阴极电极之间； 燃料气体流路，该燃料气体流路为了对所述阳极电极供应至少包含燃料成分的燃料气体而面向所述阳极电极而配置；以及氧化剂气体流路，该氧化剂气体流路为了对所述阴极电极供应至少包含氧化剂成分的氧化剂气体而面向所述阴极电极而配置，其中，所述燃料气体流路中的所述燃料气体的流动方向与所述氧化剂气体流路中的所述氧化剂气体的流动方向彼此相对，所述燃料电池系统包括水蒸气量控制单元，该水蒸气量控制单元基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料气体流路的出口处的水蒸气量，所述水蒸气量的目标值是基于所述燃料电池的电压与所述水蒸气量之间的关系而预先设定的。根据第一燃料电池系统，可恰当地控制燃料电池的电解质膜的平面方向上的水分量，使得在该面方向上进行均匀的发电，而且，由于是基于所述水蒸气量的目标值来控制所述水蒸气量的前馈控制，因此能够事前防止燃料电池内部产生干燥状态。在第一燃料电池系统中，所述水蒸气量控制单元例如能够基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料电池中的、温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者。在第一燃料电池系统中，所述水蒸气量控制单元例如能够基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料电池中的所述燃料气体的流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：难波良一，荒木康，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：
国别省市：