燃料电池系统和用于燃料电池系统的控制方法技术方案

一种燃料电池系统（100），其包括：燃料电池堆（10）；燃料气体供应/排出单元；氧化剂气体供应/排出单元；和控制单元（70）。控制单元（70）确定在燃料电池堆（10）中是否存在由于水分布导致在膜电极组件平面之内的局部发电集中的现象。当确定存在该现象时，控制单元（70）控制燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元中的至少一个。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种燃料电池系统和一种燃料电池系统的控制方法。
技术介绍
通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应生成电力的燃料电池作为能源引起了关注。燃料电池包括聚合物电解质燃料电池，其使用聚合物电解质膜作为电解质膜。聚合物电解质燃料电池一般使用膜电极组件，在膜电极组件中阳极和阴极分别被结合到电解质膜的两个表面。因而，在聚合物电解质燃料电池中，为了获得期望的发电性能，必需使电解质膜保持在适当的潮湿状态以因此适当地维持电解质膜的质子导电性。在这种聚合物电解质燃料电池中，在发电期间，出现在膜电极组件的电解质膜平面之内不均匀的含水量分布(潮湿状态的不均匀的分布)，并且该不均匀的含水量分布可能引起不均匀的发电分布。因而，当出现在电解质膜平面之内含水量局部不足时，在另一个不存在含水量不足的区域中每单位面积的发电量可能超过容许值。在下文中，在膜电极组件中，每单位面积的发电量局部地超过容许值的事实被称为“发电局部集中”或“局部发电集中”。因而，发电集中导致膜电极组件的局部劣化。另外，例如，在用于使氧化剂气体沿着阴极表面流动的氧化剂气体流动通道中，可能出现在发电期间产生的保持为液态的水的残余水的不均匀分布，并且残余水分布也可能引起不均匀的发电分布。于是，当在氧化剂气体流动通道中存在残余水量局部过多时，因为供应至阴极的一部分区域的氧化剂气体变得不足，所以在氧化剂气体没有供应不足的另一个区域发电局部集中，由此导致膜电极组件的局部劣化。这也适用于用于使燃料气体沿着阳极表面流动的燃料气体流动通道。即，由于在膜电极组件的平面之内的水分布(上述的含水量分布和残余水分布)造成的局部发电集中导致膜电极组件的局部劣化。另外，在膜电极组件的平面之内不均匀的温度分布也引起不均匀的发电分布，因此导致膜电极组件的局部劣化。于是，膜电极组件的局部劣化导致燃料电池整体很早的劣化。因此，已经提出了用于使膜电极组件的平面之内发电分布一致的各种技术。例如，日本专利申请公开N0.2007-317553 (JP-A-2007-317553)描述了一种用于燃料电池系统的技术，其中在电池(燃料电池)的发电平面之内沿着氧化剂气体流动的方向在至少两个位置提供了温度测量装置和电池电压测量装置，基于由温度测量装置测量的温度差和由电池电压测量装置测量的电压差估计发电平面之内的不均匀的发电分布，然后供应至燃料电池的冷却剂或氧化剂气体的量随着不均匀的发电分布的增加而增加。那么，JP-A-2007-317553描述了，利用上述的技术，能够降低由于显著的不均匀发电分布所产生的发电平面之内局部电流集中导致的温度增加的影响。然而，在JP-A-2007-317553中描述的技术中，没有考虑如上所述的由于水分布所造成的膜电极组件平面之内局部发电集中。另外，在JP-A-2007-317553中描述的技术中，温度测量装置和电池电压检测装置被提供在电池发电平面之内，所以存在以下问题，燃料电池的配置复杂或者温度测量装置和电池电压检测装置干扰了在发电平面之内流动的气体。
技术实现思路
本专利技术提供了一种燃料电池系统和一种用于燃料电池系统的控制方法，该抑制了在聚合物电解质燃料电池中由于水分布而造成的在膜电极组件的平面之内局部发电集中而导致的膜电极组件的局部劣化。本专利技术被考虑为解决了至少部分的上述问题，并且可以被实现为以下描述的实施例。本专利技术的一个方面提供了燃料电池系统，包括:燃料电池，该燃料电池具有膜电极组件、燃料气体流动通道以及氧化剂气体流动通道，在该膜电极组件中阳极和阴极被分别结合到由固体聚合物形成的电解质膜的两个表面，燃料气体流动通道用于使燃料气体沿着阳极的表面流动，氧化剂气体流动通道用于使氧化剂气体沿着阴极的表面流动；燃料气体供应/排出单元，该燃料气体供应/排出单元经由燃料气体流动通道将燃料气体供应到阳极并且排出从阳极排放的阳极废气；以及氧化剂气体供应/排出单元，该氧化剂气体供应/排出单元经由氧化剂气体流动通道将氧化剂气体供应到阴极并且排出从阴极排放的阴极废气。该燃料电池系统包括:发电集中确定单元，该发电集中确定单元被配置为确定在燃料电池中是否存在由于水分布而导致在膜电极组件的平面之内产生的局部发电集中的现象，水分布包括在电解质膜的平面之内的含水量分布、在燃料气体流动通道中的残余水分布和在氧化剂气体流动通道中的残余水分布；以及控制单元，该控制单元被配置为，当发电集中确定单元确定存在该现象时，对燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元中的至少一个进行控制，以便消除该现象。利用如此配置的燃料电池系统，能够抑制由于水分布而造成的在膜电极组件的平面之内局部发电集中而导致的膜电极组件的局部劣化。另外，在该燃料电池系统中，该燃料电池可以包括:框架构件，该框架构件被设置在膜电极组件的外围部；第一温度传感器，该第一温度传感器被设置在框架构件的第一部位并且用于检测该第一部位的温度；以及第二温度传感器，该第二温度传感器被设置在框架构件的器温度高于第一部位的第二部位，并且用于检测该第二部位的温度，发电集中确定单元被配置为确定在第二部位的温度和第一部位的温度之间的差是否大于预定阀值，以及，当在第二部位的温度和第一部位的温度之间的差大于预定阀值时，控制单元被配置为对燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元中的至少一个进行控制，以使得在第二部位的温度和第一部位的温度之间的差变成小于或等于预定阀值。膜电极组件通过在发电期间燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应而生成热，并且将生成的热转移至框架构件。因而，当不存在由于在膜电极组件的平面之内水分布而造成的局部发电集中时，在膜电极组件的平面之内不均匀的温度分布相对小。因此，框架构件中的温度分布也相对小。另一方面，当存在由于在膜电极组件的平面之内水分布而造成的局部发电集中时，生成的热局部地增加，所以在膜电极组件的平面之内出现相对大的不均匀的温度分布。因此，在框架构件中也存在相对大的不均匀的温度分布。利用如此配置的燃料电池系统，当在框架构件中第二部位的温度和第一部位的温度之间的差大于预定阀值时，可以确定在膜电极组件的平面之内存在发电集中。因而，能够通过简单的计算来确定是否存在发电集中(是否存在发电集中导致的现象)。因而，能够消除发电集中。另外，当阀值被设定为相对小的值时，能够避免发电集中。另外，利用如此配置的燃料电池系统，第一温度传感器和第二温度传感器没被设置在膜电极组件的平面之内而是设置至框架构件，所以，与第一温度传感器和第二温度传感器被设置在膜电极组件的平面之内的情形比较，能够防止燃料电池的复杂配置，并且能够避免干扰膜电极组件表面上的气体流。另外，在该燃料电池系统中，控制单元可以被进一步配置为基于预定阀值与第二部位的温度和第一部位的温度之间的差之间的差，来确定至少用于燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元之中的氧化剂气体供应/排出单元的控制值。该控制值可以是各种参数，诸如供应至阴极的氧化剂气体的流量、阴极废气的背压、供应至阳极的燃料气体的流量和这些控制持续的持续时间。如上所述，当存在由于在膜电极组件的平面之内的水分布而造成的局部发电集中时，生成的热局部地增加，所以在膜电极组件的平面之内存在相对大的不均匀的温度分布。因此，在框架构件中存在相对大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.20 JP 2010-1847491.一种燃料电池系统，包括: 燃料电池，所述燃料电池具有膜电极组件、燃料气体流动通道以及氧化剂气体流动通道，在所述膜电极组件中阳极和阴极被分别结合到由固体聚合物形成的电解质膜的两个表面，所述燃料气体流动通道用于使燃料气体沿着所述阳极的表面流动，所述氧化剂气体流动通道用于使氧化剂气体沿着所述阴极的表面流动； 燃料气体供应/排出单元，所述燃料气体供应/排出单元经由所述燃料气体流动通道将燃料气体供应到所述阳极并且排出从所述阳极排放的阳极废气；以及 氧化剂气体供应/排出单元，所述氧化剂气体供应/排出单元经由所述氧化剂气体流动通道将氧化剂气体供应到所述阴极并且排出从所述阴极排放的阴极废气， 所述燃料电池系统的特征在于进一步包括: 发电集中确定单元，所述发电集中确定单元被配置为确定在所述燃料电池中是否存在由于水分布而导致在所述膜电极组件的平面之内产生局部发电集中的现象，所述水分布包括在所述电解质膜的平面之内的含水量分布、在所述燃料气体流动通道中的残余水分布和在所述氧化剂气体流动通道中的残余水分布；以及 控制单元，所述控制单元被配置为:当所述发电集中确定单元确定存在所述现象时，所述控制单元对所述燃料气体供应/排出单元和所述氧化剂气体供应/排出单元中的至少一个进行控制，以便消除所述现象。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于: 所述燃料电池包括: 框架构件，所述框架构件 被设置在所述膜电极组件的外围部； 第一温度传感器，所述第一温度传感器被设置在所述框架构件的第一部位并且用于检测所述第一部位的温度；以及 第二温度传感器，所述第二温度传感器被设置在所述框架构件的其温度高于所述第一部位的第二部位，并且用于检测所述第二部位的温度， 所述发电集中确定单元被配置为确定在所述第二部位的温度和所述第一部位的温度之间的差是否大于预定阀值，以及 当在所述第二部位的温度和所述第一部位的温度之间的所述差大于所述预定阀值时，所述控制单元被配置为对所述燃料气体供应/排出单元和所述氧化剂气体供应/排出单元中的至少一个进行控制，以使得在所述第二部位的温度和所述第一部位的温度之间的所述差小于或等于所述预定阀值。3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于: 所述控制单元被进一步配置为基于在所述预定阀值与在所述第二部位的温度和所述第一部位的温度之间的所述差之间的差，来确定至少用于所述燃料气体供应/排出单元和所述氧化剂气体供应/排出单元之中的所述氧化剂气体供应/排出单元的控制值。4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于: 所述第一部位是位于在将所述氧化剂气体引入到所述阴极中时与所述氧化剂气体所被引入的部位相邻近的部位，并且所述第二部位是位于在将所述阴极废气从所述阴极排出时与所述阴极废气所被排出的部位相邻近的部位。5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于:所述发电集中确定单元被配置为基于所述燃料电池的操作条件来估计在所述电解质膜的所述平面之内的预定部分的含水量，然后确定所述含水量是否小于为所述燃料电池的每一个操作条件所定义的阀值，以及 当所述含水量小于所述阀值时，所述控制单元被配置为对所述燃料气体供应/排出单元和所述氧化剂气体供应/排出单元之中的至少所述氧化剂气体供应/排出单元进行控制，使得所述含水量变成大于或等于所述阀值。6.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于: 所述控制单元被进一步配置为基于所述阀值和所述含水量之间的差，来确定用于所述燃料气体供应/排出单元和所述氧化剂气体供应/排出单元之中的至少所述氧化剂气体供应/排出单元的控制值。7.根据权利要求5或6所述的燃料电池系统，其特征在于: 所述预定部分是下述部分，即，在所述燃料电池的操作期间在所述电解质膜的所述平面之内该部分的含水量容易降低。8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于: 所述发电集中确定单元被配置为基于所述燃料电池的操作条件来估计在所述阴极中所述氧化剂气体的流动方向上穿过所述电解质膜在所述阳极和所述阴极之间转移的水的转移量的分布，并且被配置为确定在从其排出所述阴极废气的部分和所述水的转移量为零的部分之间的距离是否短于预定阀值，以及 当从其排出所述阴极废气的所述部分和所述水的转移量为零的所述部分之间的距离短于所述预定阀值时，所述控制单元被配置为对所述燃料气体供应/排出单元和所述氧化剂气体供应/排出单元之中的至少所述氧化剂气体供应/排出单元进行控制，使得从其排出所述阴极废气的所述部分和所述水的转移量为零的所述部分之间的距离变成长于或等于所述预定阀值。9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于: 所述控制单元被进一步配置为基于在所述预定阀值与从其排出所述阴极废气的所述部分和所述水的转移量为零的所述部分之间的距离之间的差，来确定用于所述燃料气体供应/排出单元和所述氧化剂气体供应/排出单元之中的至少所述氧化剂气体供应/排出...

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