燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统在冰点以下启动时提高燃料电池内的排水性，从而实现燃料电池的输出的提高、发电效率的提高。在供给燃料气体和氧化剂气体并实施发电的燃料电池系统中，在冰点以下启动后的燃料电池的温度超过了零度的阶段，对燃料电池的输出进行测量，并在该输出在基准输出值以下的情况下对阴极附加压力脉动，从而排出存积于燃料电池内的水。

【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具有接受反应气体的供给并进行发电的燃料电池组的。
技术介绍
燃料电池由层叠了多个燃料电池单元(单个单元)的燃料电池组构成，各个单个单元具有在电解质膜的一个面上配置阳极而在另一个面上配置阴极从而形成的膜-电极接合体，并被构成为，通过气体流道层和分离器而对该膜-电极接合体进行夹持。阳极中被供给含有氢气的燃料气体，且氢气通过下式(I)所示的氧化反应而从燃料气体中生成质子。所生成的质子穿过电解质膜而向阴极移动。在另一方的阴极中被供给含有氧气的氧化剂气体，且氧气与从阳极移动来的质子发生反应，从而通过下式(2)所示的还原反应而生成水。作为燃料电池单元整体而成为式(3)的起电反应，利用在这一对电极结构体的电解质膜侧的表面上所发生的电化学反应从而从电极获得电能。H2 ^ 2H + + 2e...(I)(1/2) O2 2Yl + ~\~ 2e — H20...(2)H2 + (1/2) O2 — H20...(3)如上所述，由于燃料电池生成水(在图1中将生成水表示为符号30)，因此，存在如下的可能性，即，在冰点以下等的低温环境下，存在于燃料电池内的生成水冻结，并且暂时冻结的生成水通过燃料电池的驱动热量而融解，并再次作为水而存积于燃料电池内。当以这种方式而发生燃料电池内的水的冻结和存积时，反应气体流道将被堵塞而阻碍气体扩散，从而引起燃料电池的输出降低。鉴于上述问题，在日本特开2005-44795号公报中，公开了一种如下的技术，即，通过将在冰点以下启动时被供给至燃料电池组的反应气体的压力控制为高于正常运行压力，从而提高发电特性。通过提高反应气体的供给压力而将气体强行地供给至反应面，从而补偿了气体扩散性的降低。在先技术文献专利文献专利文献1:日本特开2005-44795号公报
技术实现思路
专利技术所要解决的课题专利文献I为，通过与通常时相比而较多地供给反应气体来抑制气体扩散性的降低，从而能够充分地向反应面供给气体的技术，其在燃料电池温度为冰点以下的情况下发挥效果。但是，在燃料电池温度超过了零度的阶段中冻结了的冰解冻而急剧地产生了生成水的情况下，由于生成水将堵塞气体流道，因此无法充分地排出生成水，从而存在向反应面被供给的气体量降低的可能性。此外，在冰点以下启动时存在于燃料电池内的冰不仅存在于气体流道内，还存在于膜-电极接合体内、催化剂层内，由于这些冰在超过了零度的时间点会一起融解，因此将产生急剧的输出降低。在专利文献I的技术中，即使通过提高反应气体的供给压力，从而能够在某种程度上排出气体入口附近的生成水，但是也难以充分地实施自燃料电池单元内部、特别是自膜-电极接合体内及催化剂层内的排水、以及自包括气体出口附近在内的燃料电池单元整体的排水。在膜-电极接合体内及催化剂层内存积有生成水的情况下，由于生成水而阻碍了反应气体的供给，因而妨碍了燃料电池反应，从而抑制了燃料电池温度的上升。由于当燃料电池温度的上升被抑制时会降低生成水的蒸发、流动效率，因此阻碍了反应气体的扩散，从而妨碍了燃料电池的发电反应。即，在燃料电池温度为低温、且在膜-电极接合体内及催化剂层内存积有生成水的情况下，在气体扩散性与燃料电池温度之间将引起恶性循环，从而存在妨碍燃料电池的发电反应的进行并引起输出降低的可能性。本专利技术的目的在于，提供一种，所述燃料电池系统在低温环境下启动的燃料电池中，能够良好地排出由于冻结的冰融解而生成的水，从而提高燃料电池的输出用于解决课题的方法本专利技术为一种燃料电池系统，其具备向阳极供给燃料气体而向阴极供给氧化剂气体并进行发电的燃料电池组，所述燃料电池系统的特征在于，具备:温度传感器，其对所述燃料电池组内的温度进行测量；压力传感器，其对所述阴极的压力进行测量；压力调节器，其对所述阴极的压力进行调节；压力控制部，其在冰点以下启动后由所述温度传感器测量出的所述燃料电池组内的温度超过了零度的情况下，以对所述阴极的压力附加脉动的方式而对所述压力调节器进行控制。根据上述结构的燃料电池系统，在冰点以下启动后在燃料电池内冻结的水被解冻时，通过对阴极侧的压力附加脉动，从而能够有效地排出存积的水。由于能够不仅仅使气体流动，还能够利用压力的梯度来实施气体流动，因此，能够切实地将在膜-电极接合体内及催化剂层内堵塞气体流道的水与存积于气体流道内的水一起排出。此外，由于随着压力上升而燃料电池单元内的温度也将上升，因此，还能够获得燃料电池单元的暖机效果。另外，本专利技术中的压力的脉动是指，使压力的增减瞬时性地变化的情况。在上述结构的燃料电池系统中，优选为，所述压力控制部在通过所述压力调节器而使阴极的入口压力暂时上升之后，使压力以不低于基准压力值的程度而下降从而对压力附加脉动。通过使阴极的入口压力上升或下降从而能够优先地排出存积于入口附近的水，进而能够增加被供给到阴极的气体量。此外，由于在基准压力值以上附加压力脉动，因此即使在使压力降低时也能够抑制输出降低的情况。并且，优选为，具备对所述燃料电池组的输出进行测量的输出测量器，在判断为由所述输出测量器测量出的所述燃料电池组的输出在要求输出值以下的情况下，所述压力控制部对所述压力调节器进行控制。另外，要求输出值表示运行所需的输出值、且为能够任意地进行设定的值。通过仅在冰点以下启动后由于冻结了的水解冻而导致输出降低的情况下实施压力脉动、并且附加输出恢复所需的最小限度的脉动，从而能够有效地排出燃料电池内的水，并抑制过度地附加压力脉动而使输出降低的情况。由此，能够提前使压力脉动实施后的压力状态及气体流动状态稳定。此外，本专利技术为一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括向阳极供给燃料气体而向阴极供给氧化剂气体并进行发电的燃料电池，所述燃料电池系统的控制方法的特征在于，具有:对在启动时所述燃料电池的温度是否在冰点以下的基准温度以下进行判断的步骤；在所述燃料电池的温度为所述基准温度以下的情况下执行冰点以下启动控制的步骤；对所述冰点以下启动控制执行后的所述燃料电池的温度是否超过了零度进行判断的步骤；在所述冰点以下启动控制执行后的所述燃料电池的温度超过了零度的情况下对所述燃料电池的所述阴极的压力附加脉动的步骤。并且，在所述控制方法中，优选为，还具有:在所述冰点以下启动控制执行后的所述燃料电池的温度超过了零度的情况下对所述燃料电池的输出值与预定的输出要求值进行比较的步骤；在所述燃料电池的输出值低于输出要求值的情况下根据两者之差而对压力变动幅度进行计算的步骤，在对所述阴极的压力附加脉动的步骤中，根据所计算出的压力变动幅度而对所述阴极的压力附加脉动。根据上述结构的燃料电池系统的控制方法，在冰点以下启动时执行冰点以下启动控制，之后，通过在判断为冰已解冻的时间点对阴极附加压力脉动，从而能够排除存积于燃料电池内的水。专利技术效果根据本专利技术，提供了一种，所述燃料电池系统在低温环境下启动的燃料电池中，能够良好地排出由于冻结的冰融解而生成的水，从而提高燃料电池的输出。【附图说明】图1为表示本专利技术的实施方式中的燃料电池单元的图。图2为表示本专利技术的实施方式中的燃料电池系统的结构的图。图3为表示图2所示的燃料电池系统中的氧化剂气体供给的运行控制处理的流程图。图4为表不压力变动与输出恢复之间的关系的图。图5为表示由压力脉动而导致的输出变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，其具备向阳极供给燃料气体而向阴极供给氧化剂气体并进行发电的燃料电池组，其中，所述燃料电池系统具备：温度传感器，其对所述燃料电池组内的温度进行测量；压力传感器，其对所述阴极的压力进行测量；压力调节器，其对所述阴极的压力进行调节；压力控制部，其在冰点以下启动后由所述温度传感器测量出的所述燃料电池组内的温度超过了零度的情况下，以对所述阴极的压力附加脉动的方式而对所述压力调节器进行控制。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种燃料电池系统，其具备向阳极供给燃料气体而向阴极供给氧化剂气体并进行发电的燃料电池组，其中， 所述燃料电池系统具备: 温度传感器，其对所述燃料电池组内的温度进行测量； 压力传感器，其对所述阴极的压力进行测量； 压力调节器，其对所述阴极的压力进行调节； 压力控制部，其在冰点以下启动后由所述温度传感器测量出的所述燃料电池组内的温度超过了零度的情况下，以对所述阴极的压力附加脉动的方式而对所述压力调节器进行控制。2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中， 所述压力控制部在通过所述压力调节器而使阴极的入口压力暂时上升之后，使压力以不低于基准压力值的程度而下降从而对压力附加脉动。3.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池系统，其中， 具备对所述燃料电池组的输出进行测量的输出测量器， 在判断为由所述输出测量器测量出的所述燃料电池组的输出在要求输出值以下的情况下，所述压力控制部对所述压力调节器进行控制。4.如权利要求1至权利要求3中的任意一项所述的燃料电池系统，其中， 还具备压力计算部， 所述压力计算部根据燃料电池的输出值和要求输出值而对输出恢复所需的压力变...

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