燃料電池系統和燃料電池的含水量控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及燃料電池系統和燃料電池的含水量控制方法。
【背景技術】
[0002]為有效地生成電力，希望將包括在蓄電池單元的電池中的水的量調整到合適的量。為將包括在電池中的水的量調整到合適的量，公開了如下技術，即，在考慮在陽極電極和陰極電極之間通過電解質膜進行的水的移動的情況下，估算每個單個電池的表面中的反應氣體通路中的水的量和包括在電解質膜中的水的量，并且如果估算出的水的量超過預定值，則在燃料電池上執行排水過程，然后限制從燃料電池獲取的電流(國際專利公開N0.2010/73383)。
[0003]然而，一般地，在陽極側中的氣體流速小于在陰極側中的氣體流速。因此，國際專利公開N0.2010/73383的技術具有的問題是，在水一旦蓄積在陽極側中的氣體通路中的情況中，移除因此蓄積的水變得困難。當水蓄積在陽極側中的氣體通路中時，陽極氣體難于流過，這導致燃料電池的輸出降低。因此，希望能夠抑制水蓄積在陽極側中的氣體通路中的技術。
【發明內容】
[0004]本發明提供了一種燃料電池系統和燃料電池的含水量控制方法。
[0005]本發明的一個方面提供了一種燃料電池系統。燃料電池系統包括:燃料電池，該燃料電池包括電解質膜、陽極和陰極，該陽極被形成在電解質膜的一個表面上，該陰極被形成在電解質膜的另一個表面上；估算部，該估算部被構造成估算在陽極側中的水阻塞；和控制部，所述控制部被構造成使得當估算部估算出陽極側處于水阻塞狀態時，所述控制部將在陽極側中流動的陽極氣體的流速維持在預定速度，并且將在陰極側中流動的陰極氣體的流速控制為小于預定速度。在根據以上方面的燃料電池系統中，當估算在陽極側中的水阻塞時，降低陰極側中的氣體流速，使得從陽極側移動到陰極側的水的量能夠大于從陰極側移動到陽極側的水的量。這使得能夠抑制水在陽極側中的氣體通路中蓄積。
[0006]在以上的實施例中，可基于陽極側中存在的含水量來估算水阻塞。估算部估算出陽極側處于水阻塞狀態的情況可以指示陽極側的含水量為閾值或高于閾值的情況。
[0007]在以上的方面中，燃料電池系統可以包括組，所述組被構造成使得多個燃料電池被層疊起來，并且估算部可以基于被設置在所述組的端部中使得其陽極面向所述燃料電池的組的外側的燃料電池的含水量，來估算陽極側的含水量。與其他部分相比，所述組的端部的含水量易于增加。此外，在其陽極面向所述組的外側的燃料電池中，與燃料電池的陰極的溫度相比，陽極的溫度容易降低。因此，通過估算其陽極面向所述組的外側的燃料電池的含水量作為陽極側的含水量，能夠容易地估算陽極側的含水量。
[0008]在以上的方面中，估算部可以基于燃料電池的電壓波動來估算陽極側的含水量。在該燃料電池系統中，能夠基于燃料電池的電壓波動來估算陽極側的含水量。
[0009]在本發明的以上的方面中，本發明能夠由不同于上述燃料電池系統的多種其它形式來實現。例如，本發明能夠以例如燃料電池的含水量控制方法的形式來實現。
【附圖說明】
[0010]將在下文中參考附圖描述本發明的典型實施例的特征、優點以及技術與工業意義，其中類似的附圖標號指示了類似的元件，其中:
[0011]圖1是圖示了根據本發明的一個實施例的燃料電池系統的構造的示意圖；
[0012]圖2是圖示了燃料電池系統中的燃料電池的含水量控制過程的流程圖；
[0013]圖3是示意性地圖示了在未執行含水量控制過程的情況下的陽極An和陰極Cn之間的水移動的解釋圖；
[0014]圖4是示意性地圖示了在執行了含水量控制過程的情況下的陽極An和陰極Cn之間的水移動的解釋圖；并且
[0015]圖5是圖示了第二實施例中的含水量控制過程的流程圖。
【具體實施方式】
[0016]A.第一實施例:
[0017]Al.燃料電池系統的構造:
[0018]圖1是圖示了根據本發明的一個實施例的燃料電池系統100的構造的示意圖。燃料電池系統100被設置在例如電動車輛中，并且響應于來自駕駛員的要求而輸出電力作為車輛的動力源。
[0019]燃料電池系統100包括燃料電池20、陰極氣體供給系統30、陰極氣體排出系統40、陽極氣體供給系統50、陽極氣體排出系統60和控制部70。
[0020]燃料電池20是固體聚合物燃料電池，其被構造成當接收氫氣(陽極氣體)和空氣(陰極氣體)作為反應氣體時生成電力。燃料電池20由組21s形成，所述組21s被構造成使得多個電池21被層疊起來。被設置在組21s的端部中的電池21a、21b與相應的端板25接觸。電池21a是其陽極面向組21s的外側的電池，并且電池21b是其陽極面向組21s的內側的電池。
[0021]每個電池21均包括膜電極和氣體擴散層組件(MEGA) 22，所述MEGA 22包括膜電極組件(MEA) 10、經由微多孔層(MPL) 14與MEA 10的一個表面連結的陽極側氣體擴散層16和經由MPL 15與MEA 10的另一個表面連結的陰極側氣體擴散層17。MEGA 22的陽極側氣體擴散層16和陰極側氣體擴散層17分別與陽極側分離器18和陰極側分離器19相鄰。陽極氣體通路24被形成在陽極側氣體擴散層16和陽極側分離層18之間。陰極氣體通路26被形成在陰極側氣體擴散層17和陰極側分離層19之間。
[0022]MEA 10包括電解質膜11，和被分別形成在電解質膜11的兩個表面上的陽極側催化層12和陰極側催化層13。電解質膜11是固體聚合物薄膜，其在濕態中具有良好的質子傳導性。電解質膜11由氟化樹脂制成的離子交換膜構成，例如Naf1n(注冊商標)。陽極側催化層12和陰極側催化層13每個均包括:催化劑，所述催化劑促進氫和氧之間的化學反應；和碳顆粒，所述碳顆粒攜帶催化劑。
[0023]MPL 14、MPL 15具有通過使用排水樹脂諸如聚四氟乙烯(PTFE)和導電材料諸如炭黑而形成的微孔。MPL 14、MPL 15維持MEA 10中的濕態，并且在燃料電池20的發電期間抑制如下狀態，即陽極側催化層12和陰極側催化層13的孔以及陽極側氣體擴散層16和陰極側氣體擴散層17的孔被由于化學反應所生成的水封閉。
[0024]陽極側氣體擴散層16和陰極側氣體擴散層17由多孔基材料構成，所述材料具有導電性和氣體擴散性，諸如碳纖維基材料、石墨纖維基材料和泡沫金屬。
[0025]陽極側分離器18和陰極側分離器19是板狀構件，其具有導電性和不透氣性，并且每個例如由金屬板構成。
[0026]陽極氣體通路24被連接到陽極氣體供給系統50和陽極氣體排出系統60。陰極氣體通路26被連接到陰極氣體供給系統30和陰極氣體排出系統40。陰極氣體(例如空氣)從陰極氣體供給系統30經由管31被供給到電池21，并且罐52中的陽極氣體(例如氫體)被從陽極氣體供給系統50經由管51供給。此外，已在多個電池21中反應的氣體和在反應中尚未使用的氣體經由管41、61被從陰極氣體排出系統40和陽極氣體排出系統60排出。
[0027]注意到，在本實施例中，包括陽極側催化層12、MPL 14、陽極側氣體擴散層16、陽極側分離器18和陽極氣體通路24的區域被稱為相對于電解質膜11的“陽極側”，并且包括陰極側催化層13、MPL 15、陰極側氣體擴散層17、陰極側分離器19和陰極氣體通路26的區域被稱為相對于電解質膜11的“陰極側”。當在燃料電池20中執行發電時，由于氫和氧之間的電化學反應，在陰極側中生成水。
[0028]控制部70被構造為包括CPU、RAM和ROM的計算機。通過將存儲在ROM中的程序加載到RAM中并且執行該程序而將CPU用作估算部71和流速控制部72。例如，在燃料電池20的發電結束時或燃料電池20的發電停止時(例如，設有燃料電池20的車輛的檔位換檔到停車范圍)，控制部70執行后文中陳述的含水量控制過程。在含水量控制過程中，估算部71估算在陰極通路24中的水阻塞的發生。在第一實施例中，估算部71估算在燃料電池20的陽極側中存在的含水量(在后文中稱為陽極含水量Wa)。此外，估算部71估算已經從陽極側移動到陰極側的含水量(在后文中稱為移動的含水量Wac)。當因此通過估算部71估算的陽極含水量Wa為閾值Ta或高于閾值Ta時，流速控制部72將陽極氣體流速維持在用于燃料電池的正常的發電的陽極氣體流速下，并且