[發明專利]燃料電池系統及其控制方法

有效

• 申請號: 201510259213.0
• 申請日: 2015-05-20
• 公開（公告）號: CN105098212B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 宇佐美祥
• 申請（專利權）人: 豐田自動車株式會社
• 主分類號: H01M8/04828
• 分類號: H01M8/04828;H01M8/04858;H01M8/04225;H01M8/0432;H01M8/04492
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司11219
• 代理人: 韓峰,孫志湧

技術領域

本發明涉及一種燃料電池系統。

背景技術

可獲得的燃料電池具有以下結構，其中電解質隔膜被夾在兩極(陰極和陽極)的催化劑層之間，并且被進一步夾在兩極的氣體擴散層之間。當在凝固點以下啟動燃料電池時，存在發電期間產生的水將凍結并且催化劑層將與電解質隔膜分離的風險。因此，已經提出一種以以下方式控制燃料電池的操作的技術，即當在凝固點以下啟動燃料電池時，流入陰極側催化劑層的水量不超過容許量(例如，參見日本專利申請公開No.2011-113774(JP 2011-113774 A))。

在一種可獲得的燃料電池系統中，反應氣體在被供應至燃料電池之前經加濕，以便在燃料電池內的電解質隔膜中保持良好的含水狀態。另一方面，響應對燃料系統簡化的需求，已經研究了移除對反應氣體加濕的加濕器。由于存在電解質隔膜在高溫操作期間變干的風險，所以當不對反應氣體加濕時，就期望使得電解質隔膜的厚度比現有技術中更小，以便保持電解質隔膜的令人滿意的含水狀態。這是因為考慮到當將電解質隔膜做得薄時，大量的水從陰極側朝著陽極側(下文將這種水稱為“逆向擴散水”)移動，由此防止電解質隔膜變干。然而，當存在大量的逆向擴散水時，存在當在凝固點以下啟動電池時，由于陽極側上的水凍結而使催化劑層與電解質隔膜分離的風險。

因此，要求一種調節流入陽極側催化劑層的水量的技術。需要這種技術以實現燃料電池適當操作，并且不僅用于在凝固點以下啟動。除此之外，存在在可獲得的燃料電池系統中降低成本、降低資源使用、簡化制造以及提高性能等等的需求。

發明內容

本發明的第一方面涉及一種燃料電池系統，包括：燃料電池，其具有電解質隔膜與陰極側催化劑層和陽極側催化劑層的至少一個組合，陰極側催化劑層和陽極側催化劑層被設置成與電解質隔膜接觸并且具有多個細孔；輸出電流獲取單元，其獲取燃料電池的輸出電流；和控制單元，其操作燃料電池，使得從燃料電池輸出根據外部負荷確定的輸出電流。輸出電流獲取單元以指定定時獲取燃料電池的第一輸出電流。當控制單元確定在燃料電池以指定定時獲取的第一輸出電流持續發電時流至陽極側催化劑層的陽極流入水量超過指定陽極側容許水量時，控制單元執行電流限制控制，以與外部負荷的需求無關地以高于第一輸出電流的第二輸出電流操作燃料電池。

根據這種燃料電池系統，當確定陽極流入水量超過陽極側容許水量時，就與外部負荷的需求無關地以比做出確定時的輸出電流更高的輸出電流操作燃料電池。在這種燃料電池系統中，與外部負荷要求輸出電流增大或減小的定時無關地，當確定陽極流入水量超過陽極側容許水量時就增大輸出電流。換句話說，即使外部負荷的需求為均勻輸出電流或降低的輸出電流，當確定陽極流入水量超過陽極側容許水量時也增大輸出電流?？筛鶕獠控摵傻男枨蟾淖冚敵鲭娏鞯脑龃蠓秶?。由于當輸出電流低時，陽極流入水量變得更大，則可能通過提高輸出電流而抑制過量陽極流入水量的發生。因此，可能抑制過量陽極入流水導致的燃料氣體不足，并且能夠抑制燃料電池性能的降低。此外，也可能抑制由于陽極入流水凍結導致的陽極催化劑層與電解質隔膜的分離。

當獲取溫度低于指定溫度時，控制單元可基于輸出電流實施電流限制控制。通過采取這種配置，可能當在低溫下啟動燃料電池等等時實施電流限制控制。

控制單元可通過使用根據燃料電池的溫度設定的指定時段期間的陽極流入水量，確定陽極流入水量是否超過指定陽極側容許水量。通過采取這種配置，能夠基于燃料電池的溫度做出適當的確定。

當燃料電池以指定輸出電流持續發電，直到陽極流入水量達到指定陽極側容許水量時的時間可被設定為陽極側容許時間；控制單元可包括陽極容許時間表，其指示指定輸出電流和陽極側容許時間之間的關系；并且陽極容許時間和指定時段彼此相等的指定輸出電流可被設定為第二輸出電流的下限。通過采用這種配置，可能根據輸出電流實施適當的電流限制控制。

指定溫度可為凝固點。通過在燃料電池的溫度低于凝固點時實施電流限制控制，可能抑制由于陽極入流水凍結導致的陽極催化劑層與電解質隔膜分離。

指定時段可為直到燃料電池的溫度變得等于或高于凝固點的時段。通過采用這種配置，由于在直到燃料電池的溫度變得等于或高于凝固點的時段期間，陽極入流量被調節為不超過陽極側容許水量，則可能更適當地抑制由于陽極入流水凍結導致的陽極催化劑層與電解質隔膜分離。