專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池，尤其是涉及在寒冷環(huán)境下使燃料電池運轉(zhuǎn)的技術(shù)。
背景技術(shù)：
作為燃料電池，已知有將在電解質(zhì)膜的兩面接合有電極層的多個膜電極接合體 (Membrane Electrode Assembly,以下,也稱為“MEA”)與將這些膜電極接合體各自之間隔離的隔板交替層疊而成的結(jié)構(gòu)。在這種燃料電池的隔板上形成有使氫氣向MEA的陽極側(cè)流動的流路、使氧化氣體向MEA的陰極側(cè)流動的流路、使對燃料電池進(jìn)行冷卻的冷卻介質(zhì)流動的流路。當(dāng)執(zhí)行由燃料電池進(jìn)行的發(fā)電時，伴隨著氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)而在MEA的陰極側(cè)產(chǎn)生生成水。在寒冷環(huán)境下，在MEA產(chǎn)生的生成水有時會凍結(jié)，從而使MEA顯著劣化。
以往，提出了一種如下所述的技術(shù)在寒冷環(huán)境下使燃料電池起動時，在燃料電池的溫度上升之前，停止冷卻水向燃料電池的的送出，從而防止冷卻水引起的燃料電池的過度的溫度下降(例如，專利文獻(xiàn)I)。
在先技術(shù)文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)I日本特開2003-36874號公報發(fā)明內(nèi)容
然而，即使在寒冷環(huán)境下在燃料電池的溫度上升之前停止冷卻水的送出的情況下，若冷卻水的送出開始，則已經(jīng)上升的燃料電池的溫度暫時下降至冰點區(qū)域，仍存在MEA 的生成水有時會發(fā)生凍結(jié)這樣的問題。
本發(fā)明立足于上述課題，其目的在于提供一種能夠抑制在寒冷環(huán)境下的燃料電池的劣化的技術(shù)。
本發(fā)明為了解決上述的課題的至少一部分而作出，可以作為以下的方式或適用例來實現(xiàn)。
(適用例I)適用例I的燃料電池系統(tǒng)的特征在于，使利用氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池運轉(zhuǎn)，所述燃料電池系統(tǒng)具備冷卻泵，向所述燃料電池送出冷卻介質(zhì)； 及除水部，在所述燃料電池起動后且所述冷卻泵送出所述冷卻介質(zhì)之前，除去形成于所述燃料電池的電解質(zhì)膜的陰極側(cè)的陰極催化劑層中滯留的水分。根據(jù)適用例I的燃料電池系統(tǒng)，在向燃料電池送出冷卻介質(zhì)之前，將滯留在燃料電池的陰極催化劑層中的水分除去，因此即使在寒冷環(huán)境下開始冷卻介質(zhì)的送出的情況下，也能夠抑制燃料電池的陰極催化劑層中的凍結(jié)。其結(jié)果是，能夠抑制在寒冷環(huán)境下的燃料電池的劣化。
(適用例2)在適用例I的燃料電池系統(tǒng)中，也可以是，所述燃料電池包括使氧化氣體向所述電解質(zhì)膜的所述陰極側(cè)流動的陰極流路，所述除水部在所述燃料電池起動之后且在所述冷卻泵送出所述冷卻介質(zhì)之前，在使所述燃料電池的電流停止的狀態(tài)下，向所述陰極流路導(dǎo)入氧化氣體，由此將滯留在所述陰極催化劑層中的水分除去。根據(jù)適用例2的燃料電池系統(tǒng)，利用向燃料電池供給氧化氣體的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)㈥帢O催化劑層的水分除去。
在適用例2的燃料電池系統(tǒng)中，也可以是，由所述燃料電池進(jìn)行的發(fā)電中，所述陰極流路的流動方向是重力方向向上方向，所述除水部在所述燃料電池起動之后且在所述冷卻泵送出所述冷卻介質(zhì)之前，在使所述燃料電池的電流停止的狀態(tài)下，在重力方向向下方向的流動方向上向所述陰極流路導(dǎo)入氧化氣體，將滯留在所述陰極催化劑層中的水分除去。由此，能夠利用重力而將陰極催化劑層的水分高效率地除去。
(適用例3)在適用例I或適用例2的燃料電池系統(tǒng)中，也可以是，還具備對在所述陰極催化劑層中凍結(jié)了的水分的融化進(jìn)行檢測的融化檢測部，所述除水部在所述燃料電池起動之后且在所述冷卻泵送出所述冷卻介質(zhì)之前，在所述融化檢測部檢測到所述水分的融化的情況下，開始除去滯留在所述陰極催化劑層中的水分。根據(jù)適用例3的燃料電池系統(tǒng)， 能夠?qū)⑷剂想姵氐钠饎訒r凍結(jié)了的陰極催化劑層的水分高效率地除去。
(適用例4)在適用例3的燃料電池系統(tǒng)中，也可以是，所述融化檢測部基于所述燃料電池的內(nèi)部電阻來檢測在所述陰極催化劑層中凍結(jié)了的水分的融化。根據(jù)適用例4的燃料電池系統(tǒng)，與在陰極催化劑層的各部設(shè)置溫度傳感器相比，能夠以簡單的結(jié)構(gòu)來檢測陰極催化劑層中的水分的融化。
(適用例5)在適用例I至適用例4中的任一個燃料電池系統(tǒng)中，也可以是，還具備對所述陰極催化劑層中的殘余水量進(jìn)行檢測的殘余水檢測部，所述除水部基于由所述殘余水檢測部檢測到的殘余水量，結(jié)束滯留在所述陰極催化劑層中的水分的除去。根據(jù)適用例5 的燃料電池系統(tǒng)，能夠防止在從陰極催化劑層的水分的除去不充分的狀態(tài)下向燃料電池送出冷卻介質(zhì)的情況。
(適用例6)在適用例5的燃料電池系統(tǒng)中，也可以是,所述燃料電池包括使氧化氣體向所述電解質(zhì)膜的所述陰極側(cè)流動的陰極流路，所述殘余水檢測部基于在所述陰極流路中流動的氧化氣體的壓力損失，來檢測所述陰極催化劑層中的殘余水量。根據(jù)適用例6的燃料電池系統(tǒng)，與在陰極催化劑層217的各部設(shè)置水分傳感器相比，能夠以簡單的結(jié)構(gòu)來檢測陰極催化劑層中的殘余水量。
(適用例7)在適用例5的燃料電池系統(tǒng)中，也可以是，所述殘余水檢測部基于所述燃料電池的內(nèi)部電阻，來檢測所述陰極催化劑層中的殘余水量。根據(jù)適用例7的燃料電池系統(tǒng)，與使用水分傳感器相比，能夠以簡單的結(jié)構(gòu)來檢測陰極催化劑層中的殘余水量。
(適用例8)在適用例I至適用例7中的任一個燃料電池系統(tǒng)中，也可以是,所述燃料電池包括在所述電解質(zhì)膜的陽極側(cè)形成的陽極催化劑層；及使氫氣向所述電解質(zhì)膜的所述陽極側(cè)流動的陽極流路，所述除水部使在所述陽極流路中流動的氫氣的化學(xué)計量比及溫度中的至少一方上升，使從所述陰極催化劑層向所述陽極催化劑層移動的水分量增加， 由此將滯留在所述陰極催化劑層中的水分除去。根據(jù)適用例8的燃料電池系統(tǒng)，利用向燃料電池供給氫氣的結(jié)構(gòu)，能夠繼續(xù)發(fā)電并將陰極催化劑層的水分除去。
(適用例9)在適用例I至適用例8中的任一個燃料電池系統(tǒng)中，也可以是，所述燃料電池包括將氧化氣體向沿著所述電解質(zhì)膜的面方向形成的陰極流路導(dǎo)入的氧化氣體導(dǎo)入部；設(shè)置在與所述氧化氣體導(dǎo)入部相對的位置并從所述陰極流路排出氧化氣體的氧化氣體排出部；設(shè)置在與所述氧化氣體排出部對應(yīng)的一側(cè)并將冷卻介質(zhì)向沿著所述電解質(zhì)膜的面方向形成的冷卻流路導(dǎo)入的冷卻導(dǎo)入部；及設(shè)置在與所述氧化氣體導(dǎo)入部對應(yīng)的一側(cè)并從所述冷卻流路排出冷卻介質(zhì)的冷卻排出部，所述燃料電池系統(tǒng)還具備氧化氣體減少部， 該氧化氣體減少部在所述燃料電池起動之后且在所述冷卻泵送出所述冷卻介質(zhì)之前，使向所述氧化氣體導(dǎo)入部導(dǎo)入的氧化氣體的流量比所述冷卻泵工作時減少。根據(jù)適用例9的燃料電池系統(tǒng)，避開伴隨著冷卻介質(zhì)的送出而成為比冷卻排出部側(cè)低溫的冷卻導(dǎo)入部側(cè)，使電化學(xué)反應(yīng)集中于冷卻排出部側(cè)并使生成水集中，從而能夠進(jìn)一步抑制燃料電池的陰極催化劑層中的凍結(jié)。
(適用例10)在適用例I至適用例8中的任一個燃料電池系統(tǒng)中，也可以是，所述燃料電池包括將氧化氣體向沿著所述電解質(zhì)膜的面方向形成的陰極流路導(dǎo)入的氧化氣體導(dǎo)入部；設(shè)置在與所述氧化氣體導(dǎo)入部相對的位置并從所述陰極流路排出氧化氣體的氧化氣體排出部；設(shè)置在與所述氧化氣體導(dǎo)入部對應(yīng)的一側(cè)并將冷卻介質(zhì)向沿著所述電解質(zhì)膜的面方向形成的冷卻流路導(dǎo)入的冷卻導(dǎo)入部；及設(shè)置在與所述氧化氣體排出部對應(yīng)的一側(cè)并從所述冷卻流路排出冷卻介質(zhì)的冷卻排出部，所述燃料電池系統(tǒng)還具備氧化氣體增加部， 該氧化氣體增加部在所述燃料電池起動之后且在所述冷卻泵送出所述冷卻介質(zhì)之前，使向所述氧化氣體導(dǎo)入部導(dǎo)入的氧化氣體的流量比所述冷卻泵工作時增加。根據(jù)適用例10的燃料電池系統(tǒng)，在伴隨著冷卻介質(zhì)的送出而成為比冷卻排出部側(cè)低溫的冷卻導(dǎo)入部側(cè)的氧化氣體所帶來的水分的蒸發(fā)得到促進(jìn)，并使電化學(xué)反應(yīng)集中于冷卻排出部側(cè)而使生成水集中，由此能夠進(jìn)一步抑制燃料電池的陰極催化劑層中的凍結(jié)。
(適用例11)在適用例I至適用例10中的任一個燃料電池系統(tǒng)中，也可以是，還具備電流抑制部，該電流抑制部在所述燃料電池起動之后所述冷卻泵送出所述冷卻介質(zhì)時， 將所述燃料電池的電流抑制成向所述電解質(zhì)膜的所述陰極側(cè)移動的水分量比向所述電解質(zhì)膜的陽極側(cè)移動的水分量減少的電流值。根據(jù)適用例11的燃料電池系統(tǒng)，在向燃料電池送出冷卻介質(zhì)時，抑制滯留在燃料電池的陰極催化劑層中的水分量而進(jìn)行發(fā)電，因此能夠進(jìn)一步抑制燃料電池的陰極催化劑層中的凍結(jié)。
(適用例12)適用例12的燃料電池的運轉(zhuǎn)方法中，所述燃料電池使利用氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池運轉(zhuǎn)，其特征在于，在所述燃料電池起動后且向所述燃料電池送出冷卻介質(zhì)之前，除去形成于所述燃料電池的電解質(zhì)膜的陰極側(cè)的陰極催化劑層中滯留的水分。根據(jù)適用例12的燃料電池的運轉(zhuǎn)方法，在向燃料電池送出冷卻介質(zhì)之前，將滯留在燃料電池的陰極催化劑層中的水分除去，因此即使在寒冷環(huán)境下開始冷卻介質(zhì)的送出的情況下，也能夠抑制燃料電池的陰極催化劑層中的凍結(jié)。其結(jié)果是，能夠抑制在寒冷環(huán)境下的燃料電池的劣化。
本發(fā)明的方式并不局限于燃料電池，例如，在利用燃料電池的電力進(jìn)行行駛的車輛、供給燃料電池的電力的發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池的制造方法等各種方式中也能夠適用。而且，本發(fā)明并未對所述方式作任何限定，在不脫離本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)當(dāng)然能以各種方式來實施。


圖I是表示燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖2是表示燃料電池中的單電池的結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖3是表示運轉(zhuǎn)控制部執(zhí)行的燃料電池起動處理的流程圖。圖4是表示陰極催化劑層溫度與電池內(nèi)部電阻之間的關(guān)系的說明圖。圖5是表示除水處理的詳細(xì)情況的流程圖。圖6是表示除水處理中的陽極壓力損失、陰極壓力損失及電池內(nèi)部電阻的變化的 說明圖。圖7是表示燃料電池起動處理的燃料電池的溫度變化的說明圖。圖8是表示在第二實施例中反應(yīng)氣體的流動的方向的說明圖。圖9是表示第三實施例的除水處理的詳細(xì)情況的流程圖。圖10是表示第三實施例的除水處理的情況的說明圖。圖11是表示第四實施例的氫氣供給排出部的說明圖。圖12是表示第四實施例的除水處理的詳細(xì)情況的流程圖。圖13是表示第五實施例的從層疊方向觀察的單電池的說明圖。圖14是表示第五實施例的燃料電池起動處理的流程圖。圖15是表示第六實施例的從層疊方向觀察的單電池的說明圖。圖16是表示第六實施例的燃料電池起動處理的流程圖。圖17是表示第七實施例的燃料電池起動處理的流程圖。圖18是表示冰點以下區(qū)域的MEA的電流密度與陰極催化劑層的損傷時間之間的 關(guān)系的說明圖。圖19是表示在MEA中水分移動的情況的說明圖。圖20是表示第七實施例的燃料電池的溫度變化的說明圖。
具體實施例方式為了更加明確以上說明的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及作用，以下，對適用了本發(fā)明的燃料電 池進(jìn)行說明。A.第一實施例A-1.燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖I是表示燃料電池系統(tǒng)10的結(jié)構(gòu)的說明圖。燃料電池系統(tǒng)10具備利用反應(yīng)氣 體的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池20，為了向燃料電池系統(tǒng)10的外部供給電力而使燃 料電池20運轉(zhuǎn)。在本實施例中，燃料電池系統(tǒng)10的燃料電池20是固體高分子型的燃料電 池，使用含氫的燃料氣體及含氧的氧化氣體作為反應(yīng)氣體。在本實施例中，燃料電池系統(tǒng)10 是搭載在利用由燃料電池20發(fā)電的電力來進(jìn)行行駛的車輛上的系統(tǒng)，但作為另一實施方 式，也可以適用于作為住宅、設(shè)施的電源而設(shè)置的系統(tǒng)，還可以適用于作為電源而搭載在利 用電力進(jìn)行動作的電氣機械設(shè)備上的系統(tǒng)。燃料電池20具備構(gòu)成從反應(yīng)氣體直接取出電力的基本結(jié)構(gòu)的多個單電池25，這 多個單電池25電串聯(lián)層疊。圖2是表示燃料電池20的單電池25的結(jié)構(gòu)的說明圖。燃料 電池20的單電池25具備膜電極接合體(MEA)210、陽極隔板230、及陰極隔板240。在單電 池25中，MEA210被夾持在陽極隔板230及陰極隔板240之間。單電池25的MEA210具備電解質(zhì)膜211、陽極電極213、及陰極電極216。MEA210的 陽極電極213包括陽極催化劑層214和陽極擴散層215，MEA210的陰極電極216包括陰極催化劑層217和陰極擴散層218。在電解質(zhì)膜211的一個面上依次層疊陽極催化劑層214、陽極擴散層215而接合陽極電極213。在電解質(zhì)膜211的另一個面上依次層疊陰極催化劑層217、陰極擴散層218而接合陰極電極216。MEA210的電解質(zhì)膜211是具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的質(zhì)子傳導(dǎo)體，在本實施例中，是使用了離聚物樹脂的全氟磺酸離子交換膜。MEA210的陽極催化劑層214及陰極催化劑層217具有氣體透過性、導(dǎo)電性，由載持有促進(jìn)氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)的催化劑(例如，鉬、鉬合金)的材料形成，在本實施例中，由載持有鉬系催化劑的碳載體形成。MEA210的陽極擴散層215及陰極擴散層218由具有氣體透過性、導(dǎo)電性的材料形成，例如可以由碳制的多孔體即碳布或碳紙形成。燃料電池20的陽極隔板230在MEA210的陽極擴散層215的面上形成有供燃料氣體流動的多個陽極流路235，燃料電池20的陰極隔板240在MEA210的陰極擴散層218的面上形成有供氧化氣體流動的多個陰極流路245。陽極隔板230及陰極隔板240對于由MEA210產(chǎn)生的電力的集電具有充分的導(dǎo)電性，并且對于使反應(yīng)氣體向MEA210流動具有充 分的耐久性、耐熱性及氣體不透過性。在本實施例中，利用碳樹脂形成了陽極隔板230及陰極隔板240，但在其他的實施方式中，也可以由不銹鋼、鈦、鈦合金、導(dǎo)電性陶瓷形成。在本實施例中，作為在與MEA210之間形成的空隙而構(gòu)成陽極流路235及陰極流路245，但在其他的實施方式中，也可以由具有連續(xù)的多個孔的多孔體構(gòu)成。在本實施例中，分別構(gòu)成了陽極隔板230和陰極隔板240，但在其他的實施方式中，也可以將陽極隔板230與陰極隔板240 —體構(gòu)成。返回圖I的說明，燃料電池系統(tǒng)10具備氫氣供給排出部30、氧化氣體供給排出部40、冷卻循環(huán)部50、電力控制部60、主控制部90作為用于使燃料電池20運轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。燃料電池系統(tǒng)10的氫氣供給排出部30基于主控制部90的指示而進(jìn)行動作，將氫氣向燃料電池20供給，并回收從燃料電池20排出的使用完的氫氣。在本實施例中，氫氣供給排出部30從壓縮而積存氫的罐供給氫氣，但在其他的實施方式中，也可以從貯存氫的氫貯存合金供給氫氣，還可以從對天然氣體、甲醇、汽油等烴系燃料進(jìn)行改性而取出氫的改性器供給氫氣。在本實施例中，氫氣供給排出部30將在燃料電池20中使用完的氫氣循環(huán)而再利用。燃料電池系統(tǒng)10的氧化氣體供給排出部40基于主控制部90的指示而動作，將氧化氣體向燃料電池20供給，并回收從燃料電池20排出的使用完的氧化氣體。在本實施例中，氧化氣體供給排出部40將從大氣中取入的空氣作為氧化氣體向燃料電池20供給。燃料電池系統(tǒng)10的冷卻循環(huán)部50通過使作為冷卻介質(zhì)的冷卻水(不凍液)在燃料電池20的內(nèi)部循環(huán)而對燃料電池20進(jìn)行冷卻。冷卻循環(huán)部50具備冷卻泵540和散熱器560。冷卻循環(huán)部50的散熱器560是將從燃料電池20回收的冷卻水的熱量釋放到大氣中的散熱器。冷卻循環(huán)部50的冷卻泵540基于主控制部90的指示而動作，是將由散熱器560處理過的冷卻水向燃料電池20送出的泵。關(guān)于燃料電池20的起動時的冷卻泵540的動作的詳細(xì)情況在后面敘述。燃料電池系統(tǒng)10的電力控制部60被稱為功率控制單元，基于主控制部90的指示而進(jìn)行動作，通斷燃料電池20與電力的負(fù)載之間的連接，并控制從燃料電池20向電力的負(fù)載輸出的電力。在本實施例中，電力控制部60具備使來自燃料電池20的直流電力的電壓升壓的升壓轉(zhuǎn)換器和將升壓后的直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力的逆變器。燃料電池系統(tǒng)10具備交流阻抗傳感器810、溫度傳感器820、陽極壓力傳感器830、陰極壓力傳感器840作為用于檢測燃料電池20的狀態(tài)的各種傳感器。所述傳感器與主控制部90電連接，來自傳感器的輸出信號向主控制部90傳遞。燃料電池系統(tǒng)10的交流阻抗傳感器810設(shè)置于燃料電池20，來檢測單電池25的內(nèi)部電阻(交流阻抗)即電池內(nèi)部電阻。燃料電池系統(tǒng)10的溫度傳感器820設(shè)置于燃料電池20，來檢測燃料電池20的溫度。燃料電池系統(tǒng)10的陽極壓力傳感器830設(shè)置于燃料電池20，來檢測氫氣的供給壓力與排出壓力之間的差壓即陽極壓力損失。燃料電池系統(tǒng)10的陰極壓力傳感器840設(shè)置于燃料電池20，來檢測氧化氣體的供給壓力與排出壓力之間的差壓即陰極壓力損失。 燃料電池系統(tǒng)10的主控制部90對燃料電池系統(tǒng)10的各部進(jìn)行控制。主控制部90具備進(jìn)行使燃料電池20運轉(zhuǎn)的控制的運轉(zhuǎn)控制部910 ;存儲各種程序、數(shù)據(jù)的存儲部920 ;及與燃料電池系統(tǒng)10的各部之間電連接的接口 930。主控制部90的運轉(zhuǎn)控制部910具備除水控制部912、融化檢測部913、殘余水檢測部914。在本實施例中，運轉(zhuǎn)控制部910具備的各部的功能通過運轉(zhuǎn)控制部910的中央處理單元(Central Processing Unit, CPU)基于存儲于存儲部920的控制程序922動作來實現(xiàn)，但在其他的實施方式中，運轉(zhuǎn)控制部910的至少一部分的功能也可以通過使運轉(zhuǎn)控制部910的電路基于其物理性的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行動作而實現(xiàn)。運轉(zhuǎn)控制部910的除水控制部912在使燃料電池20起動之后且在利用冷卻泵540將冷卻水向燃料電池20送出之前，執(zhí)行將滯留于燃料電池20的陰極催化劑層217中的水分除去的控制。在本實施例中，為了將滯留于陰極催化劑層217的水分除去，而除水控制部912在將燃料電池20從電氣負(fù)載切離而使燃料電池20的電流停止的狀態(tài)下，執(zhí)行向燃料電池20的陽極流路235及陰極流路245導(dǎo)入反應(yīng)氣體的控制。運轉(zhuǎn)控制部910的融化檢測部913檢測在燃料電池20的陰極催化劑層217中凍結(jié)了的水分的融化。在本實施例中，融化檢測部913基于來自交流阻抗傳感器810的輸出信號所表示的電池內(nèi)部電阻來檢測在陰極催化劑層217中凍結(jié)了的水分的融化。在另一實施方式中，融化檢測部913也可以基于來自溫度傳感器820的輸出信號所表不的燃料電池20的溫度來檢測在陰極催化劑層217中凍結(jié)了的水分的融化。運轉(zhuǎn)控制部910的殘余水檢測部914檢測在燃料電池20的陰極催化劑層217中殘留的殘余水量。在本實施例中，殘余水檢測部914基于來自陰極壓力傳感器840的輸出信號所表示的陰極壓力損失，來檢測陰極催化劑層217的殘余水量。在另一實施方式中，殘余水檢測部914也可以基于來自交流阻抗傳感器810的輸出信號所表示的電池內(nèi)部電阻來檢測陰極催化劑層217的殘余水量。而且，在另一實施方式中，殘余水檢測部914也可以基于來自陽極壓力傳感器830的輸出信號所表示的陽極壓力損失來檢測陰極催化劑層217的殘余水量。而且，在另一實施方式中，殘余水檢測部914還可以基于來自設(shè)置在陰極催化劑層217上的水分傳感器的輸出信號所表示的水分量來檢測陰極催化劑層217的殘余水量。A-2.燃料電池系統(tǒng)的動作圖3是表示運轉(zhuǎn)控制部910執(zhí)行的燃料電池起動處理(步驟S10)的流程圖。在本實施例中，運轉(zhuǎn)控制部910在使燃料電池20起動時開始燃料電池起動處理(步驟S10)。
當(dāng)燃料電池起動處理(步驟S10)開始后，運轉(zhuǎn)控制部910向電力控制部60指示電氣負(fù)載相對于燃料電池20的連接，并向氫氣供給排出部30及氧化氣體供給排出部40指示氫氣及氧化氣體向燃料電池20的供給，由此使燃料電池20起動(步驟S110)。當(dāng)燃料電池20起動時,在燃料電池20中，氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的發(fā)電開始，由于與該電化學(xué)反應(yīng)相伴的反應(yīng)熱而燃料電池20的溫度上升。在燃料電池20起動之后(步驟S110)，運轉(zhuǎn)控制部910判斷燃料電池20是否被放置在殘留于陰極催化劑層217的水分發(fā)生凍結(jié)的程度的寒冷環(huán)境(步驟S120)。在本實施例中，運轉(zhuǎn)控制部910基于來自溫度傳感器820的輸出信號所表不的燃料電池20的溫度來判斷是否為寒冷環(huán)境。在判斷為不在寒冷環(huán)境時(步驟SllO為“否”)，運轉(zhuǎn)控制部910通過對冷卻泵540指示冷卻水的送出開始，而使冷卻泵540起動(步驟S160)。然后，運轉(zhuǎn)控制部910結(jié)束燃料電池起動處理(步驟S10)，根據(jù)要求電力來執(zhí)行燃料電池20的運轉(zhuǎn)控制。 另一方面，判斷為寒冷環(huán)境時(步驟SllO為“是”)，運轉(zhuǎn)控制部910使由燃料電池20進(jìn)行的發(fā)電繼續(xù)，并作為融化檢測部913進(jìn)行動作，由此判斷在燃料電池20的陰極催化劑層217中凍結(jié)了的水分是否融化(步驟S130)。在本實施例中，運轉(zhuǎn)控制部910基于來自交流阻抗傳感器810的輸出信號所表示的單電池25的內(nèi)部電阻，來檢測在陰極催化劑層217中凍結(jié)了的水分的融化。圖4是表示陰極催化劑層溫度與電池內(nèi)部電阻之間的關(guān)系的說明圖。在圖4中，將溫度設(shè)定為橫軸并將內(nèi)部電阻設(shè)定為縱軸，圖示了陰極催化劑層217的溫度即陰極催化劑層溫度與單電池25的內(nèi)部電阻即電池內(nèi)部電阻之間的關(guān)系。如圖4所示，在陰極催化劑層溫度比0°C低的溫度范圍中，電池內(nèi)部電阻對應(yīng)于陰極催化劑層溫度的上升而下降。當(dāng)陰極催化劑層溫度直接繼續(xù)上升而成為0°C附近時，電池內(nèi)部電阻急劇下降至基準(zhǔn)值Thzl，然后，電池內(nèi)部電阻的下降量緩慢地推移。該0°C附近的電池內(nèi)部電阻的急減考慮為由于陰極催化劑層217附近的冰融化而質(zhì)子的移動阻力減少而引起的。在本實施例中，從圖4所示的燃料電池20的特性出發(fā)，運轉(zhuǎn)控制部910在寒冷環(huán)境下使燃料電池20起動之后，在來自交流阻抗傳感器810的輸出信號所表示的電池內(nèi)部電阻成為基準(zhǔn)值Thzl以下時，判斷為在陰極催化劑層217中凍結(jié)了的水分發(fā)生了融化。返回圖3的說明，當(dāng)檢測到陰極催化劑層217的水分的融化時(步驟S130為“是”)，運轉(zhuǎn)控制部910作為除水控制部912而動作，由此執(zhí)行將滯留于陰極催化劑層217的水分除去的除水處理(步驟S140)。圖5是表示除水處理(步驟S140)的詳細(xì)情況的流程圖。當(dāng)除水處理(步驟S140)開始時，運轉(zhuǎn)控制部910執(zhí)行清洗處理(步驟S145)。在清洗處理(步驟S145)中，運轉(zhuǎn)控制部910對電力控制部60指示從燃料電池20將電氣負(fù)載暫時切離，而使燃料電池20的電流暫時停止。在燃料電池20的電流暫時停止的期間也繼續(xù)地，運轉(zhuǎn)控制部910向氫氣供給排出部30及氧化氣體供給排出部40指示反應(yīng)氣體向燃料電池20的供給，向陽極流路235導(dǎo)入氫氣，并向陰極流路245導(dǎo)入氧化氣體。在清洗處理(步驟S145)中，在與發(fā)電相伴的生成水的產(chǎn)生暫時停止的狀態(tài)下，陽極流路235的水分由氫氣去除，并且陰極流路245的水分由氧化氣體去除。如此，隨著從陽極流路235及陰極流路245去除水分，從而能夠?qū)粲陉帢O催化劑層217的水分除去。
在本實施例中，在清洗處理(步驟S145)期間，由燃料電池20進(jìn)行的發(fā)電也間歇地實施，因此由于反應(yīng)熱而燃料電池20的溫度繼續(xù)上升。在本實施例中，在清洗處理(步驟S145)中將氫氣及氧化氣體這雙方導(dǎo)入，但在另一實施方式中，也可以將氫氣及氧化氣體中的一方導(dǎo)入。在除水處理(步驟S140)中，運轉(zhuǎn)控制部910作為殘余水檢測部914而動作，由此判斷在燃料電池20的陰極催化劑層217中殘留的殘余水量是否為基準(zhǔn)值以下(步驟S148)。在本實施例中，運轉(zhuǎn)控制部910基于來自陰極壓力傳感器840的輸出信號所表不的氧化氣體的壓力損失，來檢測陰極催化劑層217的殘余水量。運轉(zhuǎn)控制部910在陰極催化劑層217的殘余水量不為基準(zhǔn)值以下時(步驟S148為“否”)，繼續(xù)除水處理(步驟S140)，并在陰極催化劑層217的殘余水量為基準(zhǔn)值以下時(步驟S148為“是”)，結(jié)束除水處理(步驟S140)。圖6是表示除水處理(步驟S140 )中的陽極壓力損失、陰極壓力損失及電池內(nèi)部電阻的變化的說明圖。在圖6中，將時間設(shè)定為橫軸，并將壓力損失及內(nèi)部電阻設(shè)定為縱軸，分別圖示了陽極流路235的壓力損失即陽極壓力損失的時間變化、陰極流路245的壓力損失即陰極壓力損失的時間變化、以及單電池25的內(nèi)部電阻即電池內(nèi)部電阻的時間變化。 如圖6所示，陰極壓力損失由于滯留于陰極流路245的水分的影響，而從氧化氣體的供給開始起上升而成為最大值，伴隨著滯留于陰極流路245的水分量的減少而下降。然后，當(dāng)從陰極流路245的除水完成后，開始通過了陰極流路245的從陰極電極216的除水，陰極壓力損失伴隨著滯留于陰極電極216的水分量的減少而緩慢下降。然后，當(dāng)?shù)疥帢O電極216中的陰極催化劑層217的除水完成后，陰極壓力損失在基準(zhǔn)值Thc穩(wěn)定。在本實施例中，根據(jù)圖6所示的燃料電池20的特性，運轉(zhuǎn)控制部910在來自陰極壓力傳感器840的輸出信號所表示的氧化氣體的壓力損失在基準(zhǔn)值Thc穩(wěn)定時，判斷為殘留于陰極催化劑層217的殘余水量成為了基準(zhǔn)值以下。如圖6所示，陽極壓力損失由于滯留于陽極流路235的水分的影響，從氫氣的供給開始起上升而成為最大值，伴隨著滯留于陽極流路235的水分量的減少而下降。然后，在從陰極流路245的除水完成之后，經(jīng)由陽極電極213及電解質(zhì)膜211而從陰極電極216的除水開始，陽極壓力損失伴隨著滯留于陰極電極216的水分量的減少而緩慢下降。然后，當(dāng)?shù)疥帢O電極216的陰極催化劑層217的除水完成后，陽極壓力損失在基準(zhǔn)值Tha穩(wěn)定。在另一實施方式中，根據(jù)圖6所示的燃料電池20的特性，運轉(zhuǎn)控制部910也可以在來自陽極壓力傳感器830的輸出信號所表示的氫氣的壓力損失在基準(zhǔn)值Tha穩(wěn)定時，判斷為在陰極催化劑層217中殘留的殘余水量成為了基準(zhǔn)值以下。如圖6所示，與陽極壓力損失相比，陰極壓力損失相對于陰極電極216的水分量的變化比例大，因此在陰極電極216的水分量的判斷中優(yōu)選利用陰極壓力損失。如圖6所示，電池內(nèi)部電阻在陰極催化劑層217中發(fā)生了凍結(jié)的水分融化之后，到從陰極電極216開始除水為止，由于殘留于MEA210的水分的影響而在一定值穩(wěn)定。然后，當(dāng)從陰極電極216的除水開始后，電池內(nèi)部電阻伴隨著滯留在陰極電極216中的水分量的減少而急劇上升。電池內(nèi)部電阻在到陰極電極216中的陰極催化劑層217的除水完成的時刻成為基準(zhǔn)值Thz2，然后，伴隨著MEA210中的水分量的減少而緩慢上升。在另一實施方式中，根據(jù)圖6所示的燃料電池20的特性，運轉(zhuǎn)控制部910也可以在來自交流阻抗傳感器810的輸出信號所表示的電池內(nèi)部電阻成為了基準(zhǔn)值Thz2以上時，判斷為殘留在陰極催化劑層217中的殘余水量成為了基準(zhǔn)值以下。而且，在另一實施方式中，也可以基于陽極壓力損失、陰極壓力損失及電池內(nèi)部電阻中的至少兩個來檢測陰極催化劑層217的殘余水量。返回圖3的說明，在除水處理(步驟S140)之后，運轉(zhuǎn)控制部910判斷燃料電池20的溫度是否為基準(zhǔn)值以上(步驟S150)。在本實施例中，在來自溫度傳感器820的輸出信號所表示的燃料電池20的溫度是能夠避免與冷卻水的送出相伴的MEA210的再凍結(jié)的溫度時，運轉(zhuǎn)控制部910判斷為燃料電池20的溫度為基準(zhǔn)值以上。在燃料電池20的溫度小于基準(zhǔn)值時(步驟S150為“否”)，運轉(zhuǎn)控制部910再次執(zhí)行除水處理(步驟S140)。在燃料電池20的溫度為基準(zhǔn)值以上時(步驟S150為“是”)，運轉(zhuǎn)控制部910使冷卻泵540起動(步驟S160)。然后，運轉(zhuǎn)控制部910使燃料電池起動處理(步驟S10)結(jié)束，根據(jù)要求電力而執(zhí)行燃料電池20的運轉(zhuǎn)控制。圖7是表示燃料電池起動處理(步驟S10)中的燃料電池20的溫度變化的說明圖。在圖7中，將時間設(shè)定為橫軸并將溫度設(shè)定為縱軸，圖示了燃料電池20中的溫度的時間變 化。在寒冷環(huán)境下開始燃料電池起動處理(步驟S10)后(圖7的時間t0)，燃料電池20的溫度由于與發(fā)電相伴的反應(yīng)熱而從冰點以下區(qū)域開始上升。在燃料電池20的溫度突破0°C(圖7的時間tl)并對應(yīng)于陰極催化劑層217中的冰的融化而開始了除水處理(步驟S140)之后，燃料電池20的溫度繼續(xù)上升。燃料電池20的溫度超過基準(zhǔn)值Tht (圖7的時間t2)而冷卻泵540起動后，在寒冷環(huán)境下變冷的冷卻水在燃料電池20的內(nèi)部循環(huán)，因此燃料電池20的溫度再次急劇下降至冰點以下區(qū)域(圖7的時間t3)。然后，燃料電池20的溫度由于與發(fā)電相伴的反應(yīng)熱而再次從冰點以下區(qū)域上升(圖7的時間t4)。A-3.第一實施例的效果根據(jù)以上說明的第一實施例的燃料電池系統(tǒng)10，在向燃料電池20送出冷卻水之前，將滯留在燃料電池20的陰極催化劑層217中的水分除去，因此即使在寒冷環(huán)境下開始冷卻水的送出的情況下，也能夠抑制燃料電池20的陰極催化劑層217中的凍結(jié)。其結(jié)果是，能夠抑制在寒冷環(huán)境下的燃料電池20的劣化。另外，在除水處理(步驟S140)中，將氫氣向陽極流路235導(dǎo)入，并將氧化氣體向陰極流路245導(dǎo)入，由此從陰極催化劑層217除去水分(步驟S145)，因此利用向燃料電池20供給反應(yīng)氣體的結(jié)構(gòu)，而能夠?qū)㈥帢O催化劑層217的水分除去。另外，檢測在陰極催化劑層217中發(fā)生了凍結(jié)的水分的融化(步驟S130)，開始除水處理(步驟S140)，因此能夠高效率地除去在燃料電池20的起動時凍結(jié)了的陰極催化劑層217的水分。而且，基于燃料電池20的內(nèi)部電阻，來檢測在陰極催化劑層217中發(fā)生了凍結(jié)的水分的融化，因此與在陰極催化劑層217的各部設(shè)置溫度傳感器相比，能夠以簡單的結(jié)構(gòu)來檢測陰極催化劑層217中的水分的融化。另外，檢測陰極催化劑層217的殘余水量(步驟S145)，結(jié)束除水處理(步驟S140)，因此能夠防止在從陰極催化劑層217的水分的除去不充分的狀態(tài)下向燃料電池20送出冷卻水的情況。而且，基于在陰極流路245中流動的氧化氣體的壓力損失，來檢測陰極催化劑層217的殘余水量，因此與在陰極催化劑層217的各部設(shè)置水分傳感器相比，能夠以簡單的結(jié)構(gòu)來檢測陰極催化劑層217中的殘余水量。B.第二實施例第二實施例的燃料電池系統(tǒng)10除了在清洗處理(步驟S145)中氧化氣體向陰極流路245流動的方向不同這一點之外，與第一實施例相同。圖8是表不在第二實施例中反應(yīng)氣體流動的方向的說明圖。圖8圖示了在通常發(fā)電時反應(yīng)氣體流動的方向和在清洗處理(步驟S145 )中反應(yīng)氣體流動的方向。在由燃料電池20進(jìn)行的發(fā)電中，氫氣向陽極流路235流動的方向是朝向重力方向G的重力方向向下方向，氧化氣體向陰極流路245流動的方向是朝向與重力方向G相反的重力方向向上方向。在第二實施例中，在清洗處理(步驟S145)中，氫氣向陽極流路235流動的方向保持為重力方向向下方向，將氧化氣體向陰極流路245流動的方向切換成重力方向向下方向。在本實施例中，通過切換連接氧化氣體供給排出部40與燃料電池20的配管，而將氧化氣體向陰極流路245流動的方向切換成重力方向向下方向。根據(jù)以上說明的第二實施例中的燃料電池系統(tǒng)10，與第一實施例同樣地，能夠抑制在寒冷環(huán)境下的燃料電池20的劣化。而且，在清洗處理(步驟S145)中氧化氣體向重力 方向向下方向流動，因此能夠利用重力而將陰極催化劑層217的水分高效率地除去。C.第三實施例第三實施例的燃料電池系統(tǒng)10除了除水處理(步驟S140)的動作不同這一點之夕卜，與第一實施例相同。圖9是表示第三實施例中的除水處理(步驟S140)的詳細(xì)情況的流程圖。第三實施例的除水處理(步驟S140)除了從陰極催化劑層217除去水分的方法不同這一點之外，與第一實施例相同。當(dāng)除水處理(步驟S140)開始后，運轉(zhuǎn)控制部910使由燃料電池20進(jìn)行的發(fā)電繼續(xù)，并向氫氣供給排出部30指示氫氣的化學(xué)計量比的上升，由此使從陰極催化劑層217向陽極催化劑層214移動的水分量增加(步驟S146)。需要說明的是，氫氣的化學(xué)計量比是指實際供給的氣體量相對于發(fā)電量所需的最小的氣體量的比率，化學(xué)計量比越變大，表示供給越過大。圖10是表不第二實施例中的除水處理(步驟S140)的情況的說明圖。圖10圖不了除水處理前及除水處理中的電解質(zhì)膜211附近。陽極催化劑層214由催化劑擔(dān)持碳224形成，在催化劑擔(dān)持碳224彼此之間形成有間隙。陰極催化劑層217也與陽極催化劑層214同樣地，由催化劑擔(dān)持碳227形成，在催化劑擔(dān)持碳227彼此之間形成有間隙。在陽極催化劑層214的催化劑擔(dān)持碳227產(chǎn)生與發(fā)電相伴的生成水。如圖10所示，在除水處理前，為在陽極催化劑層214中的催化劑擔(dān)持碳227彼此的間隙滯留有水分的狀態(tài)。當(dāng)除水處理(步驟S140)開始后，氫氣的化學(xué)計量比上升而氫氣的流量增加，因此氫氣從陽極催化劑層214奪取的水分量也增加。伴隨于此，滯留于陰極催化劑層217的水分透過電解質(zhì)膜211而向陽極催化劑層214移動。根據(jù)以上說明的第三實施例的燃料電池系統(tǒng)10，與第一實施例同樣地，能夠抑制在寒冷環(huán)境下的燃料電池20的劣化。而且，在除水處理(步驟S140)中，使氫氣的化學(xué)計量比上升，使從陰極催化劑層217向陽極催化劑層214移動的水分量增加，由此從陰極催化劑層217除去水分(步驟S146)，因此利用向燃料電池20供給氫氣的結(jié)構(gòu)，能夠繼續(xù)發(fā)電并除去陰極催化劑層217的水分。D.第四實施例第四實施例的燃料電池系統(tǒng)10除了與氫氣供給排出部30相關(guān)的結(jié)構(gòu)、及除水處理(步驟S140)的動作不同這些方面之外，與第一實施例相同。圖11是表示第四實施例中的氫氣供給排出部30的說明圖。第四實施例的燃料電池系統(tǒng)10的結(jié)構(gòu)除了具備對從氫氣供給排出部30向燃料電池20供給的氫氣進(jìn)行加熱的加熱部370這一點之外，與第一實施例相同。在本實施例中，加熱部370是配置在供給氫氣的配管的周圍的電熱器，基于來自運轉(zhuǎn)控制部910的指示而進(jìn)行動作。圖12是表示第四實施例中的除水處理(步驟S140)的詳細(xì)情況的流程圖。第四實施例的除水處理(步驟S140)除了從陰極催化劑層217除去水分的方法這一點之外，與第一實施例相同。當(dāng)開始除水處理(步驟S140)后，運轉(zhuǎn)控制部910使由燃料電池20進(jìn)行的發(fā)電繼續(xù)并向加熱部370指示進(jìn)行氫氣的加熱，從而使從陰極催化劑層217向陽極催化劑層214移動的水分量增加(步驟S147)。當(dāng)除水處理(步驟S140)開始后，氫氣的溫度上升而氫氣的飽和蒸氣分壓增加，因此氫氣從陽極催化劑層214奪取的水分量也增加。伴隨于此，與圖10所示的第三實施例同樣地，滯留于陰極催化劑層217的水分透過電解質(zhì)膜211而向陽極催化劑層214移動。
根據(jù)以上說明的第四實施例的燃料電池系統(tǒng)10，與第一實施例同樣地，能夠抑制在寒冷環(huán)境下的燃料電池20的劣化。而且，在除水處理(步驟S140)中，使氫氣的溫度上升，使從陰極催化劑層217向陽極催化劑層214移動的水分量增加，由此從陰極催化劑層217除去水分(步驟S147)，因此利用向燃料電池20供給氫氣的結(jié)構(gòu)，能夠使發(fā)電繼續(xù)并將陰極催化劑層217的水分除去。E.第五實施例第五實施例的燃料電池系統(tǒng)10除了氧化氣體相對于MEA20的流動方式不同這一點之外，與第一實施例相同。圖13是表示從第五實施例中的層疊方向觀察到的單電池25的說明圖。單電池25具備分別形成有沿著層疊方向貫通的孔的六個孔部26f266?？撞?61、262、263沿著長方形的單電池25中的一方的短邊設(shè)置，孔部264、265、266沿著長方形的單電池25中的另一方的短邊設(shè)置?？撞?61是向單電池25導(dǎo)入冷卻水的冷卻水導(dǎo)入部，并且構(gòu)成用于向燃料電池20中的多個單電池25分別導(dǎo)入的冷卻水所流過的流路的一部分?？撞?62是從單電池25排出氧化氣體的氧化氣體排出部，并且構(gòu)成從燃料電池20中的多個單電池25分別排出的氧化氣體所流過的流路的一部分?？撞?63是向單電池25導(dǎo)入氫氣的氫氣導(dǎo)入部,并且構(gòu)成用于向燃料電池20中的多個單電池25分別導(dǎo)入的氫氣所流過的流路的一部分?？撞?64是從單電池25排出氫氣的氫氣排出部，并且構(gòu)成從燃料電池20中的多個單電池25分別排出的氫氣所流過的流路的一部分。孔部265是向單電池25導(dǎo)入氧化氣體的氧化氣體導(dǎo)入部，并且構(gòu)成用于向燃料電池20中的多個單電池25分別導(dǎo)入的氧化氣體所流過的流路的一部分?？撞?66是從單電池25排出冷卻水的冷卻水排出部，并且構(gòu)成從燃料電池20中的多個單電池25分別排出的冷卻水所流過的流路的一部分。在本實施例中，氫氣的流動與氧化氣體的流動相對，從單電池25的氫氣上游部271向氫氣下游部272流動。圖13使用空心的箭頭圖示了氧化氣體的流動，并使用曲線圖示了冷卻水的流動。如圖13所示，氧化氣體與氫氣的流動相對而從氫氣下游部272向氫氣上游部271流動，冷卻水與氧化氣體的流動相對而從氫氣上游部271向氫氣下游部272流動。圖14是表示第五實施例中的燃料電池起動處理(步驟S10)的流程圖。第五實施例的燃料電池起動處理(步驟S10)除了在檢測到陰極催化劑層217中的水分的融化后(步驟S130為“是”)將燃料電池20的發(fā)電時的氧化氣體的流量設(shè)定為比通常發(fā)電時少的流量這方面(步驟S135)之外，與第一實施例相同。由此，使氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)不在冷卻水流入的氫氣上游部271側(cè)，而向氫氣下游部272側(cè)集中，從而能夠使與發(fā)電相伴的生成水集中于氫氣下游部272偵U。根據(jù)以上說明的第五實施例的燃料電池系統(tǒng)10，與第一實施例同樣地，能夠抑制在寒冷環(huán)境下的燃料電池20的劣化。而且，避開伴隨著冷卻水的送出而成為比氫氣下游部272側(cè)低溫的氫氣上游部271側(cè)，使電化學(xué)反應(yīng)在氫氣下游部272側(cè)集中并使生成水集中，因此能夠進(jìn)一步抑制燃料電池20的陰極催化劑層217中的凍結(jié)。F.第六實施例第六實施例的燃料電池系統(tǒng)10除了氧化氣體及冷卻水相對于MEA20的流動方式不同這一點之外，與第五實施例相同。圖15是表不第六實施例的從層疊方向觀察到的單電池25的說明圖。單電池25的結(jié)構(gòu)除了冷卻水流動的方向與第五實施例相反這一點之外，與 第五實施例相同。在第六實施例中，孔部261是從單電池25排出冷卻水的冷卻水排出部，孔部266是向單電池25導(dǎo)入冷卻水的冷卻水導(dǎo)入部。在第六實施例中，氫氣及氧化氣體的流動方向與第五實施例相同，冷卻水與氧化氣體的流動同樣地從氫氣下游部272向氫氣上游部271流動。圖16是表示第六實施例的燃料電池起動處理(步驟S10)的流程圖。第六實施例的燃料電池起動處理(步驟S10)除了在檢測到陰極催化劑層217中的水分的融化后(步驟S130為“是”)將由燃料電池20進(jìn)行發(fā)電時的氧化氣體的流量設(shè)定成比通常發(fā)電時多的流量這一點(步驟S136)之外，與第一實施例相同。由此，在冷卻水流入的氫氣下游部272側(cè)的基于氧化氣體的水分的蒸發(fā)得到促進(jìn)，并能夠使氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)集中于氫氣上游部271 側(cè)。根據(jù)以上說明的第六實施例的燃料電池系統(tǒng)10，與第一實施例同樣地，能夠抑制在寒冷環(huán)境下的燃料電池20的劣化。而且，在伴隨著冷卻水的送出而成為比氫氣上游部271側(cè)低溫的氫氣下游部272側(cè)的基于氧化氣體的水分的蒸發(fā)得到促進(jìn)，并且使電化學(xué)反應(yīng)集中于氫氣上游部271側(cè)并使生成水集中，因此能夠進(jìn)一步抑制燃料電池20的陰極催化劑層217的凍結(jié)。G.第七實施例第七實施例的燃料電池系統(tǒng)10除了燃料電池起動處理(步驟S10)的動作不同這一點之外，與第一實施例同樣。圖17是表示第七實施例中的燃料電池起動處理(步驟S10)的流程圖。在第七實施例中，在使冷卻泵540起動時(步驟S160)，運轉(zhuǎn)控制部910通過向電力控制部60指示，而將燃料電池20的電流抑制成電流值Thi (步驟S160)。電流值Thi是向陰極電極216側(cè)移動的水分量比向陽極電極213側(cè)移動的水分量減少的電流值。圖18是表示冰點以下區(qū)域的MEA210的電流密度與陰極催化劑層217的損傷時間之間的關(guān)系的說明圖。在圖18中，將電流密度設(shè)定為橫軸并將時間設(shè)定為縱軸，圖示了冰點以下區(qū)域的MEA210的電流密度與陰極催化劑層217的損傷時間之間的關(guān)系。如圖18所示，到陰極催化劑層217損傷為止的時間隨著MEA210的電流密度減少而延長，當(dāng)MEA210的電流密度比基準(zhǔn)值CDl減少時，飛躍性地延伸。圖19是表示在MEA210中水分移動的情況的說明圖。圖19圖示了 MEA210的電流密度為基準(zhǔn)值CDl時的狀態(tài)和MEA210的電流密度為比基準(zhǔn)值CDl大的基準(zhǔn)值CD2時的狀態(tài)。圖19所示的電滲透水Wl是在電解質(zhì)膜211中從陽極催化劑層214側(cè)向陰極催化劑層217側(cè)與質(zhì)子一起移動的水分，隨著MEA210的電流密度的增加而增加。圖19所示的逆擴散水W2是借助水蒸氣分壓差而在電解質(zhì)膜211中從陰極催化劑層217側(cè)向陽極催化劑層214側(cè)移動的水分。如圖19所示，在MEA210的電流密度為基準(zhǔn)值⑶I時，電滲透水Wl比逆擴散水W2少。由此，考慮抑制向陰極催化劑層217移動而凍結(jié)的水分量，而延長到陰極催化劑層217損傷為止的時間。在MEA210的電流密度為基準(zhǔn)值⑶I時，電滲透水Wl比逆擴散水W2多。因此，認(rèn)為向陰極催化劑層217移動的水分逐漸在陰極催化劑層217中凍結(jié)，從而促進(jìn)陰極催化劑層217的損傷。圖20是表示第七實施例中的燃料電池20的溫度變化的說明圖。在圖20中，將時 間設(shè)定為橫軸并將溫度及電流設(shè)定為縱軸，圖示了燃料電池20中的溫度及電流的時間變化。在圖20中，燃料電池20的溫度由實線圖示，燃料電池20的電流由單點劃線圖示。燃料電池20的溫度變化與圖7所示的第一實施例相同。如圖20所示，當(dāng)在寒冷環(huán)境下開始燃料電池起動處理(步驟S10)后(圖20的時間to)，燃料電池20的電流開始上升。然后，在冷卻泵540起動時(圖20的時間t2)，燃料電池20的電流由于燃料電池20的電流抑制(步驟S160)，而將MEA210的電流密度抑制成作為基準(zhǔn)值CDl的電流值Thi。燃料電池20的執(zhí)行電流抑制(步驟S160)的時間只要在伴隨著冷卻水的送出而燃料電池20的溫度再次下降至冰點以下區(qū)域的時間(圖20的時間t3)之前即可，在本實施例中，是執(zhí)行冷卻泵540的起動(步驟S160)之前，但在其他的實施方式中，也可以是執(zhí)行冷卻泵540的起動(步驟S160)之后。當(dāng)燃料電池起動處理(步驟S10)結(jié)束后，燃料電池20的電流向與要求電力對應(yīng)的電流值上升。根據(jù)以上說明的第七實施例的燃料電池系統(tǒng)10，與第一實施例同樣地，能夠抑制在寒冷環(huán)境下的燃料電池20的劣化。而且，在向燃料電池20送出冷卻水時，抑制滯留在燃料電池20的陰極催化劑層217中的水分量而進(jìn)行發(fā)電，因此能夠進(jìn)一步抑制燃料電池20的陰極催化劑層217中的凍結(jié)。H.其他的實施方式以上，說明了本發(fā)明的實施方式，但本發(fā)明并未限定為這樣的實施方式，在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)當(dāng)然能以各種方式來實施。例如，也可以將第一實施例至第七實施例中的至少兩個實施例適當(dāng)組合來應(yīng)用。而且，在上述的實施例中，除水處理(步驟S140)在檢測到陰極催化劑層217中凍結(jié)了的水分的融化之后(步驟S130)開始，但在其他的實施方式中，也可以不等待在陰極催化劑層217中發(fā)生了凍結(jié)的水分的融化而對應(yīng)于燃料電池20的起動而開始除水處理(步驟S140)。由此，能夠提前除去在燃料電池20的起動后產(chǎn)生的生成水。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，使利用氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池運轉(zhuǎn)，所述燃料電池系統(tǒng)具備冷卻泵，向所述燃料電池送出冷卻介質(zhì) '及除水部，在所述燃料電池起動后且所述冷卻泵送出所述冷卻介質(zhì)之前，除去形成于所述燃料電池的電解質(zhì)膜的陰極側(cè)的陰極催化劑層中滯留的水分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池包括使氧化氣體向所述電解質(zhì)膜的所述陰極側(cè)流動的陰極流路，所述除水部在所述燃料電池起動之后且在所述冷卻泵送出所述冷卻介質(zhì)之前，在使所述燃料電池的電流停止的狀態(tài)下，向所述陰極流路導(dǎo)入氧化氣體，由此將滯留在所述陰極催化劑層中的水分除去。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池系統(tǒng)還具備對在所述陰極催化劑層中凍結(jié)了的水分的融化進(jìn)行檢測的融化檢測部，所述除水部在所述燃料電池起動之后且在所述冷卻泵送出所述冷卻介質(zhì)之前，在所述融化檢測部檢測到所述水分的融化的情況下，開始除去滯留在所述陰極催化劑層中的水分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述融化檢測部基于所述燃料電池的內(nèi)部電阻來檢測在所述陰極催化劑層中凍結(jié)了的水分的融化。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池系統(tǒng)還具備對所述陰極催化劑層中的殘余水量進(jìn)行檢測的殘余水檢測部，所述除水部基于由所述殘余水檢測部檢測到的殘余水量，結(jié)束滯留在所述陰極催化劑層中的水分的除去。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池包括使氧化氣體向所述電解質(zhì)膜的所述陰極側(cè)流動的陰極流路，所述殘余水檢測部基于在所述陰極流路中流動的氧化氣體的壓力損失，來檢測所述陰極催化劑層中的殘余水量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述殘余水檢測部基于所述燃料電池的內(nèi)部電阻，來檢測所述陰極催化劑層中的殘余水量。
8.根據(jù)權(quán)利要求I 7中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池包括在所述電解質(zhì)膜的陽極側(cè)形成的陽極催化劑層；及使氫氣向所述電解質(zhì)膜的所述陽極側(cè)流動的陽極流路，所述除水部使在所述陽極流路中流動的氫氣的化學(xué)計量比及溫度中的至少一方上升， 使從所述陰極催化劑層向所述陽極催化劑層移動的水分量增加，由此將滯留在所述陰極催化劑層中的水分除去。
9.根據(jù)權(quán)利要求I 8中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池包括將氧化氣體向沿著所述電解質(zhì)膜的面方向形成的陰極流路導(dǎo)入的氧化氣體導(dǎo)入部；設(shè)置在與所述氧化氣體導(dǎo)入部相對的位置并從所述陰極流路排出氧化氣體的氧化氣體排出部；設(shè)置在與所述氧化氣體排出部對應(yīng)的一側(cè)并將冷卻介質(zhì)向沿著所述電解質(zhì)膜的面方向形成的冷卻流路導(dǎo)入的冷卻導(dǎo)入部；及設(shè)置在與所述氧化氣體導(dǎo)入部對應(yīng)的一側(cè)并從所述冷卻流路排出冷卻介質(zhì)的冷卻排出部，所述燃料電池系統(tǒng)還具備氧化氣體減少部，該氧化氣體減少部在所述燃料電池起動之后且在所述冷卻泵送出所述冷卻介質(zhì)之前，使向所述氧化氣體導(dǎo)入部導(dǎo)入的氧化氣體的流量比所述冷卻泵工作時減少。
10.根據(jù)權(quán)利要求I 8中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池包括將氧化氣體向沿著所述電解質(zhì)膜的面方向形成的陰極流路導(dǎo)入的氧化氣體導(dǎo)入部；設(shè)置在與所述氧化氣體導(dǎo)入部相對的位置并從所述陰極流路排出氧化氣體的氧化氣體排出部；設(shè)置在與所述氧化氣體導(dǎo)入部對應(yīng)的一側(cè)并將冷卻介質(zhì)向沿著所述電解質(zhì)膜的面方向形成的冷卻流路導(dǎo)入的冷卻導(dǎo)入部；及設(shè)置在與所述氧化氣體排出部對應(yīng)的一側(cè)并從所述冷卻流路排出冷卻介質(zhì)的冷卻排出部，所述燃料電池系統(tǒng)還具備氧化氣體增加部，該氧化氣體增加部在所述燃料電池起動之后且在所述冷卻泵送出所述冷卻介質(zhì)之前，使向所述氧化氣體導(dǎo)入部導(dǎo)入的氧化氣體的流量比所述冷卻泵工作時增加。
11.根據(jù)權(quán)利要求I 10中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，還具備電流抑制部，該電流抑制部在所述燃料電池起動之后所述冷卻泵送出所述冷卻介質(zhì)時，將所述燃料電池的電流抑制成向所述電解質(zhì)膜的所述陰極側(cè)移動的水分量比向所述電解質(zhì)膜的陽極側(cè)移動的水分量減少的電流值。
12.一種燃料電池的運轉(zhuǎn)方法，使利用氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池運轉(zhuǎn)， 其中，在所述燃料電池起動后且向所述燃料電池送出冷卻介質(zhì)之前，除去形成于所述燃料電池的電解質(zhì)膜的陰極側(cè)的陰極催化劑層中滯留的水分。
全文摘要
燃料電池系統(tǒng)(10)在使燃料電池(20)起動之后(步驟S110)，在向燃料電池(20)送出冷卻水之前(步驟S160)，將滯留在燃料電池(20)的陰極催化劑層(217)中的水分除去(步驟S140)。
文檔編號H01M8/10GK102947993SQ20108006745
公開日2013年2月27日 申請日期2010年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月17日
發(fā)明者宇佐美祥, 荒木康, 柴田和則, 川原周也, 小川朋宏 申請人:豐田自動車株式會社