專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)。
背景技術：
當對電解質膜的正面和背面供給正極(cathode)氣體和負極(anode)氣體時,燃料電池堆發(fā)生發(fā)電反應。若電解質膜處于適度的濕潤狀態(tài)，則燃料電池堆高效地進行發(fā)電反應。然而，根據外界空氣狀態(tài)、運轉條件不同，電解質膜會陷入過度干燥狀態(tài)。因此，在JP-2002-352827-A中，基于燃料電池堆的阻抗檢測濕潤狀態(tài)。而且，若判斷為過度干燥，則降低正極氣體的流量。通過這樣，防止電解質膜成為過度干燥狀態(tài)。

發(fā)明內容
另外，在燃料電池系統(tǒng)中具備用于使電解質膜保持適度的濕潤狀態(tài)的加濕器。然而，為了使系統(tǒng)簡化或小型化，期望去除加濕器或者使其小型化。本案的發(fā)明者們認識到在這種燃料電池系統(tǒng)中，當正極氣體的供給量變少時，剩余的生成水不會被排出，從而易于成為液泛狀態(tài)。即，發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)以下新問題:在這種燃料電池系統(tǒng)中，當如JP-2002-352827-A那樣降低正極氣體的流量時，反而會陷入過度濕潤狀態(tài)(液泛狀態(tài))。本發(fā)明是著眼于這種以往的問題而完成的。本發(fā)明的目的在于提供一種在比以往偏干燥的狀態(tài)下運轉的燃料電池堆中、即使在空轉這樣的低負荷運轉的情況下也能夠防止成為液泛狀態(tài)的燃料電池系統(tǒng)。根據本發(fā)明的某個方式，具備:濕潤度檢測部，其對燃料電池堆的濕潤度進行檢測；目標SR設定部，其基于上述濕潤度來設定燃料電池堆的目標SR ;以及最低SR設定部，其基于負荷來設定防止燃料電池堆液泛所需的最低SR。而且，提供一種具有SR控制部的燃料電池系統(tǒng)，該SR控制部在上述目標SR低于上述最低SR時，進行控制使得實際SR暫時高于上述最低SR。下面結合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施方式、本發(fā)明的優(yōu)點。


圖1是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第一實施方式的圖。圖2A是說明燃料電池堆中的電解質膜的反應的示意圖。圖2B是說明燃料電池堆中的電解質膜的反應的示意圖。圖3是表示第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制器(控制單元)所執(zhí)行的控制流程圖的圖。圖4是表不用于設定用于防止液泛的最低SR和運轉目標SR的對應表的一例的圖。圖5A是在中 高負荷下濕潤度為偏濕潤的情況下執(zhí)行本實施方式的控制例程時的時序圖。圖5B是在低負荷下濕潤度為偏干燥的情況下執(zhí)行本實施方式的控制例程時的時序圖。圖6是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第二實施方式的圖。圖7是表示供給氣體壓力與供給氣體流速之間的相關性的圖。圖8是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第三實施方式的圖。圖9是表示第三實施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制器(控制單元)所執(zhí)行的控制流程的圖。圖10是執(zhí)行第三實施方式的控制例程時的時序圖。圖11是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第四實施方式的圖。圖12是表示第四實施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制器(控制單元)所執(zhí)行的控制流程的圖。圖13是執(zhí)行第四實施方式的控制例程時的時序圖。圖14是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第五實施方式的圖。圖15是表示第五實施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制器(控制單元)所執(zhí)行的控制流程的圖。圖16是執(zhí)行第五實施方式的控制例程時的時序圖。圖17是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第六實施方式的控制器(控制單元)所執(zhí)行的控制流程的圖。圖18是執(zhí)行第六實施方式的控制例程時的時序圖。圖19是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第七實施方式的控制器(控制單元)所執(zhí)行的控制流程的圖。圖20是執(zhí)行第七實施方式的控制例程時的時序圖。圖21是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第八實施方式的控制器(控制單元)所執(zhí)行的控制流程的圖。圖22是執(zhí)行第八實施方式的控制例程時的時序圖。
具體實施例方式(第一實施方式)圖1是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第一實施方式的圖。首先，參照圖1來說明本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的一例。燃料電池系統(tǒng)I具備燃料電池堆10、正極氣體路徑20、負極氣體路徑30、冷卻水循環(huán)路徑40以及控制單元90。燃料電池堆10被供給正極氣體和負極氣體來產生電力。燃料電池堆10包括負荷電流傳感器11和堆阻抗傳感器12。負荷電流傳感器11檢測燃料電池堆10的負荷電流。堆阻抗傳感器12檢測燃料電池堆10的阻抗。正極氣體路徑20包括正極氣體供給路徑21和正極氣體排出路徑22。正極氣體供給路徑21上設置有空氣供給壓縮機211，該空氣供給壓縮機211用于向燃料電池堆10供給空氣(正極氣體)。由空氣供給壓縮機211加壓輸送的空氣在正極氣體供給路徑21中流動來供給至燃料電池堆10。從燃料電池堆10排出的正極氣體在正極氣體排出路徑22中流動。負極氣體路徑30包括負極氣體供給路徑31和負極氣體循環(huán)路徑32。負極氣體供給路徑31上設置有負極罐311和負極氣體壓力控制閥312。負極罐311是容納負極氣體(氫)的密閉容器。負極氣體壓力控制閥312根據開度來調整向負極氣體循環(huán)路徑32供給的負極氣體的壓力。負極氣體循環(huán)路徑32上設置有負極氣體循環(huán)泵321。通過負極氣體循環(huán)泵321將從燃料電池堆10排出的負極氣體再次供給至燃料電池堆10。冷卻水循環(huán)路徑40包括冷卻水循環(huán)泵41和散熱器42。冷卻水循環(huán)泵41加壓輸送在冷卻水循環(huán)路徑40中流動的冷卻水。散熱器42對從燃料電池堆10排出的冷卻水的熱量進行散熱，防止冷卻水過熱。通過冷卻水循環(huán)泵41將散熱(冷卻)后的冷卻水再次輸送至燃料電池堆10。控制單元90接收負荷電流傳感器11和堆阻抗傳感器12的信號，控制空氣供給壓縮機211、負極氣體壓力控制閥312、負極氣體循環(huán)泵321以及冷卻水循環(huán)泵41的動作。具體的內各在后面敘述。圖2A和圖2B是說明燃料電池堆中的電解質膜的反應的示意圖。如上所述，燃料電池堆10被供給反應氣體(正極氣體O2、負極氣體H2)來發(fā)電。層疊數(shù)百張在電解質膜的兩個面上形成有正極電極催化劑層和負極電極催化劑層的膜電極接合體(Membra ne Electrode Assembly ；MEA)來構成燃料電池堆10。各膜電極接合體(MEA)在正極電極催化劑層和負極電極催化劑層中與負荷相應地推進以下反應來發(fā)電。

[化學式I]正極電極催化劑層:4H++4e_+02— 2H20...(1-1)負極電極催化劑層:2H2 — 4H++4e…(1_2)如圖2B所示，隨著反應氣體(正極氣體O2)在正極流路中流動，推進化學式(1-1)的反應，生成水蒸氣。然后，在正極流路的下游側相對濕度變高，正極側與負極側之間產生濕度差。然后，由于該濕度差，生成水的一部分逆擴散而將負極上游側加濕。剩余的生成水與正極氣體一起排出到燃料電池堆10的外部。將負極上游側加濕的水分還從MEA蒸發(fā)到負極流路中而將在負極流路中流動的反應氣體(負極氣體H2)加濕。然后，被運送到負極下游側，將負極下游(正極上游)的MEA加濕。若電解質膜處于適度的濕潤狀態(tài)，則能夠高效地進行上述反應。當負荷大時，與負荷相應地供給大量的反應氣體(正極氣體O2、負極氣體H2)。由此，發(fā)電反應變大。而且，通過化學式(1-1)的反應生成大量的水分。該水分將MEA加濕。剩余的水分與正極氣體一起排出到燃料電池堆10的外部。然而，本案的發(fā)明者們認識到:在JP-2002-352827-A所記載的燃料電池堆中，由于正極氣體的流量降低導致難以排出剩余的生成水，燃料電池堆10易于成為液泛狀態(tài)。因此，本案的發(fā)明者們想到通過將正極氣體的流量暫時提高到能夠防止液泛的流量，來強制性地排出殘留于燃料電池堆10的生成水的方法。如果像這樣暫時提高正極氣體的流量，則可以排出剩余的生成水而不使燃料電池堆(電解質膜)的濕潤狀態(tài)發(fā)生大的變化。
另外，在空轉這樣的低負荷運轉時也會產生使正極氣體的流量下降的狀態(tài)，因此本發(fā)明也適用于此類場景。下面，說明具體的內容。圖3是表示本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制器(控制單元)所執(zhí)行的控制流程圖的圖。在步驟Sll中，控制器基于負荷電流傳感器11的信號來檢測負荷電流。在步驟S12中，控制器基于檢測出的負荷電流來設定用于防止液泛的最低SR。具體地說，控制器將負荷電流應用于預先設定的對應表(圖4中示出了一例)，來求出最低SR。此外，SR是“Stoichiometric Ratio (化學計量比)”的簡稱,是指供給氣體量相對于反應氣體量的比(供給氣體量/反應氣體量)。即，SRl的狀態(tài)意味著供給了反應氣體量的氣體，所供給的全部氣體都進行了反應。SR2的狀態(tài)意味著供給了反應氣體量的兩倍的氣體，所供給的氣體中一半氣體進行了反應，殘余的一半氣體未進行反應而直接排出。另外，負荷電流與反應氣體量大致成比例。因而，供給氣體量V與使負荷電流I乘以SR后得到的值成比例。因此，下面的數(shù)式成立。[數(shù)I]V=kXIXSR其中，V:供給氣體量k:系數(shù)1:負荷電流此外，如上所述，本案的發(fā)明者們認識到當在空轉這樣的低負荷運轉時，由于正極氣體的供給量少，易于成為剩余的生成水沒有排出而殘留于燃料電池堆10的狀態(tài)(液泛狀態(tài))。因此，在低負荷運轉時，以使SR比高負荷時大的方式供給正極氣體。如果這樣，則不進行反應的剩余的氣體增加，利用該剩余的氣體來排出生成水。此外，在低負荷下負荷電流I小，因此即使SR大，供給氣體量本身也小于高負荷時的供給氣體量。在步驟S13中，控制器對燃料電池堆10的濕潤狀態(tài)進行檢測。具體地說，控制器基于堆阻抗傳感器12的信號來檢測燃料電池堆10的阻抗。阻抗越低濕潤狀態(tài)越高，即越偏濕潤。阻抗越高濕潤狀態(tài)越低。即越偏干燥。在步驟S14中，控制器基于負荷電流和濕潤狀態(tài)來設定運轉目標SR。具體地說，控制器將負荷電流和濕潤狀態(tài)(阻抗)應用于預先設定的對應表(圖4中示出了一例)，來求出運轉目標SR。此外，本實施方式的燃料電池堆在比以往低的濕潤狀態(tài)(即、比以往偏干燥的狀態(tài))下運轉。因此，若偏濕潤，則設定使電解質膜更加干燥的運轉目標SR。即，若負荷相同，則與偏干燥時相比，偏濕潤時設定大的SR以使供給氣體量變多。如果這樣，則剩余的氣體增加，因此生成水易于排出到燃料電池堆的外部，電解質膜變得易于干燥。在步驟S15中，控制器判斷運轉目標SR是否低于最低SR。如果不低于最低SR，則控制器將處理轉移至步驟S16，如果低于最低SR，則控制器將處理轉移至步驟S17。在步驟S16中，控制器控制運轉使得實際SR變?yōu)檫\轉目標SR。具體地說，控制器控制空氣供給壓縮機211來調整正極氣體(空氣)的流量。在步驟S17中，控制器控制運轉，使得在實際SR變?yōu)檫\轉目標SR之后實際SR以固定周期暫時增加。若負荷大致固定，則SR與正極氣體流量成比例。具體地說，控制器控制空氣供給壓縮機211來使正極氣體(空氣)的流量以固定周期暫時增加。圖5A是在中 高負荷下濕潤度為偏濕潤的情況下執(zhí)行本實施方式的控制例程時的時序圖。圖5B是在低負荷下濕潤度為偏干燥的情況下執(zhí)行本實施方式的控制例程時的時序圖。此外，在括號內添加步驟編號以易于了解與流程圖之間的對應關系。在中 高負荷下濕潤度為偏濕潤的情況下，檢測負荷電流(步驟Sll)，基于該負荷電流來設定最低SR(步驟S12)。另外，對燃料電池堆10的濕潤狀態(tài)(阻抗)進行檢測(步驟S13)，基于負荷電流和濕潤狀態(tài)來設定運轉目標SR(步驟S14)。此時，在中 高負荷下濕潤度為偏濕潤的情況下，運轉目標SR高于最低SR(步驟S15 否”)，因此對空氣供給壓縮機211進行控制來調整正極氣體(空氣)的流量，以變?yōu)檫\轉目標SR。在低負荷下濕潤度為偏干燥的情況下，檢測負荷電流(步驟Sll)，基于該負荷電流來設定最低SR(步驟S12)。另外，對燃料電池堆10的濕潤狀態(tài)(阻抗)進行檢測(步驟S13)，基于負荷電流和濕潤狀態(tài)來設定運轉目標SR(步驟S14)。此時，在低負荷下濕潤度為偏干燥的情況下，運轉目標SR低于最低SR。即，由于為低負荷，因此正極氣體(空氣)的流量變少，受其影響難以排出生成水，因此變?yōu)檫\轉目標SR低于最低SR的狀態(tài)。因此，當運轉目標SR低于最低SR時(步驟S15 是”)，對空氣供給壓縮機211進行控制使得在實際SR變?yōu)檫\轉目標SR之后，實際SR以固定周期暫時增加。其結果，正極氣體(空氣)的流量以固定周期暫時增加(步驟S17)。其結果，強制性地排出殘留于燃料電池堆10的生成水，從而防止液泛。此外，正極氣體(空氣)的流量并非持續(xù)增加，而是以固定周期暫時增加，再返回到原來的狀態(tài)。因而，燃料電池堆(電解質膜)的濕潤狀態(tài)不會發(fā)生大的變化，而剩余的生成水被排出。另外，通過對空氣供給壓縮機211進行控制，來簡易地調整正極氣體(空氣)的流量。還基于阻抗和負荷來設定正確的目標SR。(第二實施方式)圖6是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第二實施方式的圖。此外，下面，對與上述內容發(fā)揮相同功能的部分附加相同的標記，適當?shù)厥÷灾貜偷恼f明。在本實施方式中，正極氣體排出路徑22上設置有正極氣體壓力控制閥221。正極氣體壓力控制閥221對從燃料電池堆10排出的正極氣體的壓力進行調整。圖7是表示供給氣體壓力與供給氣體流速之間的相關性的圖。當打開正極氣體壓力控制閥221來降低氣體壓力時，氣體的流速上升。S卩，氣體的流量上升。當收緊正極氣體壓力控制閥221來升高氣體的壓力時，氣體的流速下降。S卩，氣體的流量下降。因而，在第一實施方式中，控制空氣供給壓縮機211來調整正極氣體(空氣)的流量，但是也可以控制正極氣體壓力控制閥221來調整正極氣體(空氣)的流量。這樣也能夠得到與第一實施方式相同的效果。(第三實施方式)
圖8是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第三實施方式的圖。在本實施方式中，冷卻水循環(huán)路徑40上設置有燃料電池堆冷卻水出口溫度傳感器43。燃料電池堆冷卻水出口溫度傳感器43對從燃料電池堆10排出的冷卻水的溫度進行檢測。在此，說明本實施方式的基本概念。例如在像爬坡行駛之后的下坡行駛那樣長時間的高負荷行駛之后負荷急劇下降時，冷卻水的目標溫度也下降。然而，冷卻水實際的溫度并不會像負荷那樣急劇地下降，比目標溫度高的高溫狀態(tài)會持續(xù)。在這種狀態(tài)下，生成水易于蒸發(fā)。因而，雖然負荷變小，但是若立刻改變與該負荷相應的SR，則燃料電池堆易于陷入過度干燥。因此，此時并不一下子改變SR，而是暫且使其成為中間值。然而，下次反而易于產生液泛。因此，此時使正極氣體(空氣)的流量以固定周期增加。其結果，強制性地排出殘留于燃料電池堆10的生成水，從而防止了液泛。下面說明具體的內容。圖9是表示本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制器(控制單元)所執(zhí)行的控制流程的圖。步驟Sll至步驟S14以及步驟S15至步驟S17與第一實施方式相同，因此省略詳情。在步驟S31中，控制器基于負荷電流來設定目標冷卻水溫。具體地說，控制器將負荷電流應用于預先設定的對應表，來求出目標冷卻水溫。在步驟S32中，控制器基于燃料電池堆冷卻水出口溫度傳感器43的信號來檢測冷卻水溫。在步驟S33中，控制器判斷檢測出的冷卻水溫是否高于目標冷卻水溫。如果不高于目標冷卻水溫，則控制器將處理轉移至步驟S15，如果高于目標冷卻水溫，則控制器將處理轉移至步驟S34。在步驟S34中，控制器設定冷卻水溫高于目標冷卻水溫時的運轉目標SR。圖10是執(zhí)行本實施方式的控制例程時的時序圖。在時刻t31之前負荷電流為A。此時處理如下。檢測負荷電流A(步驟Sll)，基于該負荷電流A來設定用于在負荷A下防止液泛的最低SR(步驟S12)。另外，對燃料電池堆10的濕潤狀態(tài)(阻抗)進行檢測(步驟S13)，基于負荷電流和濕潤狀態(tài)來設定負荷A下的運轉目標SR (步驟S14)。還基于負荷電流A來設定目標冷卻水溫(步驟S31)，并且對冷卻水溫進行檢測(步驟S32)，判斷冷卻水溫是否高于目標冷卻水溫(步驟S33)。在時刻t31之前冷卻水溫與目標冷卻水溫一致。因此，處理轉移至步驟S15。而且，負荷A下的運轉目標SR高于負荷A下的最低SR(步驟S15 否”)，因此控制運轉使得變?yōu)檫\轉目標SR。在時刻t31之后，負荷電流下降到B。此時處理如下。檢測負荷電流B (步驟Sll)，基于該負荷電流B來設定用于在負荷B下防止液泛的最低SR(步驟S12)。另外，對燃料電池堆10的濕潤狀態(tài)(阻抗)進行檢測(步驟S13)，基于負荷電流和濕潤狀態(tài)來設定負荷B下的運轉目標SR(步驟S14)。還基于負荷電流B來設定目標冷卻水溫(步驟S31)，并且對冷卻水溫進行檢測(步驟S32)，判斷冷卻水溫是否高于目標冷卻水溫(步驟S33)。從時刻t31到時刻t32為止冷卻水溫高于目標冷卻水溫。因此，處理轉移至步驟S34，設定冷卻水溫高于目標冷卻水溫時的運轉目標SR。該運轉目標SR低于負荷B下的最低SR(步驟S15 是”)，因此控制運轉使得在實際SR變?yōu)檫\轉目標SR之后，實際SR以固定周期增加(步驟S17)。其結果，強制性地排出殘留于燃料電池堆10的生成水，從而防止液泛。在時刻t32之后，冷卻水溫與目標冷卻水溫一致。此時處理如下。檢測負荷電流B (步驟Sll)，基于該負荷電流B來設定用于在負荷B下防止液泛的最低SR(步驟S12)。另外，對燃料電池堆10的濕潤狀態(tài)(阻抗)進行檢測(步驟S13)，基于負荷電流和濕潤狀態(tài)來設定負荷B下的運轉目標SR (步驟S14)。還基于負荷電流B來設定目標冷卻水溫(步驟S31)，并且對冷卻水溫進行檢測(步驟S32)，判斷冷卻水溫是否高于目標冷卻水溫(步驟S33)。在時刻t32之后，冷卻水溫與目標冷卻水溫一致，因此處理轉移至步驟S15。而且，負荷B下的運轉目標SR高于負荷B下的最低SR(步驟S15 否”)，因此控制運轉使得變?yōu)檫\轉目標SR。如以上所說明的那樣，當在長時間高負荷行駛之后負荷急劇下降時，冷卻水的目標溫度也下降。然而，冷卻水的溫度不會像負荷那樣急劇地下降，因此比目標溫度高的高溫狀態(tài)在某種程度上持續(xù)。在這種狀態(tài)下，生成水易于蒸發(fā)。因而，雖然負荷變小，但是若立刻改變與該負荷相應的SR，則燃料電池堆易于陷入過度干燥。因此，此時并不一下子改變SR，而是暫且使其成為低于與負荷相應的SR的值(在本實施方式中為負荷A時的SR與負荷B時的SR的中間值)。然而，下次反而易于產生液泛。因此，在本實施方式中，此時使正極氣體(空氣)的流量以固定周期增加。其結果，強制性地排出殘留于燃料電池堆10的生成水，從而防止液泛。(第四實施方式)圖11是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第四實施方式的圖。在本實施方式中，正極氣體供給路徑21上設置有外界空氣壓力傳感器212。外界空氣壓力傳感器212對供給至燃料電池堆10的外界空氣的壓力進行檢測。在此說明本實施方式的基本概念。在供給至燃料電池堆10的外界空氣的壓力低的情況下(例如，假定在高地行駛)，與不是這樣的情況相比，正極氣體帶出的水分量變多。因此，當以相同的濕潤度為目標時，成為以比大氣壓下的運轉的SR低的SR運轉的情況而SR變小。因此，即使正極氣體流動也難以排出生成水。這樣，易于產生液泛。因此，此時使正極氣體(空氣)以固定周期增加。通過這樣，能夠強制性地排出殘留于燃料電池堆10的生成水，從而能夠防止液泛。下面說明具體的內容。圖12是表示本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制器(控制單元)所執(zhí)行的控制流程的圖。步驟Sll至步驟S14以及步驟S15至步驟S17與第一實施方式相同，因此省略詳情。在步驟S41中，控制器基于外界空氣壓力傳感器212的信號來檢測外界空氣壓力。在步驟S42中，控制器判斷檢測出的外界空氣壓力是否低于運轉模式變更壓力閾值。如果不低于運轉模式變更壓力閾值，則控制器將處理轉移至步驟S15，如果低于運轉模式變更壓力閾值，則控制器將處理轉移至步驟S43。
在步驟S43中，控制器設定外界空氣壓力低于壓力閾值時的運轉目標SR。圖13是表示執(zhí)行本實施方式的控制例程時的時序圖。在時刻t41之前，外界空氣壓力低于運轉模式變更壓力閾值。此時處理如下。檢測負荷電流(步驟Sll)，基于該負荷電流來設定最低SR(步驟S12)。另外，對燃料電池堆10的濕潤狀態(tài)(阻抗)進行檢測(步驟S13)，基于負荷電流和濕潤狀態(tài)來設定運轉目標SR(步驟S14)。還對外界空氣壓力進行檢測(步驟S41)，判斷外界空氣壓力是否低于運轉模式變更壓力閾值(步驟S42)。在時刻t41之前，外界空氣壓力低于運轉模式變更壓力閾值，因此進入步驟S43，設定外界空氣壓力低于壓力閾值時的運轉目標SR。該運轉目標SR低于最低SR (步驟S15:“是”)，因此控制運轉使得在實際SR變?yōu)檫\轉目標SR之后，實際SR以固定周期增加(步驟S17)。通過這樣，能夠強制性地排出殘留于燃料電池堆10的生成水，從而能夠防止液泛。在外界空氣壓力高于運轉模式變更壓力閾值的時刻t41以后，處理如下。檢測負荷電流(步驟Sll)，基于該負荷電流來設定最低SR(步驟S12)。另外，對燃料電池堆10的濕潤狀態(tài)(阻抗)進行檢測(步驟S13)，基于負荷電流和濕潤狀態(tài)來設定運轉目標SR(步驟S14)。還對外界空氣壓力進行檢測(步驟S41)，判斷外界空氣壓力是否低于運轉模式變更壓力閾值(步驟S42)。在時刻t41以后，外界空氣壓力高于運轉模式變更壓力閾值，因此處理轉移至步驟S15。而且，運轉目標SR高于最低SR(步驟S15 否”)，因此控制運轉使得變?yōu)檫\轉目標SR。如以上所說明的那樣，在供給至燃料電池堆10的外界空氣的壓力低的情況下，與不是這樣的情況相比，正極氣體帶出的水分量變多。因此，當以相同的濕潤度為目標時，成為以比大氣壓下的運轉的SR低的SR運轉的情況而SR變小。因此，即使正極氣體流動也難以排出生成水，從而易于產生液泛。因此，此時使正極氣體(空氣)以固定周期增加。其結果，強制性地排出殘留于燃料電池堆10的生成水，從而防止液泛。(第五實施方式)圖14是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第五實施方式的圖。在本實施方式中，正極氣體供給路徑21上設置有外界空氣濕度傳感器213。外界空氣濕度傳感器213對供給至燃料電池堆10的外界空氣的濕度進行檢測。在第四實施方式中使用了外界空氣壓力傳感器212，與此相對在本實施方式中使用外界空氣濕度傳感器213。圖15中示出了這種情況下的控制流程圖。即，控制器基于外界空氣濕度傳感器213的信號來檢測外界空氣濕度(步驟S51)，判斷檢測出的外界空氣濕度是否低于運轉模式變更濕度閾值(步驟S52)，如果低于運轉模式變更濕度閾值，則設定外界空氣濕度低于濕度閾值時的運轉目標SR(步驟S53)。圖16中示出了這種情況下的時序圖。即，在時刻t51之前，外界空氣濕度低于運轉模式變更濕度閾值。此時使實際SR以固定周期增加。這種情況也能夠得到與上述相同的效果。(第六實施方式)圖17是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第六實施方式的控制器(控制單元)所執(zhí)行的控制流程圖的圖。
步驟Sll至步驟S16與第一實施方式相同，因此省略詳情。在步驟S170中，控制器求出最低SR與運轉目標SR之差。在步驟S171中，差越小，控制器以越長周期來控制運轉。圖18是執(zhí)行本實施方式的控制例程時的時序圖。在時刻t61之前，運轉目標SR低于最低SR。此時，最低SR與運轉目標SR之差越大，周期越短。該差越小，周期越長。最低SR與運轉目標SR之差越大，生成水越易于殘留。因此，如果像本實施方式那樣差越大周期越短，則增減次數(shù)增加。其結果，可靠地排出生成水，更加有效地維持穩(wěn)定的發(fā)電。另外，如果差越小周期越長，則增減次數(shù)減少。其結果，抑制在排出生成水所需的次數(shù)，從而將排水所需的能量抑制在最低限度，因此運轉效率佳。(第七實施方式)圖19是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第七實施方式的控制器(控制單元)所執(zhí)行的控制流程的圖。步驟Sll至步驟S16以及步驟S170與第六實施方式相同，因此省略詳情。在步驟S172中，差越小，控制器使一個周期內的暫時增大時間越短。圖20是執(zhí)行本實施方式的控制例程時的時序圖。在時刻t71之前，運轉目標SR低于最低SR。此時，最低SR與運轉目標SR之差越大，一個周期內的暫時增大時間越長。該差越小，一個周期內的暫時增大時間越短。最低SR與運轉目標SR之差越大，生成水越易于殘留。因此，如果像本實施方式那樣差越大則一個周期內的暫時增大時間越長，因此將生成水排出到外部的動作時間長。其結果，可靠地排出生成水，更加有效地維持穩(wěn)定的發(fā)電。另外，差越小則一個周期內的暫時增大時間越短，因此將排水所需的能量抑制在最低限度，運轉效率佳。(第八實施方式)圖21是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第八實施方式的控制器(控制單元)所執(zhí)行的控制流程的圖。步驟Sll至步驟S16以及步驟S170與第六實施方式相同，因此省略詳情。在步驟S173中，控制器控制運轉，使得差越則一個周期內的SR的增大量(振幅)越小。圖22是執(zhí)行本實施方式的控制例程時的時序圖。在時刻t81之前，運轉目標SR低于最低SR。此時，最低SR與運轉目標SR之差越大則一個周期內的SR的增大量(振幅)越大。該差越小則一個周期內的SR的增大量(振幅)越小。最低SR與運轉目標SR之差越大，越會處于生成水易于殘留的狀態(tài)。因此，如果像本實施方式那樣差越大則一個周期內的SR的增大量(振幅)越大，因此將生成水排出到外部的運動壓力變大。其結果，可靠地排出生成水，更有效地維持穩(wěn)定的發(fā)電。另外，差越小則一個周期內的SR的增大量(振幅)越小，因此將排水所需的能量抑制在最低限度，運轉效率佳。以上，說明了本發(fā)明的實施方式，但是上述實施方式不過是示出了本發(fā)明的應用例的一部分，并非是將本發(fā)明的技術范圍限定于上述實施方式的具體結構的意思。
在上述實施方式中，設為通過阻抗來檢測濕潤度，但是也可以檢測各電池單元(cell)的電壓，基于該電池單元電壓來檢測濕潤度。另外，也可以基于燃料電池堆的總電壓來檢測濕潤度。還可以基于由設置在正極氣體出口的露點計檢測出的氣體出口露點來檢測濕潤度。并且，還可以基于氣體出口的液態(tài)水排出速度、液態(tài)水排出量等來檢測濕潤度。并且，在上述實施方式中，例示了在電解質膜的一個面上流動的正極氣體與在相反面上流動的負極氣體在相反方向上流動的情況。然而，在電解質膜的一個面上流動的正極氣體與在相反面上流動的負極氣體也可以在相同方向上流動。而且，上述實施方式能夠適當?shù)亟M合。本申請主張2010年9月17日向日本專利局申請的特愿2010-209062的優(yōu)先權，通過參照將該申請的全部內容引入本說明書中。
權利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括: 濕潤度檢測部(S13)，其對燃料電池堆(10)的濕潤度進行檢測； 目標SR設定部(S14、S34、S43、S53)，其基于上述濕潤度來設定燃料電池堆(10)的目標SR ； 最低SR設定部(S12)，其基于負荷來設定用于防止燃料電池堆(10)液泛所需的最低SR;以及 SR控制部(S17、S171、S172、S173)，其在上述目標SR低于上述最低SR時，進行控制使得實際SR暫時高于上 述最低SR。
2.根據權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 上述SR控制部(S17、S171、S172、S173)控制壓縮機(211)以使實際SR暫時高于上述最低SR，該壓縮機(211)設置在對上述燃料電池堆(10)供給正極氣體的正極氣體供給路徑(21)上。
3.根據權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 上述SR控制部(S17、S171、S172、S173)控制正極氣體壓力控制閥(221)以使實際SR暫時高于上述最低SR，該正極氣體壓力控制閥(221)設置在從上述燃料電池堆(10)排出的正極氣體的正極氣體排出路徑(22)上。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 上述濕潤度檢測部(S13)基于燃料電池堆(10)的阻抗來檢測燃料電池堆(10)的濕潤度， 上述目標SR設定部(S14)基于上述阻抗和負荷來設定目標SR。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 當冷卻水溫高于基于負荷設定的目標冷卻水溫時，上述目標SR設定部(S34)基于冷卻水溫和負荷來設定目標SR。
6.根據權利要求1至4中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 當外界空氣壓力低于運轉模式變更壓力閾值時，上述目標SR設定部(S43)設定外界空氣壓力低于壓力閾值時的目標SR。
7.根據權利要求1至4中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 當外界空氣濕度低于運轉模式變更濕度閾值時，上述目標SR設定部(S53)設定外界空氣濕度低于濕度閾值時的目標SR。
8.根據權利要求1至7中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 上述SR控制部(S17、S171、S172、S173)基于上述目標SR與上述最低SR之差來控制上述實際SR的周期性的變動。
9.根據權利要求1至8中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 上述目標SR與上述最低SR之差越大，上述SR控制部(S171)使上述實際SR的增大周期越短，上述目標SR與上述最低SR之差越小，上述SR控制部(S171)使上述實際SR的增大周期越長。
10.根據權利要求1至9中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 上述目標SR與上述最低SR之差越大，上述SR控制部(S172)使一個周期內的暫時增大時間越長，上述目標SR與上述最低SR之差越小，上述SR控制部(S172)使一個周期內的暫時增大時間越短。
11.根據權利要求1至10中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 上述目標SR與上述最低SR之差越大，上述SR控制部(S173)使一個周期內的實際SR的增大量越大，上述目標SR與上述最低SR之差越小，上述SR控制部(S173)使一個周期內的實際SR的增大量越小。
12.一種燃料電池系統(tǒng)，通過正極氣體的流量來控制燃料電池堆(10)的濕潤度，其特征在于， 包括控制部(S17、S171、S172、S173)，該控制部在與上述濕潤度相應的正極氣體的流量為規(guī)定流量以下 時，使正極氣體的流量發(fā)生變動。
全文摘要
燃料電池系統(tǒng)包括濕潤度檢測部，其對燃料電池堆的濕潤度進行檢測；目標SR設定部，其基于濕潤度來設定燃料電池堆的目標SR；最低SR設定部，其基于負荷來設定防止燃料電池堆液泛所需的最低SR；以及SR控制部，其在目標SR低于最低SR時，進行控制使得實際SR暫時高于最低SR。
文檔編號H01M8/10GK103098282SQ20118004385
公開日2013年5月8日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權日2010年9月17日
發(fā)明者各務文雄, 藤井隆宏 申請人:日產自動車株式會社