燃料电池的控制装置及燃料电池系统 【技术领域】
本发明涉及一种燃料电池的控制装置及燃料电池系统。
背景技术
存在一种燃料电池，其具备电解质膜、设置在该电解质膜的一侧的氧化剂极、和设置在另一侧的燃料极，通过供给到氧化剂极的包含氧的空气等的氧化剂气体和供给到燃料极的包含氢的燃料气体进行发电(例如参照日本特开平5-47394号公报、日本特开2004-127914号公报及日本特开2004-220794号公报)。
在日本特开平5-47394号公报中，公示了将燃料电池的固体高分子电解质的含水状态维持在最佳状态，并可进行稳定的电池运转的技术。具体而言，公示了在燃料电池的电流电压特性降低且固体高分子电解质的导电度增大的情况下，使供给用反应气体中的水分加湿量减少，在燃料电池的电流电压特性降低且固体高分子电解质的导电度较低的情况下，使水分加湿量增加。
另外，在日本特开2004-127914号公报中公示了根据燃料电池的水分状态的诊断结果控制氧化剂气体的压力和燃料气体的压力之间的压力差的技术。具体而言，在日本特开2004-127914号公报中，在诊断为水分过剩的情况下，控制压力差以使燃料气体的压力相对于氧化剂气体的压力变高，由此，抑制水从空气极侧向燃料极侧的扩散，并防止水滞留在燃料极的电极部位。另一方面，在判断为水分不足的情况下，控制压力差以使燃料气体的压力相对于氧化剂气体的压力变低，由此，促进水从空气极侧向燃料极侧的移动，迅速地进行向电解质膜的含水。
另外，在日本特开2004-220794号公报中，公示了利用由于氢或空气的供给量、压力过大或不足引起的燃料电池的电流电压特性变化，不使用阳极压力传感器及阴极压力传感器地使阳极压力和阴极压力的压力差为一定的技术。具体而言，在日本特开2004-220794号公报中，公示了在实际电压值比预先存储的基于电流电压特性的基准电压值小时，进行校正以使燃料气体或氧化剂气体的压力增加。在该技术中，利用了能够通过对照实际电压值和基准电压值来判断氢或空气的供给是否不足这一点。
然而，在燃料电池中，在氧化剂极的水分浓度较高时，产生水吸附在氧化剂极的催化剂的表面的现象或在氧化剂极的催化剂的表面生成羟基的现象，由此催化剂的活性降低，燃料电池的输出降低。
对于这样的因氧化剂极的水分浓度较高造成的燃料电池的输出降低的对策，在上述任意文献中都没有公开。
【发明内容】
因此，本发明提供一种燃料电池的控制装置，其可减少因氧化剂极的水分浓度较高造成的燃料电池的输出地降低。
本发明的燃料电池的控制装置，所述燃料电池具有电解质膜、设置在上述电解质膜的一侧的氧化剂极、和设置在上述电解质膜的另一侧的燃料极，利用供给到上述氧化剂极的氧化剂气体和供给到上述燃料极的燃料气体进行发电，所述燃料电池的控制装置的特征在于，在上述燃料电池的电流电压特性比规定的基准降低且上述电解质膜没有比规定的基准干燥的情况下，进行使上述氧化剂极的气体压力上升的控制。
在本发明的一方式中，作为上述控制进行如下所述的第一控制：在从高负荷运转向低负荷运转转移时的高负荷运转结束后使上述氧化剂极的气体压力上升。
另外，在本发明的一方式中，在上述第一控制不能使上述电流电压特性的降低充分减少的情况下，作为上述控制进行如下所述的第二控制：在从低负荷运转向高负荷运转转移时的高负荷运转开始前使上述氧化剂极的气体压力上升。
本发明的燃料电池系统，包括：燃料电池，具有电解质膜、设置在上述电解质膜的一侧的氧化剂极、和设置在上述电解质膜的另一侧的燃料极，利用供给到上述氧化剂极的氧化剂气体和供给到上述燃料极的燃料气体进行发电；及上述任意一项所述控制装置，对所述燃料电池进行控制。
根据本发明，提供一种燃料电池的控制装置，可减少因在氧化剂极的水分浓度较高造成的燃料电池的输出的降低。
【附图说明】
图1是表示实施方式的燃料电池系统的构成的概略图。
图2是表示燃料电池的构成的概略剖面图。
图3是表示第一控制的阴极背压及输出电流的一个例子的时间图。
图4是表示第二控制的阴极背压及输出电流的一个例子的时间图。
图5是表示低负荷运转时及高负荷运转时的阴极背压及输出电流的一个例子的时间图。
图6是表示由控制装置执行的处理的流程图。
标号说明
1燃料电池系统
10燃料电池
11电解质膜
12氧化剂极
13燃料极
14氧化剂气体流路
15燃料气体流路
16、17扩散层
21压缩机
22氧化剂供给流路
23氧化剂排出流路
24压力调整阀
31氢罐
32燃料供给流路
33循环流路
34压力调整阀
35燃料排出流路
36清洁阀
38氢泵
41外部负载
42电压传感器
43电流传感器
44阻抗测定部
50控制装置
【具体实施方式】
以下，根据附图说明本发明的实施方式。
图1是表示本实施方式的燃料电池系统1的构成的概略图。该燃料电池系统1是使用氧化剂气体和燃料气体进行发电的系统，在本实施方式中搭载在燃料电池汽车上。但是，燃料电池系统1也可以适用于燃料电池汽车以外。
在图1中，燃料电池系统1具有燃料电池10。该燃料电池10接受氧化剂气体和燃料气体的供给而进行发电。具体而言，氧化剂气体是包含氧的空气等的气体，燃料气体是包含氢的气体，燃料电池10利用氢和氧的电化学反应进行发电。燃料电池10例如是固体高分子型的燃料电池。
图2是表示燃料电池10的构成的概略剖面图。以下参照图2对燃料电池10的构成进行说明。在本实施方式中，燃料电池10具有层积多个单体电池的堆叠构造，在图2中，为了便于说明表示了单个电池。
在图2中，燃料电池10包括电解质膜11、设置在电解质膜11的一侧的面上的氧化剂极(称为阴极)12、设置在电解质膜11的另一侧的面上的燃料极(称为阳极)13。具体而言，燃料电池10包括在电解质膜11上接合氧化剂极12及燃料极13而成的膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)。
在氧化剂极12的外面侧设有沿氧化剂极12的面向氧化剂极12供给氧化剂气体的氧化剂气体流路14，在燃料极13的外面侧设有沿燃料极13的面向燃料极13供给燃料气体的燃料气体流路15。具体而言，在氧化剂极12的外面侧经由扩散层16设置有形成氧化剂气体流路14的隔板，在燃料极13的外面侧经由扩散层17设置有形成燃料气体流路15的隔板。
在此，对燃料电池10的发电作用进行说明。向氧化剂气体流路14经由其入口14A供给氧化剂气体，由此向氧化剂极12供给氧化剂气体。另一方面，向燃料气体流路15经由其入口15A供给燃料气体，由此向燃料极13供给燃料气体。燃料电池10使用供给到氧化剂极12的氧化剂气体和供给到燃料极13的燃料气体进行发电。具体而言，通过铂的催化剂作用等，在燃料极13侧发生下述式(1)所示的反应，在氧化剂极12侧发生下述式(2)所示的反应，整体发生下述式(3)所示的起电反应。
H2→2H++2e-…(1)
2H++(1/2)O2+2e-→H2O…(2)
H2+(1/2)O2→H2O…(3)
并且，从氧化剂气体流路14经由其出口14B排出阴极废气，从燃料气体流路15经由其出口15B排出阳极废气。
再次参照图1，在氧化剂气体流路14的入口连接有将从压缩机21供给的空气向氧化剂气体流路14引导的氧化剂供给流路22，在氧化剂气体流路14的出口连接有将从该氧化剂气体流路14排出的阴极废气向外部引导的氧化剂排出流路23。在氧化剂排出流路23上设置有用于调整该流路内的气体的压力(即阴极背压)的压力调整阀24。虽然图1没有图示，但是在与氧化剂气体流路14连接的流路22、23上适当设置有测定流路内的气体的压力的压力传感器、测定流路内的气体流量的流量传感器、用于开闭流路的阀(空气关闭阀)、加湿模块等。
另一方面，在燃料气体流路15的入口连接有将从贮存高压氢气的氢罐31供给的氢向燃料气体流路15引导的燃料供给流路32，在燃料气体流路15的出口连接有使从该燃料气体流路15排出的阳极废气返回燃料供给流路32的循环流路33。在燃料供给流路32上设置有调整该流路内的气体的压力的压力调整阀34。在循环流路33上设置有用于使氢循环的氢泵38。另外，在循环流路33上连接有将从燃料气体流路15排出的阳极废气向外部引导的燃料排出流路35，在该燃料排出流路35上设有开闭该流路的清洁阀36。虽然图1未图示，但是在与燃料气体流路15连接的流路32、33上适当设置有测定流路内的压力的压力传感器、测定流路内的气体的流量的流量传感器、和用于开闭流路的阀(空气关闭阀)等。
在燃料电池10上电连接外部负载41。外部负载41例如是DC/DC转换器、经由该DC/DC转换器与燃料电池10连接的负载(例如二次电池、电容器、辅机、电阻体等)。
进而，燃料电池系统1具有测定燃料电池10的输出电压的电压传感器42、测定燃料电池的输出电流的电流传感器43、测定燃料电池10的阻抗的阻抗测定部44、对燃料电池系统1整体进行控制的控制装置50。控制装置50具体而言基于各种输入信息(电压传感器42、电流传感器43及阻抗测定部44的输出值等)，对被控制装置(压缩机21、压力调整阀24、氢泵38、压力调整阀34等)进行控制。
控制装置50可通过适当的构成实现，但是在本实施方式中，包含CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、主存储器等而构成，控制装置的功能通过由CPU执行存储在ROM等存储介质中的控制程序而实现。
在上述构成中，在氧化剂极12的水分浓度较高时，产生水在氧化剂极12的催化剂的表面上物理吸附的现象或在氧化剂极12的催化剂的表面上生成羟基的现象，由此催化剂的活性降低，燃料电池10的输出降低。
这样的情况例如在以低压(例如140kPa abs以下)的阴极压连续运转时出现。另外，特别是在反复进行低负荷运转和高负荷运转时显著出现。因此，在燃料电池汽车中，在反复空转和WOT(Wide OpenThrottle：全开油门)时显著出现。具体而言，在反复进行低负荷运转和高负荷运转时，燃料电池的输出逐渐降低。
在燃料电池10的电流电压特性降低、且电解质膜11未干燥的情况下，存在由于上述现象引起电流电压特性降低的可能性。
本发明的申请人发现在由于氧化剂极12的水分浓度较高产生的燃料电池的输出降低的情况下，通过使氧化剂极12的气体压力上升，能够减少(恢复或抑制)输出降低。作为一个推测，考虑氧化剂极12的气体压力上升时，在氧化剂极12的水蒸气浓度降低，由此，产生水向催化剂的吸附量降低、水从催化剂脱离、抑制羟基的生成、羟基从催化剂脱离。
由上所述，在本实施方式中，为了应对因在上述氧化剂极12的水分浓度较高造成的燃料电池10的输出的降低，控制装置50进行如下的控制。即，在燃料电池10的电流电压特性比规定的基准降低且电解质膜11没有比规定的基准干燥的情况下，控制装置50进行使氧化剂极12的气体压力上升的控制。
对于上述“燃料电池10的电流电压特性比规定的基准降低”进行说明。具体而言，控制装置50取得燃料电池10的电流电压特性的实测值，并基于该实测值判断燃料电池10的电流电压特性是否比规定的基准降低。更具体而言，控制装置50对电流电压特性的实测值和预先存储的电流电压特性的推定值进行比较，并在两者的差为规定值以上的情况下判断为降低，在不是上述情况时判断为没有降低。电流电压特性的实测值例如是某一输出电流的输出电压的实测值、某一输出电压的输出电流的实测值。电流电压特性的推定值例如根据为了决定与要求输出相对应的输出电压及输出电流的目标值而预先准备的电流电压特性映射来求出。在本实施方式中，作为判断对象的电流电压特性的降低是燃料电池10的电流电压特性自身的降低，不是氧化剂气体、燃料气体的不足引起的输出电压、输出电流的降低。因此，在本实施方式中，电流电压特性的实测值和推定值的比较是在统一气体压力和流量等的运转条件的基础上进行的。
对上述“电解质膜11没有比规定的基准干燥”进行说明。具体而言，控制装置50取得表示电解质膜11的湿润状态的信息，并基于该信息判断电解质膜11是否比规定的基准干燥。例如，控制装置50取得燃料电池10的阻抗，在该阻抗为规定值以上的情况下判断为干燥，并在不是上述情况时判断为不干燥。但是，电解质膜11是否干燥也可以通过其他的方法进行判断。
对上述“进行使氧化剂极12的气体压力上升的控制”进行说明。具体而言，在判断燃料电池10的电流电压特性比规定的基准降低且判断电解质膜11没有比规定的基准干燥的情况下，控制装置50进行使氧化剂极12的气体压力上升的控制。例如，控制装置50控制压力调整阀24、压缩机21，使氧化剂极12的气体压力上升。在此，“氧化剂极12的气体压力”具体是氧化剂气体流路14内的气体的压力。另外，所谓“使氧化剂极12的气体压力上升”是指使氧化剂极12的气体压力比通常控制时的氧化剂极12的气体压力上升。具体而言，是指将与目标输出相对应的预先设定的气体压力，例如将在预先准备的控制映射中与目标输出对应的气体压力作为基准，使气体压力上升。
在本实施方式中，控制装置50根据能量效率的观点，作为上述控制进行如下所述的第一控制：在从高负荷运转向低负荷运转转移时的高负荷运转结束后使氧化剂极12的气体压力上升。具体而言，控制装置50如图3所示，在高负荷运转结束后，暂时地，例如通过缩小压力调整阀24的开度(在一个方式中全闭)，提高阴极背压。在燃料电池汽车的一个方式中，在油门关闭时，使压力调整阀24的开度关闭数秒，使油门刚关闭后的空转运转时或间歇运转时的阴极背压暂时升压。
并且，控制装置50在上述第一控制不能使电流电压特性的降低充分减少的情况下，作为上述控制进行如下所述的第二控制：在从低负荷运转向高负荷运转转移时的高负荷运转开始前使氧化剂极12的气体压力上升。所述第二控制与第一控制比较，虽然在能量效率方面较差，但是对于电流电压特性的降低能够获得较高的减少效果。
对上述“在第一控制中不能使电流电压特性的降低充分减少的情况”进行说明。具体而言，控制装置50基于规定的判断基准判断由上述第一控制是否能够使电流电压特性的降低充分减少，在判断为不能减少的情况下，进行上述第二控制。在此，控制装置50也可以在第一控制中不能使电流电压特性充分恢复的情况下进行第二控制，也可以在第一控制不能充分抑制电流电压特性的降低的情况下进行第二控制。在一个方式中，控制装置50在电流电压特性的实测值相对于推定值降低规定值以上的情况，首先进行第一控制，其后在实测值再次相对于推定值降低上述规定值以上的情况下，进行第二控制。
对上述“第二控制”进行说明。具体而言，控制装置50如图4所示，在高输出要求时等的高负荷运转即将开始前，暂时地，例如缩小压力调整阀24的开度(在一个方式中全闭)，从而提高阴极背压。在燃料电池汽车的一个方式中，在油门打开时，关闭压力调整阀24的开度而使阴极背压暂时地上升。
使氧化剂极12的气体压力上升的时期不限于上述第一控制的时期、第二控制的时期。例如，可以在空转时等的低负荷运转时(例如图5的期间A)使气体压力上升，也可以在WOT时等高负荷运转时(例如图5的期间B)使气体压力上升。
以下具体地对本实施方式的燃料电池系统1的动作进行说明。
控制装置50根据要求输出，基于预先设定的燃料电池10的电流电压特性映射(I-V特性映射)决定输出电压及输出电流的目标值。并且，控制装置50根据输出电压及输出电流的目标值，基于预先设定的控制映射，决定向氧化剂极12供给的空气的压力及流量以及向燃料极13供给的氢的压力及流量的目标值。并且，控制装置50控制压力调整阀24、压缩机21、压力调整阀34、氢泵38以使向氧化剂极12供给的空气的压力及流量以及向燃料极13供给的氢的压力及流量分别达到目标值。在优选的一方式中，在将压力控制为目标值时，使用压力传感器。另外，在优选的一方式中，在将流量控制为目标值时，使用流量传感器。
通过上述控制装置50的控制，从氢罐31经由燃料供给流路32向燃料气体流路15供给氢，从压缩机21经由氧化剂供给流路22向氧化剂气体流路14供给空气，燃料电池10发电。
从燃料气体流路15排出包含没有用于反应的氢的阳极废气，该阳极废气通过循环流路33而再次向燃料气体流路15供给。此时，在阳极废气中包含氢以外的杂质，因此在循环中该阳极废气中的氢浓度降低。因此，在适当的时间打开清洁阀36，氢浓度降低的阳极废气通过燃料排出流路35排出到外部。
另一方面，从氧化剂气体流路14排出阴极废气，该阴极废气通过氧化剂排出流路23排出到外部。
在本实施方式中，为了应对因氧化剂极12的水分浓度较高造成的燃料电池10的输出的降低，控制装置50进行如图6所示的处理。该图6所示的处理适当反复进行。
在图6中，控制装置50使用电压传感器42及电流传感器43，取得燃料电池10的电流电压特性的实测值(S1)。
另外，控制装置50取得由阻抗测定部44测定的燃料电池10的阻抗(S2)。
并且，控制装置50判断取得的电流电压特性的实测值是否比推定值降低规定值以上且判断取得的阻抗是否为规定值以下(S3)。
在步骤S3的判断结果为“否”的情况下，结束处理。
另一方面，在步骤S3的判断结果为“是”的情况下，即判断为实测值比推定值降低规定值以上且阻抗为规定值以下的情况下，控制装置50判断是否为执行当前的第一控制中(S4)。
并且，在不是正在执行第一控制的情况下(S4：否)，控制装置50开始进行在高负荷运转结束后使氧化剂极12的气体压力上升的第一控制(S5)。具体而言，在油门刚关闭后，开始暂时地(20秒左右)关闭压力调整阀24来提高阴极背压的控制。
另一方面，在正在执行第一控制的情况下(S4：是)，控制装置50开始进行在高负荷运转开始前使氧化剂极12的气体压力上升的第二控制(S6)。具体而言，在高输出要求时开始控制，首先关闭压力调整阀24来提高阴极背压。
上述第一及第二控制例如在电流电压特性恢复了规定以上的情况下结束。
如上所述，在本实施方式中，所述燃料电池具备电解质膜、设置在电解质膜的一侧的氧化剂极、和设置在电解质膜的另一侧的燃料极，所述燃料电池通过供给到氧化剂极的氧化剂气体和供给到燃料极的燃料气体进行发电，在燃料电池的电流电压特性比规定的基准降低且电解质膜没有比规定的基准干燥时，进行使氧化剂的气体压力上升的控制。因此，根据本实施方式，可减少因氧化剂极的水分浓度较高造成的燃料电池的输出的降低。
另外，在本实施方式中，作为上述控制进行如下所述的第一控制：在从高负荷运转向低负荷运转转移时的高负荷运转结束后使氧化剂极的气体压力上升。根据该方式，可能量效率较高地进行上述控制。
另外，在本实施方式中，在上述第一控制不能使电流电压特性的降低充分减少时，作为上述控制进行如下所述的第二控制：在从低负荷向高负荷运转转移时的高负荷运转开始前使氧化剂极的气体压力上升。根据该方式，在第一控制不能充分恢复或抑制电流电压特性的降低的情况下，可实现充分的恢复、抑制。
本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可进行各种变更。
例如，也可以取代上述压力调整阀34而设置喷射器，燃料气体的压力也可以通过控制喷射器的开闭而被调整。