[发明专利]燃料电池系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及提供有燃料电池的燃料电池系统以及该系统的控制方法。

背景技术

一种已知的燃料电池具有其中电解质膜夹在一个电极（即，阴极）的催化剂层和另一电极（即，阳极）的催化剂层之间的结构，并且该结构随后夹在一个电极的气体扩散层和另一电极的气体扩散层之间。如果燃料电池在低于冰点的温度条件下停止，则燃料电池中（即，在气体扩散层中，以及在催化剂层和气体扩散层之间）剩余的水可能冻结。如果燃料电池随后被激活而剩余的水冻结，则可能阻碍向电解质膜供应反应气体。因此，日本专利申请公布No.2008-140734(JP-A-140734)提出了一种燃料电池系统，其根据燃料电池的温度清除剩余的水。并且，利用该清除剩余的水的结构，有可能由于去除了太多的水汽而导致燃料电池的性能可能下降。因此，日本专利申请公布No.2007-35516（JP-A-2007-35516）提出了一种燃料电池系统，其基于燃料电池的电压值估计电解质膜的干燥状态，并在电解质膜处于干燥时通过抑制输出电流来防止燃料电池的电压降至0V或以下。

如果当阴极侧剩余的水冻结时燃料电池被激活，则可能阻碍将阴极侧的反应气体（诸如空气）供应给电解质膜。因此，在阴极侧，发生氢离子（下文中也称为质子）的还原反应而不是在正常发电时发生的水形成反应。当由于该还原反应而导致质子的消耗增长，质子经由电解质膜从阳极侧行进到阴极侧。此时，随着质子的移动大量的水行进到阴极侧。

在此，因为气体扩散层中的水以及催化剂层和气体扩散层之间中的水冻结，已经随着质子的移动而行进到阴极侧的水（即电渗水）没有通过气体扩散层向外排放，而是聚积在催化剂层中并冻结。通常，催化剂层具有很多孔并且电渗水聚积在这些孔中。流动的电渗水的量逐渐增加，并且当其达到超过阴极侧催化剂层中的孔的总体积的量时，电渗水聚积在电解质膜和阴极侧催化剂层之间并冻结。因此，阴极侧的催化剂层与电解质膜分离，损害燃料电池。

然而，在过去，对于这种问题完全没有足够的创新。例如，在诸如上述结构的清除剩余的水的结构中，如果清除不充分并且还有剩余的水残留，则可能出现上述问题。并且，对于基于燃料电池的电压值估计干燥状态并且在电解质膜处于干燥时抑制输出电流的结构，电解质膜的干燥状态仅是估计的，因此不能准确地检测存在剩余的水。因此，不仅可能发生上述的问题，而且输出可能受到不必要的限制。

发明内容

本发明防止由于燃料电池中的水冻结而导致的催化剂层与电解质膜相分离。

本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统，包括：燃料电池，所述燃料电池具有电解质膜、以及阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层，所述阴极侧催化剂层和所述阳极侧催化剂层具有多个细孔并且被布置为与所述电解质膜相接触；阴极流入水量确定部，所述阴极流入水量确定部用于确定阴极流入水量，所述阴极流入水量是指在所述燃料电池启动之后随着所述燃料电池的发电而产生的、经由所述电解质膜流进所述阴极侧催化剂层的水的量；细孔体积获取部，所述细孔体积获取部用于获取细孔总体积，所述细孔总体积是指在所述阴极侧催化剂层中的所述多个细孔的体积；操作条件确定部，所述操作条件确定部用于基于所确定的阴极流入水量和所获取的细孔总体积来确定所述燃料电池的操作条件，以使所述阴极流入水量在等于或小于所述细孔总体积的范围内，其中，所述操作条件包括流经所述燃料电池的电流的电流值以及该电流流经所述燃料电池的时间段的上限值；以及电流调节部，所述电流调节部用于调节所述电流值和所述电流值的电流流过的时间段，以使得实现所确定的操作条件。

确定燃料电池的操作条件（即，流经燃料电池的电流的电流值和该电流流经燃料电池所用时间段的上限值）以使得阴极流入水量在等于或小于阴极侧催化剂层中多个细孔的体积的范围内，并且调节电流值和该电流值的电流流动的时间段，以使得实现所确定的操作条件。因此，可以使得阴极流入水量等于或小于细孔总体积。因而，可以抑制大于细孔体积的水量流进阴极侧催化剂层。因此，可以防止由于聚积的水的冻结而导致的阴极催化剂层与电解质膜分离。