[发明专利]燃料电池系统和用于燃料电池系统的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统和一种燃料电池系统的控制方法。

背景技术

通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应生成电力的燃料电池作为能源引起了关注。燃料电池包括聚合物电解质燃料电池，其使用聚合物电解质膜作为电解质膜。聚合物电解质燃料电池一般使用膜电极组件，在膜电极组件中阳极和阴极分别被结合到电解质膜的两个表面。因而，在聚合物电解质燃料电池中，为了获得期望的发电性能，必需使电解质膜保持在适当的潮湿状态以因此适当地维持电解质膜的质子导电性。

在这种聚合物电解质燃料电池中，在发电期间，出现在膜电极组件的电解质膜平面之内不均匀的含水量分布（潮湿状态的不均匀的分布），并且该不均匀的含水量分布可能引起不均匀的发电分布。因而，当出现在电解质膜平面之内含水量局部不足时，在另一个不存在含水量不足的区域中每单位面积的发电量可能超过容许值。在下文中，在膜电极组件中，每单位面积的发电量局部地超过容许值的事实被称为“发电局部集中”或“局部发电集中”。因而，发电集中导致膜电极组件的局部劣化。另外，例如，在用于使氧化剂气体沿着阴极表面流动的氧化剂气体流动通道中，可能出现在发电期间产生的保持为液态的水的残余水的不均匀分布，并且残余水分布也可能引起不均匀的发电分布。于是，当在氧化剂气体流动通道中存在残余水量局部过多时，因为供应至阴极的一部分区域的氧化剂气体变得不足，所以在氧化剂气体没有供应不足的另一个区域发电局部集中，由此导致膜电极组件的局部劣化。这也适用于用于使燃料气体沿着阳极表面流动的燃料气体流动通道。即，由于在膜电极组件的平面之内的水分布（上述的含水量分布和残余水分布）造成的局部发电集中导致膜电极组件的局部劣化。另外，在膜电极组件的平面之内不均匀的温度分布也引起不均匀的发电分布，因此导致膜电极组件的局部劣化。于是，膜电极组件的局部劣化导致燃料电池整体很早的劣化。

因此，已经提出了用于使膜电极组件的平面之内发电分布一致的各种技术。例如，日本专利申请公开No.2007-317553（JP-A-2007-317553）描述了一种用于燃料电池系统的技术，其中在电池（燃料电池）的发电平面之内沿着氧化剂气体流动的方向在至少两个位置提供了温度测量装置和电池电压测量装置，基于由温度测量装置测量的温度差和由电池电压测量装置测量的电压差估计发电平面之内的不均匀的发电分布，然后供应至燃料电池的冷却剂或氧化剂气体的量随着不均匀的发电分布的增加而增加。那么，JP-A-2007-317553描述了，利用上述的技术，能够降低由于显著的不均匀发电分布所产生的发电平面之内局部电流集中导致的温度增加的影响。

然而，在JP-A-2007-317553中描述的技术中，没有考虑如上所述的由于水分布所造成的膜电极组件平面之内局部发电集中。另外，在JP-A-2007-317553中描述的技术中，温度测量装置和电池电压检测装置被提供在电池发电平面之内，所以存在以下问题，燃料电池的配置复杂或者温度测量装置和电池电压检测装置干扰了在发电平面之内流动的气体。

发明内容

本发明提供了一种燃料电池系统和一种用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统和用于燃料电池系统的控制方法抑制了在聚合物电解质燃料电池中由于水分布而造成的在膜电极组件的平面之内局部发电集中而导致的膜电极组件的局部劣化。

本发明被考虑为解决了至少部分的上述问题，并且可以被实现为以下描述的实施例。

本发明的一个方面提供了燃料电池系统，包括：燃料电池，该燃料电池具有膜电极组件、燃料气体流动通道以及氧化剂气体流动通道，在该膜电极组件中阳极和阴极被分别结合到由固体聚合物形成的电解质膜的两个表面，燃料气体流动通道用于使燃料气体沿着阳极的表面流动，氧化剂气体流动通道用于使氧化剂气体沿着阴极的表面流动；燃料气体供应/排出单元，该燃料气体供应/排出单元经由燃料气体流动通道将燃料气体供应到阳极并且排出从阳极排放的阳极废气；以及氧化剂气体供应/排出单元，该氧化剂气体供应/排出单元经由氧化剂气体流动通道将氧化剂气体供应到阴极并且排出从阴极排放的阴极废气。该燃料电池系统包括：发电集中确定单元，该发电集中确定单元被配置为确定在燃料电池中是否存在由于水分布而导致在膜电极组件的平面之内产生的局部发电集中的现象，水分布包括在电解质膜的平面之内的含水量分布、在燃料气体流动通道中的残余水分布和在氧化剂气体流动通道中的残余水分布；以及控制单元，该控制单元被配置为，当发电集中确定单元确定存在该现象时，对燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元中的至少一个进行控制，以便消除该现象。