[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用于燃料电池系统的控制方法。

背景技术

已经实际上使用了包括被供应有反应气体(燃料气体和氧化气体)以产生电力的燃料电池的燃料电池系统。在该燃料电池系统中，为了在燃料电池中确保稳定的发电，通常地将稍微地大于与从负载装置要求的动力(负载请求)对应的相应气体量的反应气体供应到燃料电池。这里，供应气体量(实际上，供应到燃料电池的气体量)与相应基准气体量(对应于负载请求的气体量)的比率可以被称作“化学计量比率”。

当前地，提出了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括用于对于构成燃料电池的每一个单电池计算反应气体的化学计量比率(电池化学计量比率)的装置和用于当对应的电池化学计量比率低于预定值时增加供应的反应气体量的装置(例如见日本专利申请公报No.2007-184202(JP2007-184202A))。

然而，在JP2007-184202A中描述的现有燃料电池系统中，确保所期望的化学计量比率是可能的；然而，它不被设计成抑制动力损失，从而诸如氢气的燃料可能被不必要地消耗。特别地，当前，为了避免在加速期间暂时的燃料不足(由于循环泵的响应延迟等)，采用了用于在低负载区域中保持高氢气浓度的技术，从而存在在低负载区域中燃料损失增加的问题。

另外，近年来，为了防止燃料电池变干，已经试图通过减小构成燃料电池的电解质膜的厚度来增加从阴极转移到阳极的水的量。然而，当以此方式减小电解质膜的厚度时，担心新的问题，即，从阳极渗透到阴极的氢气的量如此之多地增加并且结果为发电供应的氢气在没有与空气反应的情况下在阴极中燃烧并且消耗。因此，为了采用这种薄的电解质膜，已经预期进一步的技术革新从而抑制燃料损失。

发明内容

本发明提供能够在确保化学计量比率的同时最小化燃料损失的一种燃料电池系统和一种用于燃料电池系统的控制方法。

本发明的第一方面提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：燃料电池，其被供应有燃料气体以产生电力；燃料供应流动通道，其使从燃料供应源供应的燃料气体流动到燃料电池；压力调节阀，其调节通过燃料供应流动通道流动的燃料气体的压力；燃料循环流动通道，其将从燃料电池排放的气体返回到燃料供应流动通道；循环泵，其将在燃料循环流动通道中的气体给付到燃料供应流动通道；排放阀，其将在燃料循环流动通道中的气体排放到外部；和控制装置，其控制压力调节阀、循环泵和排放阀，使得在确保燃料电池产生电力所要求的氢气化学计量比的同时，从燃料电池的阳极渗透到燃料电池的阴极的氢气的量、用于产生与循环泵的动力损失对应的电力的氢气的量和通过排放阀排放的氢气的量的总和为最小。

另外，本发明的第二方面提供一种用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统包括：燃料电池，其被供应有燃料气体以产生电力；燃料供应流动通道，其使从燃料供应源供应的燃料气体流动到燃料电池；压力调节阀，其调节通过燃料供应流动通道流动的燃料气体的压力；燃料循环流动通道，其将从燃料电池排放的气体返回到燃料供应流动通道；循环泵，其将在燃料循环流动通道中的气体给付到燃料供应流动通道；和排放阀，其将在燃料循环流动通道中的气体排放到外部。该方法包括：控制压力调节阀、循环泵和排放阀，使得在确保燃料电池产生电力所要求的氢气化学计量比的同时，从燃料电池的阳极渗透到燃料电池的阴极的氢气的量、用于产生与循环泵的动力损失对应的电力的氢气的量和通过排放阀排放的氢气的量的总和为最小。

利用以上配置和方法，在确保燃料电池产生电力要求的氢气化学计量比率的同时最小化燃料损失是可能的。这里，氢气化学计量比率意味着通过将供应的氢气量(实际上供应到燃料电池的氢气的量)除以氢气的基准量(对应于从负载装置要求的动力的氢气的量)而获得的值。

在根据本发明上述方面的燃料电池系统(控制方法)中，控制装置(控制步骤)可以在从负载装置要求的功率小于或者等于预定阈值的负载区域中，控制压力调节阀和排放阀，使得实际氢气分压力不高于最佳氢气分压力，在该最佳氢气分压力下，该总和最小。

利用上述配置(方法)，在低负载区域(其中从负载装置要求的输出小于或者等于预定阈值的负载区域)中，控制压力调节阀和排放阀，使得氢气分压力(氢气压力与燃料电池中的总气体压力的比率)不高于最佳氢气分压力是可能的。因此，减小作为在增加氢气化学计量比率时的最大损失的渗透氢气损失(crossover hydrogen loss)(从燃料电池的阳极渗透到燃料电池的阴极的氢气的量)是可能的，从而有效率地抑制燃料损失是可能的。