專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)的起動控制。
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)中大多使用如下燃料電池在電解質(zhì)膜的兩側(cè)配置燃料極和氧化劑極，通過提供給燃料極的氫和提供給氧化劑極的空氣中的氧的電化學(xué)反應(yīng)進行發(fā)電，并且在氧化劑極生成水。這種燃料電池在比通常運轉(zhuǎn)溫度低的溫度下運轉(zhuǎn)時無法輸出預(yù)定電壓、電流，除此之外，在停止時溫度變?yōu)楸c以下而發(fā)生凍結(jié)等情況下，在起動后大多要進行預(yù)熱運轉(zhuǎn)， 直至達到通常運轉(zhuǎn)溫度。作為預(yù)熱運轉(zhuǎn)的方法大多是進行使提供給燃料電池的空氣供給量比通常的供給量少的低效運轉(zhuǎn)，通過增大的熱損失對燃料電池進行預(yù)熱。在這種預(yù)熱運轉(zhuǎn)中，當(dāng)提供給燃料電池的氫量不足時，存在因炭氧化而喪失催化齊U，或因發(fā)熱而使膜破損的情況。因此，當(dāng)在燃料電池中產(chǎn)生氫不足時，燃料電池的單電池電壓變?yōu)樨撾妷?。因此，提出了如下的方案在燃料電池預(yù)熱運轉(zhuǎn)時氫氣不足而變?yōu)樨撾妷簳r，禁止預(yù)熱運轉(zhuǎn)，或限制燃料電池的輸出(例如參照專利文獻1)。并且，在低溫下起動具有多個單電池的燃料電池時，提出了以下方案，其具有單電池理想配比計算單元，對各單位電池計算預(yù)定氣體的電池理想配比；氣體量增加單元，當(dāng)電池理想配比小于預(yù)定值時，增加預(yù)定氣體的供給量，即使因凍結(jié)而使氣體流路發(fā)生堵塞時，也可抑制因氣體不足而造成的燃料電池的老化，并且可在短時間內(nèi)進行燃料電池的預(yù)熱(例如參照專利文獻2)。并且，提出了以下的方法當(dāng)提供給燃料電池的燃料氣體的流量較少、正極側(cè)的氣體流路因排液等而堵塞時，通過正極排氣循環(huán)管路使正極排氣的一部分再循環(huán)到正極入口，從而吹散氣體流路內(nèi)的排液(例如參照專利文獻3)。此外，利用對燃料電池的氫氣供給壓力下降時發(fā)電效率下降的情況，提出了燃料電池起動時使對燃料電池的氫氣供給壓力比穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時降低以進行燃料電池的預(yù)熱的方法(例如參照專利文獻4)。專利文獻1 日本特開2008-198439號公報專利文獻2 日本特開2007-184202號公報專利文獻3 日本特開2006-1；34680號公報專利文獻4 日本特開2002-313388號公報

發(fā)明內(nèi)容
在燃料電池中，提供比發(fā)電所需的氫量多的氫，以便能夠進行穩(wěn)定的發(fā)電。因此， 提供給燃料電池的氫氣并不是全部反應(yīng)而變?yōu)殡娏敵?，一部分氫氣作為未反?yīng)氣體與系統(tǒng)內(nèi)的氮氣等一起從燃料電池的氫氣出口排出，通過氫氣循環(huán)泵再循環(huán)到氫氣入口。并且， 大多情況下如下構(gòu)成因運轉(zhuǎn)而使氫系統(tǒng)內(nèi)的氮氣等濃縮時，從氫系統(tǒng)將未反應(yīng)氣體排出到大氣，從而降低氮氣的分壓力，確保發(fā)電所需的氫分壓力。因此，從燃料電池的氫入口提供的氣體中，含有氫氣和氮氣。另一方面，當(dāng)燃料電池在冰點以下停止時，存在殘留于氫系統(tǒng)內(nèi)的水分凍結(jié)、堵塞氫氣流路的一部分的情況。當(dāng)氫系統(tǒng)變?yōu)檠h(huán)系統(tǒng)時，在堵塞的流路中流入氫和氮的混合氣體。氫通過發(fā)電被消耗，未反應(yīng)的氮氣不會從堵塞的流路排出，而在堵塞的流路中積存、濃縮。因此，發(fā)生堵塞的氫流路的氮的分壓力急速上升，產(chǎn)生發(fā)生堵塞的單電池的發(fā)電電壓變?yōu)樨撾妷旱膯栴}。因氫氣流路的氮積存而引起的負電壓的產(chǎn)生，是在燃料電池開始發(fā)電后產(chǎn)生的， 因此在專利文獻1、2所述的現(xiàn)有技術(shù)中存在以下問題在燃料電池起動后，在各單電池在變?yōu)樨撾妷旱臓顟B(tài)下進行預(yù)熱運轉(zhuǎn)，有時在冰點以下起動時燃料電池會發(fā)生老化。本發(fā)明的目的在于抑制在冰點以下起動時的燃料電池的老化。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的特征在于，其具有燃料電池，層壓有多個單電池，通過燃料氣體和氧化劑氣體的電化學(xué)反應(yīng)進行發(fā)電；壓力調(diào)節(jié)閥，設(shè)置在燃料箱和上述燃料電池的燃料氣體入口之間，調(diào)整上述燃料氣體入口的氣體壓力；氣體循環(huán)泵，使反應(yīng)后的燃料氣體從上述燃料電池的燃料氣體出口循環(huán)至上述燃料氣體入口 ；單電池電壓取得單元，取得各個單電池的電壓；以及控制部，進行上述氣體循環(huán)泵的起動停止和上述壓力調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)整；上述控制部具有堵塞判斷單元，在上述燃料電池起動時，調(diào)整上述壓力調(diào)節(jié)閥的開度，將燃料氣體導(dǎo)入到上述燃料氣體入口，使上述燃料氣體入口的氣體壓力為第1壓力，起動上述燃料氣體循環(huán)泵，當(dāng)由上述單電池電壓取得單元取得的各個上述單電池的電壓中的至少一個電壓低于預(yù)定電壓時，判斷為上述燃料電池內(nèi)部的燃料氣體流路中發(fā)生堵塞；以及堵塞消除單元，當(dāng)由上述堵塞判斷單元判斷為上述燃料氣體流路中發(fā)生堵塞時，調(diào)整上述壓力調(diào)節(jié)閥的開度，將燃料氣體導(dǎo)入到上述燃料氣體入口，使上述燃料入口的氣體壓力為比第1壓力高的第2壓力，使上述燃料氣體循環(huán)泵停止，消除上述燃料氣體流路的堵
O在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，上述堵塞消除單元降低上述燃料電池的輸出電流直至消除各個上述單電池的負電壓，然后使上述輸出電流上升至預(yù)定電流。在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，可具有單電池電流密度分布取得單元，檢測各個上述單電池的電流密度分布，上述堵塞判斷單元在由上述單電池電流密度分布取得單元取得的各個上述單電池的電流密度分布中存在閾值以上的不均時，判斷為上述燃料氣體流路中發(fā)生堵塞。在這里，上述單電池電流密度分布取得單元是設(shè)置于燃料氣體上游側(cè)和燃料氣體下游側(cè)的各個上述單電池上的各個局部電流檢測板組，當(dāng)由上述各個局部電流檢測板組中的燃料氣體上游側(cè)的局部電流檢測板檢測出的電流密度與由燃料氣體下游側(cè)的局部電流檢測板檢測出的電流密度之差為閾值以上時，判斷為上述燃料氣體流路中發(fā)生堵塞。本發(fā)明可起到抑制在冰點以下起動時的燃料電池的老化的效果。


圖1是表示本發(fā)明的實施方式中的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成的系統(tǒng)圖。圖2是本發(fā)明的實施方式中的燃料電池系統(tǒng)的起動的流程圖。圖3是表示本發(fā)明的實施方式中的燃料電池系統(tǒng)起動時的單電池電壓、氫入口總壓力、燃料電池輸出電流、氫循環(huán)泵的動作的時間圖。
圖4是預(yù)熱運轉(zhuǎn)時的燃料電池的電流、電壓特性。圖5是表示在本發(fā)明的實施方式中將氫入口總壓力加壓至第1壓力時的單電池內(nèi)的氫和氮的分壓力的說明圖。圖6是表示在本發(fā)明的實施方式中使氫入口總壓力在第1壓力下運轉(zhuǎn)后的單電池內(nèi)的氫和氮的分壓力的說明圖。圖7是表示在本發(fā)明的實施方式中將氫入口總壓力加壓至第2壓力時的電池內(nèi)的氫和氮的分壓力的說明圖。圖8是表示在本發(fā)明的實施方式中堵塞消除后的單電池內(nèi)的氫和氮的分壓力的說明圖。圖9是表示本發(fā)明的實施方式中的燃料電池系統(tǒng)起動時的單電池的電流密度的變化的圖表。圖10是本發(fā)明的參考例中的燃料電池系統(tǒng)的起動的流程圖。圖11是表示在本發(fā)明的參考例中將氫入口總壓力加壓至第4壓力時的單電池內(nèi)的氫和氮的分壓力的說明圖。圖12是表示在本發(fā)明的參考例中氫氣向擴散層的滲透的說明圖。附圖標(biāo)記10單電池11燃料電池12空氣壓縮機13、30 電機14空氣流量計15空氣壓力調(diào)節(jié)閥16空氣管路17空氣供給管路18空氣排出管路19旁通管路19a旁通閥20排氣管路21氫氣罐22氫供給管路23氫入口管路M氫出口管路25氫循環(huán)管路沈氫排出管路27氫壓力調(diào)節(jié)閥觀氫排出閥29氫循環(huán)泵31大氣排出口32 負載
33、；34壓力傳感器35電流傳感器36電壓傳感器37、40溫度傳感器38單電池電壓計39局部電流檢測板組39a、39b局部電流檢測板50控制部61 64氫流路65,66混合氣體71電解質(zhì)膜72催化劑73擴散層74氫流路75 冰粒76 冰點100燃料電池系統(tǒng)
具體實施例方式以下參照

本發(fā)明的實施方式。如圖1所示，本實施方式的燃料電池系統(tǒng) 100的燃料電池11層壓了多個單電池10，作為氧化劑氣體使用含氧的空氣，作為燃料氣體使用氫。作為氧化劑氣體的空氣從大氣經(jīng)空氣流量計14從空氣吸入管路16吸入到空氣壓縮機12，由空氣壓縮機12加壓后的噴出空氣從空氣供給管路17提供給燃料電池11。在吸入空氣管路16上設(shè)有取得吸入空氣的溫度的溫度傳感器40。進入到燃料電池11內(nèi)的空氣通過設(shè)置在燃料電池11內(nèi)部的空氣流路的同時，與從氫系統(tǒng)提供的氫進行反應(yīng)，氧減少。 并且，反應(yīng)結(jié)果的生成水作為水蒸汽或水滴在空氣流路中增加。反應(yīng)后的水分量增加的空氣從燃料電池11內(nèi)部的空氣流路排出到空氣排出管路18。空氣排出管路18上設(shè)有用于調(diào)整燃料電池11內(nèi)部的空氣流路的空氣壓力的空氣壓力調(diào)節(jié)閥15，空氣供給管路17中設(shè)有取得空氣壓力的壓力傳感器33。并且，設(shè)有旁通管路19，其不將吸入的空氣中的一部分空氣提供給燃料電池11，而是流出到空氣壓力調(diào)節(jié)閥15的下游側(cè)的空氣排出管路18，在旁通管路19上設(shè)有調(diào)整旁通空氣流量的旁通閥19a。空氣排出管路18和旁通管路19合流并連接到排氣管路20上。流入到排氣管路20的空氣從大氣排出口 31排出到大氣中。流入到燃料電池系統(tǒng)100的空氣流量通過調(diào)整空氣壓縮機12的電機13的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。作為燃料氣體的氫氣貯存在氫氣罐21中。氫從氫氣罐21通過氫供給管路22、氫入口管路23提供給燃料電池11內(nèi)部的氫流路。流入到燃料電池11的氫流路的一部分氫因發(fā)電而消耗，但未消耗的氫從燃料電池11的內(nèi)部的氫流路排出到氫出口管路24。排出到氫出口管路M的反應(yīng)后的氫氣等由設(shè)置在氫循環(huán)管路25的氫循環(huán)泵四加壓，再循環(huán)到氫入口管路23。氫循環(huán)泵四由電機30驅(qū)動。氫通過發(fā)電被消耗，氫濃度下降，氮等雜質(zhì)增多時，氫排出閥觀打開，反應(yīng)后的氫氣從氫排出管路26排出到排氣管路20，由排出空氣稀釋并從大氣排出口 31排出到大氣。氫供給管路22中設(shè)有調(diào)整燃料電池11的氫系統(tǒng)的壓力的氫壓力調(diào)節(jié)閥27，氫入口管路23上設(shè)有取得燃料電池11的氫入口的氫總壓力的壓力傳感器；34。燃料電池11的氫入口的總壓力由氫壓力調(diào)節(jié)閥27調(diào)整。燃料電池11上連接有負載32，設(shè)有取得從燃料電池11輸出到負載32的輸出電壓的電壓傳感器36及取得輸出電流的電流傳感器35。并且，燃料電池11上安裝了 用于取得其溫度的溫度傳感器37 ；分別設(shè)置在各單電池10的氫流路的上游側(cè)和下游側(cè)的局部電流檢測板39a、39b ；取得各單電池10的電壓的單電池電壓計38。各單電池10的上游側(cè)和下游側(cè)的各局部電流檢測板39a、39b成為一組，構(gòu)成一個局部電流檢測板組39?？諝鈮嚎s機12的電機13、空氣壓力調(diào)節(jié)閥15、旁通閥19a、氫壓力調(diào)節(jié)閥27、氫循環(huán)泵四的電機 30、氫排出閥觀、負載32與控制部50連接，根據(jù)來自控制部50的指令進行動作。并且，空氣流量計14、壓力傳感器33、34、電壓傳感器36、電流傳感器35、溫度傳感器37、40、單電池電壓計38、局部電流檢測板39a、39b分別連接到控制部50上，可將所取得的各信號輸入到控制部50?？刂撇?0是內(nèi)部包括進行信號處理的CPU和存儲控制程序、控制用數(shù)據(jù)等的存儲器的計算機。此外，在圖1中，單點劃線表示信號線。參照圖2到圖8說明本發(fā)明的實施方式的燃料電池系統(tǒng)100的動作。如圖2的步驟SlOl所示，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)100起動時，控制部50通過溫度傳感器40取得大氣溫度。并且，如圖2的步驟S102所示，當(dāng)大氣溫度為冰點以下時，進行在使燃料電池11預(yù)熱運轉(zhuǎn)的同時起動的低溫起動。并且，控制部50在通過溫度傳感器40取得的大氣溫度超過冰點時， 如圖2的步驟S118所示，進行不使燃料電池11預(yù)熱運轉(zhuǎn)地起動的通常起動。當(dāng)在圖2的步驟S102中判斷為大氣溫度在冰點以下時，在圖3的時間、，如圖2 的步驟S103所示，控制部50驅(qū)動空氣壓縮機12的電機30并起動空氣壓縮機12，如圖2的步驟S104所示，驅(qū)動氫循環(huán)泵四的電機30并起動氫循環(huán)泵四，如圖2的步驟S105所示， 調(diào)整氫壓力調(diào)節(jié)閥27的開度，使得通過壓力傳感器34取得的燃料電池11的氫入口總壓力 Pt變?yōu)榭倝毫1T。這樣一來，當(dāng)氫和空氣注入到燃料電池11時，如圖3所示，從時間、開始，單電池10的單電池電壓Vc開始上升。進行燃料電池11的預(yù)熱運轉(zhuǎn)時，使提供給燃料電池11的空氣量比通常運轉(zhuǎn)時的空氣量少，在使燃料電池11的發(fā)電效率較低的狀態(tài)下進行發(fā)電，利用燃料電池11產(chǎn)生的損失熱對燃料電池11進行預(yù)熱。因此，提供給燃料電池11的空氣流量從通常運轉(zhuǎn)狀態(tài)減少時，燃料電池11的電流電壓特性如圖4所示，是和表示通常運轉(zhuǎn)的電流電壓特性的虛線a 相比斜率較大的實線b這樣的特性，在不改變空氣流量時，燃料電池11的輸出電壓和輸出電流沿線b變化，電壓為Vtl時，來自燃料電池11的輸出電流I變?yōu)榱?。在時間t1;控制部50將負載32的電壓保持為Vtl，起動燃料電池11，減少空氣流量， 以使燃料電池11的電流電壓特性成為圖4的線b所示的電流電壓特性，因此燃料電池11的各單電池10的單電池電壓Vc如圖3所示地上升至Vcc，來自燃料電池11的輸出電流I變?yōu)榱愕臓顟B(tài)?？刂撇?0在確認了各單電池10的單電池電壓Vc變?yōu)轭A(yù)定電壓以上的情況后， 在圖3所示的時間t2使負載32的電壓下降，降低燃料電池11的輸出電壓V。這樣一來，燃料電池11的運轉(zhuǎn)狀態(tài)沿著圖4的線b變化，隨著燃料電池11的輸出電壓V從Vtl下降，來自燃料電池11的輸出電流I增加。如圖4所示，控制部50使燃料電池11的輸出電壓V下降至V1,以使燃料電池11的輸出電流I變?yōu)镮1，如圖2的步驟S106所示，使來自燃料電池11的輸出電流I為I1。圖5示意性地表示將氫填充到燃料電池11中、開始運轉(zhuǎn)時的氫極的狀態(tài)。在注入氫前，在從各氫流路61到64的內(nèi)部，滯留著分壓力Pqn比大氣中的氮的分壓力SOkPa略低的、例如為50kl^左右的氮。并且，從氫供給管路22向氫入口管路23填充氫，以變?yōu)榕c該殘留氮的分壓力Pqn基本相等的分壓力PQH、例如為50kl^左右。即，調(diào)整氫壓力調(diào)節(jié)閥27， 以使通過壓力傳感器34檢測出的燃料電池11的氫入口總壓力Pt = P0N+P0H =總壓力P1T。 例如，殘留的氮的分壓力Ρ。Ν為50kPa左右、加壓后的氫的分壓力Pcih為50kPa左右時，調(diào)節(jié)氫壓力調(diào)節(jié)閥27，以使氫入口總壓力Pit = 50+50 = IOOkPa0氫入口的總壓力Pit是第1壓力，是比通常的燃料電池11起動時的氫入口的總壓力Pt的250kl^左右低的壓力。此外， 在圖5中，示意性地記載了氫和氮分開的情況，實際上氫和氮混合地存在于氫流路61 64 中。如圖5所示，氫流路62中產(chǎn)生因凍結(jié)而造成的堵塞，變?yōu)闅怏w無法從氫流路62流出到氫出口管路M的狀態(tài)。氫循環(huán)泵四從氫流路61、63、64吸入氫和氮的混合氣體65，使該混合氣體65再循環(huán)到氫入口管路23。另一方面，通過發(fā)電消耗的氫從氫供給管路22提供給氫入口管路23。并且，向各氫流路61 64提供氫氣和氮氣的混合氣體66。和通過氫循環(huán)泵四再循環(huán)的混合氣體65相比，提供給各氫流路61 64的混合氣體66中的氫的比例變大了與從氫供給管路22提供的氫對應(yīng)的量。在該狀態(tài)下從燃料電池11輸出了輸出電流I時，在各氫流路61、63、64中，通過發(fā)電消耗氫，排出氮分壓力變高的混合氣體65。但是，如圖6所示，產(chǎn)生堵塞的氫流路62中， 與發(fā)電消耗的氫對應(yīng)的量的氫和氮的混合氣體66從入口側(cè)進入。氮進入到氫流路62中時， 未被發(fā)電消耗，并因氫流路62堵塞，所以也不會流出到氫出口管路24，因此當(dāng)開始發(fā)電時， 該氮分壓力從初始的分壓力Pcin開始急速增加到P1/，氫分壓力從初始的分壓力Pra開始急速下降到P1/。這是因為，氫流路61、63、64中含有的氮氣在堵塞的氫流路62中積存、濃縮。其他氫流路61、63、64的氫分壓力從初始的分壓力Pqh略微下降至分壓力Pih，氮的分壓力從初始的分壓力P。N略微上升至分壓力Pin，但基本不變化。并且，各氫流路61 64的氫入口總壓力Pt保持為初始的氫入口的總壓力P1T。因此，如前面說明的例子所示，在以分壓力50kPa的程度填充氫而使氫入口的總壓力Pit為IOOkPa的情況下，因發(fā)電而堵塞的氫流路62的氫全部被消耗時，氫流路62的氫的分壓力Pih‘變?yōu)榱?，相反，氮的分壓力Pin'和總壓力Pit相同而變?yōu)閘OOkPa，其他氫流路61、63、64的氫的分壓力Pih和氮的分壓力Pin分別保持為50kPa。因此，當(dāng)發(fā)生堵塞的氫流路62的氫分壓力下降時，如圖3的單點劃線d所示，該氫流路62的某個單電池10的單電池電壓Vc逐漸下降，最終變?yōu)樨撾妷骸ｊP(guān)于上述負電壓的產(chǎn)生，由于使對燃料電池11的初始氫入口總壓力PT為比通常起動時的氫入口總壓力的 250kPa低的lOOltfa左右、殘留氮的分壓力Pqn和氫的分壓力Pffl大致為相同壓力，所以在開始從燃料電池11輸出電流之后、例如在10到20秒左右的非常短的時間內(nèi)發(fā)生。如圖2的步驟S107所示，控制部50通過安裝在各單電池10的單電池電壓計38取得各單電池電壓Vc，如圖2的步驟S108所示，將該電壓Vc與本實施方式中的預(yù)定電壓V2。 進行比較。并且，多個單電池電壓Vc中，沒有一個單電池10的電壓低于預(yù)定電壓V2。時，如圖2的步驟S117所示，判斷是否經(jīng)過了預(yù)定時間，如未經(jīng)過預(yù)定時間，則返回到圖2的步驟S107，再次取得各單電池10的單電池電壓Vc，和預(yù)定電壓％。進行比較。預(yù)定時間是直至產(chǎn)生負電壓為止的時間，例如如，如上述例子所示，可以是10到20秒左右，也可在這個時間以上。該預(yù)定時間取決于初始的氫的加壓力，可以使預(yù)定時間可變，對氫加壓時的氫入口總壓力Pt越高，時間越長。在預(yù)定時間內(nèi)、多個單電池電壓Vc中即使存在一個電壓比預(yù)定電壓V2。低的單電池10時，控制部50在圖3的時間t3如圖2的步驟S109所示地減小燃料電池11的輸出電流I?？刂撇?0通過使負載32的電壓上升，減小來自燃料電池11的輸出電流I。之后，控制部50使負載32的電壓上升至圖4所示的V。，在圖3的時間t4使來自燃料電池11的輸出電流I暫時為零，使單電池電壓Vc為％。。這樣一來，如圖3的單點劃線d所示，產(chǎn)生堵塞的單電池10的電壓也從負電壓恢復(fù)為正電壓。此外，來自燃料電池11的輸出電流I如可使產(chǎn)生堵塞的單電池10的電壓從負電壓恢復(fù)到正電壓，則可以是比零大的電流值。并且，與開始減小來自燃料電池11的輸出電流I大致同時地，控制部50如圖2的步驟SllO所示地調(diào)整氫壓力調(diào)節(jié)閥27，將氫填充到氫流路61 64，以使氫入口總壓力Pt 上升至比初始的氫入口總壓力Pit高的總壓力P2T。該總壓力Ρ2Τ是第2壓力。如圖7所示， 未發(fā)生堵塞的氫流路61、63、64的氫分壓力從加壓前的分壓力Pih增加到P2h，發(fā)生堵塞的氫流路62的氫分壓力從加壓前的分壓力Pih‘增加到I32h'，但各氫流路61 64的各氮分壓力不變，未發(fā)生堵塞的氫流路61、63、64的氮分壓力是Pin，發(fā)生堵塞的氫流路62的氮分壓力是卩^/。氫入口的總壓力P2t例如可以是和通常起動時的總壓力相同的250kPa。此時，如之前說明的例子所示，最初以分壓力50kPa的程度填充氫并使氫入口的總壓力Pit為IOOkPa 之后，當(dāng)因發(fā)電而堵塞的氫流路62的氫全部被消耗而使該氫的分壓力Pih‘變?yōu)榱恪⒃摰姆謮毫in'變?yōu)镮OOkPa時，加壓后的氫流路62的氫分壓力P2h‘變?yōu)?50-100 = 150kPa, 氮的分壓力Pin保持為50kPa的氫流路61、63、64的加壓后的氫的分壓力P2h變?yōu)?50-50 = 200kPa。這樣一來，通過填充氫并使氫入口總壓力Pt上升至總壓力IV，可使因堵塞而使氫的分壓力Pih'幾乎為零的氫流路62的氫分壓力上升至可發(fā)電的程度的氫分壓力。這樣一來，可再次進行包括因堵塞而變?yōu)樨撾妷旱臍淞髀?2的單電池10的發(fā)電。如圖2的步驟Slll所示，控制部50使氫循環(huán)泵四的電機30停止，使氫循環(huán)泵四停止。這樣一來，通過使氫循環(huán)泵四停止，可防止氮在燃料電池11發(fā)電過程中由未堵塞的氫流路61、63、64帶入到堵塞的氫流路62中。并且，燃料電池11發(fā)電過程中，在各氫流路 61 64中填充與因發(fā)電而消耗掉的氫量對應(yīng)的氫67，因此各氫流路61 64的氮分壓力 P1N、P1/在燃料電池11的發(fā)電過程中不會怎么增加，從而可持續(xù)進行燃料電池11的預(yù)熱運轉(zhuǎn)。在圖3的時間t4，如圖2的步驟S112所示地，控制部50在使來自燃料電池11的輸出電流I為零后，降低負載32的電壓，并降低燃料電池11的輸出電壓V，使來自燃料電池11的輸出電流I是比I1小的12。I2只要是可持續(xù)進行燃料電池11的預(yù)熱運轉(zhuǎn)的大小即可，根據(jù)燃料電池11的運轉(zhuǎn)狀態(tài)不同，可以是和初始的輸出電流I1相同的電流?？刂撇?0在該狀態(tài)下持續(xù)進行燃料電池11的預(yù)熱運轉(zhuǎn)，一直運轉(zhuǎn)至因燃料電池 11的損失熱使凍結(jié)并堵塞的氫流路62解凍。如圖2的步驟S113所示，控制部50通過溫度傳感器37取得燃料電池11的溫度，如圖2的步驟S114所示，比較該溫度和堵塞消除溫度、例如30°C等，當(dāng)燃料電池11的溫度高于堵塞消除溫度時，判斷為堵塞的氫流路62的堵塞被消除。并且，如圖2的步驟S115所示地，控制部50起動氫循環(huán)泵四的電機30，并再次起動氫循環(huán)泵四。當(dāng)再次起動氫循環(huán)泵四時，如圖8所示，氫流路62的堵塞被消除，因此氫及氮以大致相同的量流入到各氫流路61 64，使得燃料電池11可穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)。并且，如圖2的步驟Sl 16所示地，控制部50降低負載32的電壓，增加來自燃料電池11的輸出電流，進一步持續(xù)進行燃料電池11的預(yù)熱運轉(zhuǎn)。因此，本實施方式的燃料電池系統(tǒng)100在冰點以下起動時，將燃料電池11的氫入口總壓力設(shè)定為第1壓力而進行起動，短時間內(nèi)檢測出有無因凍結(jié)而造成氫流路堵塞的單元10后，在有堵塞時，使氫入口總壓力上升至第2壓力，并且使氫循環(huán)泵四停止，進行燃料電池11的預(yù)熱，因此即使在氫流路中發(fā)生堵塞時，也可在氫氣未發(fā)生不足的狀態(tài)下進行預(yù)熱運轉(zhuǎn)，所以可抑制因氫氣不足而造成的燃料電池11的老化。在以上說明的本實施方式中，說明了第1壓力是小于通常起動時的氫總壓力的情況，只要與第2壓力之間具有如下程度的壓力差，使得能夠向因凍結(jié)而堵塞的氫流路填充預(yù)熱運轉(zhuǎn)所需的氫，也可是與通常起動時的壓力相等的壓力。接著，參照圖9說明本發(fā)明的其他實施方式。對和之前參照圖1至圖8說明的實施方式相同的部分，標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，并省略其說明。并且，如參照圖5、圖6所說明的， 發(fā)生了堵塞的氫流路62中，從其他氫流路61、63、64流入氮，氮分壓力上升，堵塞的氫流路 62的某個單電池10變?yōu)樨撾妷?。此時，氫流路62的上游側(cè)的氫分壓力較高，越向下游則氫分壓力越低，因此在發(fā)生堵塞的單電池10中，位于氫流路62的上游側(cè)的區(qū)域的發(fā)電電流密度CD(每單位面積的電流大小)變大，下游側(cè)的區(qū)域的電流密度CD變小。并且，在本實施方式的燃料電池11中，氫流路61 64的構(gòu)成是，混合氣體從重力方向上側(cè)流入，反應(yīng)后的氣體從重力方向下側(cè)排出。因此，當(dāng)氫流路62堵塞時，流入到堵塞的氫流路62的較重的氮逐漸向重力方向下側(cè)移動，氫分壓力偏向上游側(cè)，上游側(cè)的電流密度⑶變高。如圖9的實線j所示，氫流路的上游側(cè)的電流密度CD隨著燃料電池11的發(fā)電的持續(xù)進行而逐漸變大，與之相對，如圖9的單點劃線k所示，即使持續(xù)發(fā)電，氫流路的下游側(cè)的電流密度CD也不會上升至一定電流密度以上，氫流路的上游側(cè)的電流密度和氫流路的下游側(cè)的電流密度的電流密度差A(yù)CD隨著時間而變大。因此，在各電池的氫流路的上游側(cè)和下游側(cè)分別設(shè)置局部電流檢測板39a、39b，當(dāng)所檢測出的電流密度CD的電流密度差A(yù)CD 為預(yù)定閾值以上時，判斷為氫流路中發(fā)生堵塞。除了氫流路的堵塞判斷以外，與前面參照圖 1至圖8所說明的實施方式相同。本實施方式可起到與前面所說明的實施方式一樣的效果。以上說明了本發(fā)明的實施方式，以下說明參考例。本參考例的燃料電池系統(tǒng)100 的構(gòu)成和參照圖1說明的實施方式相同，起動時不是如第1壓力、第2壓力這樣地使氫入口總壓力階段性地上升，而是在判斷為在冰點以下起動時，使氫入口總壓力上升至比通常起動時的氫壓力高的壓力，并且不起動氫循環(huán)泵四地進行預(yù)熱運轉(zhuǎn)。以下參照圖10至圖12說明本參考例。如圖10的步驟S201所示，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)100起動時，控制部50通過溫度傳感器40取得大氣溫度。并且，如圖10的步驟S202所示，當(dāng)大氣溫度在冰點以下時，進行在預(yù)熱運轉(zhuǎn)的同時起動燃料電池11的低溫起動。并且， 控制部50在通過溫度傳感器40取得的大氣溫度超過冰點時，如圖10的步驟S211所示，進行不預(yù)熱運轉(zhuǎn)而起動燃料電池11的通常起動。在圖10的步驟S202中，當(dāng)判斷為大氣溫度在冰點以下時，如圖10的步驟S203所示，控制部50驅(qū)動空氣壓縮機12的電機30，起動空氣壓縮機12，如圖10的步驟S204所示， 調(diào)整氫壓力調(diào)節(jié)閥27的開度，以使通過壓力傳感器34取得的燃料電池11的氫入口總壓力 Pt變?yōu)榭倝毫4T。其中，總壓力P4t是比常溫下起動燃料電池11時的氫加壓時的氫入口總壓力高的壓力。因此，當(dāng)氫和空氣注入到燃料電池11時，開始燃料電池11的發(fā)電。與前面說明的實施方式同樣地，在注入氫前，在從各氫流路61到64的內(nèi)部，滯留著分壓力Pqn比大氣中的氮分壓力SOltfa略低、例如為左右的氮。并且，調(diào)整氫壓力調(diào)節(jié)閥27，以使通過壓力傳感器34檢測出的燃料電池11的氫入口總壓力Pt =總壓力P4t，并將氫填充到各氫流路61 64。例如，調(diào)節(jié)氫壓力調(diào)節(jié)閥27，使殘留的氮分壓力Pcin為50kPa 左右、氫入口總壓力P4t = 250kPa，這樣一來，各氫流路61 64的氫分壓力P4h變?yōu)?50-50 =200kPa 左右。因氫循環(huán)泵四停止，所以如前面參照圖5、圖6說明的實施方式一樣，在燃料電池 11發(fā)電時，氮不會由未堵塞的氫流路61、63、64被帶入到堵塞的氫流路62，因此在燃料電池 11發(fā)電時，與因發(fā)電而消耗的氫量對應(yīng)的氫被從氫供給管路22填充到各氫流路61 64 中，各氫流路61 64的氮分壓力Pqn、氫分壓力P4h在燃料電池11發(fā)電過程中不會怎么增力口，因此包括發(fā)生堵塞的氫流路62的單電池10不會變?yōu)闅洳蛔愕臓顟B(tài)，并可持續(xù)進行燃料電池11的預(yù)熱運轉(zhuǎn)?？刂撇?0在使氫入口總壓力上升至總壓力P4t后，如圖10的步驟S205所示地，調(diào)整負載的電壓，以使燃料電池11的輸出電流I變?yōu)?3。并且，輸出電流I3的大小可以與通常起動時的輸出電流相同，考慮到氫循環(huán)泵20停止的情況，也可是比通常起動時的輸出電流小的電流?？刂撇?0在該狀態(tài)下持續(xù)進行燃料電池11的預(yù)熱運轉(zhuǎn)，一直運轉(zhuǎn)至通過燃料電池11的損失熱使凍結(jié)并堵塞的氫流路62解凍。如圖10的步驟S206所示，控制部50通過溫度傳感器37取得燃料電池11的溫度，如圖10的步驟S207所示，比較該溫度和堵塞消除溫度、例如30°C等，當(dāng)燃料電池11的溫度高于堵塞消除溫度時，判斷為堵塞的氫流路62的堵塞被消除。并且，如圖10的步驟S208所示地，控制部50使氫入口總壓力減小至與通常起動時的壓力相同的壓力P5t之后，如圖10的步驟S209所示，起動氫循環(huán)泵四的電機30， 并起動氫循環(huán)泵四。當(dāng)氫循環(huán)泵四起動時，如參照圖8所說明的那樣，氫流路62的堵塞被消除，因此氫及氮以大致相同的量流入到各氫流路61 64，使得燃料電池11可穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)。并且，如圖10的步驟S210所示，控制部50降低負載32的電壓，增加來自燃料電池11的輸出電流， 進一步持續(xù)進行燃料電池11的預(yù)熱運轉(zhuǎn)。本參考例中，在冰點以下起動的過程中，當(dāng)預(yù)測到氫流路的堵塞時，使燃料電池11 的氫入口總壓力為比燃料電池11通常起動時的氫入口總壓力大的壓力，不起動氫循環(huán)四地進行燃料電池11的預(yù)熱運轉(zhuǎn)，從而可提前增大因凍結(jié)而產(chǎn)生堵塞的氫流路的氫分壓力， 具有可抑制預(yù)熱運轉(zhuǎn)過程中單電池10因氫不足而變?yōu)樨撾妷旱男Ч２⑶胰鐖D12所示， 當(dāng)發(fā)生凍結(jié)時，與氫流路74連接的擴散層73的表面附著有冰粒75，或在擴散層73中產(chǎn)生作為細小冰粒點的冰粒點76，從而增加了氫流路74的氫到達催化劑72、電解質(zhì)膜71時的阻力，無法向催化劑72提供充足的氫，導(dǎo)致催化劑72發(fā)生老化。在本參考例中，當(dāng)在冰點下起動時，使氫入口總壓力大于通常起動時的總壓力，從而可提高氫流路74的氫分壓力， 使氫易于到達催化劑72、電解質(zhì)膜71，從而在冰點以下起動時也可有效抑制因氫氣不足造成的負電壓的發(fā)生、抑制燃料電池11的老化。 此外，在本參考例中，說明了在燃料電池起動時使氫循環(huán)泵四停止而進行起動的情況，也可起動氫循環(huán)泵四而進行燃料電池11的起動。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其具有燃料電池，層壓有多個單電池，通過燃料氣體和氧化劑氣體的電化學(xué)反應(yīng)進行發(fā)電；壓力調(diào)節(jié)閥，設(shè)置在燃料箱和上述燃料電池的燃料氣體入口之間，調(diào)整上述燃料氣體入口的氣體壓力；氣體循環(huán)泵，使反應(yīng)后的燃料氣體從上述燃料電池的燃料氣體出口循環(huán)至上述燃料氣體入口 ；單電池電壓取得單元，取得各個單電池的電壓；以及控制部，進行上述氣體循環(huán)泵的起動停止和上述壓力調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)整；上述控制部具有堵塞判斷單元，在上述燃料電池起動時，調(diào)整上述壓力調(diào)節(jié)閥的開度，將燃料氣體導(dǎo)入到上述燃料氣體入口，使上述燃料氣體入口的氣體壓力為第1壓力，起動上述燃料氣體循環(huán)泵，當(dāng)由上述單電池電壓取得單元取得的各個上述單電池的電壓中的至少一個電壓低于預(yù)定電壓時，判斷為上述燃料電池內(nèi)部的燃料氣體流路中發(fā)生堵塞；以及堵塞消除單元，當(dāng)由上述堵塞判斷單元判斷為上述燃料氣體流路中發(fā)生堵塞時，調(diào)整上述壓力調(diào)節(jié)閥的開度，將燃料氣體導(dǎo)入到上述燃料氣體入口，使上述燃料入口的氣體壓力為比第1壓力高的第2壓力，使上述燃料氣體循環(huán)泵停止，消除上述燃料氣體流路的堵O
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，上述堵塞消除單元降低上述燃料電池的輸出電流直至消除各個上述單電池的負電壓， 然后使上述輸出電流上升至預(yù)定電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，具有單電池電流密度分布取得單元，檢測各個上述單電池的電流密度分布，上述堵塞判斷單元在由上述單電池電流密度分布取得單元取得的各個上述單電池的電流密度分布中存在閾值以上的不均時，判斷為上述燃料氣體流路中發(fā)生堵塞。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，上述單電池電流密度分布取得單元是設(shè)置于燃料氣體上游側(cè)和燃料氣體下游側(cè)的各個上述單電池上的各個局部電流檢測板組，當(dāng)由上述各個局部電流檢測板組中的燃料氣體上游側(cè)的局部電流檢測板檢測出的電流密度與由燃料氣體下游側(cè)的局部電流檢測板檢測出的電流密度之差為閾值以上時，判斷為上述燃料氣體流路中發(fā)生堵塞。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，當(dāng)燃料電池在冰點下起動時，調(diào)整氫壓力調(diào)節(jié)閥的開度，將氫導(dǎo)入到燃料電池的氫入口，使氫入口的總壓力為第1壓力，起動氫循環(huán)泵，在由單電池電壓計取得的各單電池的單電池電壓中至少有一個小于預(yù)定電壓時，判斷為燃料電池內(nèi)部的氫流路中發(fā)生堵塞。并且，當(dāng)判斷為發(fā)生了堵塞時，調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥的開度，將氫導(dǎo)入到氫入口，使氫入口的總壓力為比第1壓力高的第2壓力，停止氫循環(huán)泵，進行燃料電池的預(yù)熱，消除氫流路的堵塞，這樣一來，可抑制冰點下起動時的燃料電池的老化。
文檔編號H01M8/04GK102484265SQ20098016105
公開日2012年5月30日 申請日期2009年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者弓田修, 田中浩己, 長沼良明 申請人:豐田自動車株式會社