專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及燃料電池系統(tǒng)的運轉方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有燃料電池的燃料電池系統(tǒng)及燃料電池系統(tǒng)的運轉 方法。
背景技術：
對于固體高分子型燃料電池，由于將處于濕潤狀態(tài)時顯示質子傳 導性的固體高分子膜用作電解質層，所以，為了良好地維持發(fā)電狀態(tài)， 重要的是將固體高分子膜保持在充分的濕潤狀態(tài)下。而且，在這種燃 料電池中，雖然伴隨發(fā)電會在陰極產生水，但是當水的生成過剩或生 成水的排水延誤時，會形成稱作所謂的溢流的狀態(tài)，從而會存在相對 陰極催化劑的氣體供給不充分的情況。因此， 一直以來，都進行用于 適當?shù)鼐S持電解質層或催化劑及其周邊處含有的水分量用的控制。為 了進行這種水分量的控制，作為判斷電解質層的加濕狀態(tài)的方法，已 知基于構成燃料電池的單體電池的輸出電壓的偏差的方法。也就是說， 當輸出電壓的偏差大時，能判斷出電解質層的水分量過剩。發(fā)明內容然而，當如上所述、檢測出輸出電壓的偏差大的情況時，固體高 分子膜的水分過剩狀態(tài)已經(jīng)持續(xù)了，業(yè)已形成發(fā)電效率開始降低的狀 態(tài)。當水分過剩狀態(tài)被檢測出來時，雖然可以通過調節(jié)氣體流量、加 濕量，或者氣體壓力來實現(xiàn)水分過剩狀態(tài)的消除，但是，為了良好地 維持燃料電池的發(fā)電狀態(tài)，希望可以更早地檢測到水分過剩狀態(tài)。本發(fā)明就是為了解決上述現(xiàn)有的問題而提出的，其目的在于更早 地檢測出燃料電池內部的水分過剩狀態(tài)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種具有固體高分子型燃料電 池的燃料電池系統(tǒng)。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有交流成分發(fā)生部， 其以一定的頻率和振幅對上述燃料電池施加交流電成分；交流電壓取 得部，其從構成上述燃料電池的預定的單體電池的輸出電壓中分離起因于上述交流電的交流成分，以隨著時間獲取上述交流成分的電壓值; 濕潤狀態(tài)判斷部，其判斷上述燃料電池是否處于濕潤傾向；和過度濕 潤判斷部，其在上述濕潤狀態(tài)判斷部判斷出上述燃料電池處于上述濕 潤傾向時，判斷上述燃料電池是否處于過度濕潤。根據(jù)如上那樣構造的本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，當判斷出燃料電池 處于濕潤傾向時，判斷為燃料電池處于過度濕潤，因此，能更早地進 行燃料電池處于過度濕潤的判斷。本發(fā)明可以以上述之外的各種形式實現(xiàn)，例如，可以以下述形式 實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的過度濕潤判斷方法、搭載燃料電池系統(tǒng)的移動 體等。


圖1為表示實施例的燃料電池系統(tǒng)的大致結構的方框圖。 圖2為表示單體電池的截面示意圖。 圖3為表示燃料電池的電壓的隨時間變化的說明圖。 圖4為表示溢流判斷處理程序的流程圖。圖5為一說明圖，表示使燃料電池內部向溢流易于發(fā)生的狀態(tài)逐漸變化、以在測定電壓值的同時算出阻抗值的結果。圖6為表示變形例的溢流判斷處理程序的流程圖。 圖7為表示變形例的溢流判斷處理程序的流程圖。 圖8為表示對于規(guī)定數(shù)目的平均阻抗值、調查了值的頻數(shù)分布后 的結果的說明圖。
具體實施方式
下面，基于實施例、參照

本發(fā)明的實施方式。 A.系統(tǒng)的整體結構圖1為表示作為本發(fā)明的實施例的燃料電池系統(tǒng)10的大致結構的方框圖。燃料電池系統(tǒng)10具有燃料電池20、燃料氣體供給部30和氧 化氣體供給部40。而且，為了判斷上述燃料電池20的濕潤狀態(tài)，燃料 電池系統(tǒng)10還具有電壓檢測部50、交流電流發(fā)生部52和控制部54。燃料電池20為固體高分子型的燃料電池。圖2為表示作為燃料電 池20的構成單位的單體電池21的截面示意圖。單體電池21由電解質 膜22、陽極電極23、陰極電極24、氣體擴散層25、 26、及隔板27、 28構成。電解質膜22為由固體高分子材料、例如氟類樹脂形成的質子傳導 性的離子交換膜，在濕潤狀態(tài)下顯示良好的導電性。陽極電極23及陰 極電極24為形成在電解質膜22上的層，包括進行電化學反應的催化 劑金屬(例如白金)、具有質子傳導性的電解質、和具有電子傳導性 的碳粒子。氣體擴散層25、 26由具有氣體透過性及電子傳導性的部件 構成，例如能由泡沫金屬、金屬網(wǎng)等金屬制部件，或者碳布(carbon cloth)、碳紙(carbon paper)等碳制部件形成。隔板27、 28由不透氣 的導電性部件形成，例如能由通過壓縮碳而成為不透氣的致密質碳等 碳制部件或加壓成形的不銹鋼等金屬部件形成。隔板27、 28在其表面具有形成單體電池21內的氣體流路用的凹 凸形狀。隔板27在其與氣體擴散層25之間形成包含氫氣的燃料氣體 通過的單體電池內燃料氣體流路27a。而且，隔板28在其與氣體擴散 層26之間形成包含氧氣的氧化氣體通過的單體電池內氧化氣體流路 28a。另外，在單體電池21的外周部，與單體電池21的層疊方向平行 地設置燃料氣體或氧化氣體流通的多個氣體歧管(圖中未示出)。流 經(jīng)這些多個氣體歧管中的燃料氣體供給歧管的燃料氣體被分配給各單體電池21，供給電化學反應的同時在各單體電池內燃料氣體流路27a 內通過，之后，匯集到燃料氣體排出歧管。同樣地，流經(jīng)氧化氣體供 給歧管的氧化氣體被分配給各單體電池21，供給電化學反應的同時在 各單體電池內氧化氣體流路28a內通過，之后，匯集到氧化氣體排出歧 管。燃料電池20具有將這種單體電池21層疊多個而形成的堆疊結構。 另外，在燃料電池20中，為了調節(jié)堆疊結構的內部溫度，在各單體電 池之間或者每層疊規(guī)定數(shù)量的單體電池，設置制冷劑通過的制冷劑流 路(圖中未示出)。例如在相鄰的單體電池之間，制冷劑流路能設置 在一個單體電池具有的隔板27與另一個單體電池具有的隔板28之間。燃料電池20在堆疊結構的兩端還設有集電板60、 61。在集電板 60、 61上分別連接配線62或配線63，經(jīng)配線62、 63從燃料電池20 向負載64供給電力。而且，在集電板60、 61上還分別連接配線65或 配線66，該配線65、 66連接到交流電流發(fā)生部52。交流電流發(fā)生部 52為產生顯示一定的頻率及振幅的交流電流的裝置，通過該交流電流 發(fā)生部52將微弱的高頻交流電流施加到燃料電池20的集電板60、 61 之間。由交流電流發(fā)生部52進行的交流電流的施加為用于得到構成燃 料電池20的單體電池21的阻抗值(電阻)的操作，將在后面詳細說 明。而且，在本實施例的燃料電池20中，對于構成堆疊結構的單體電 池21內的特定的一個單體電池，設置電壓檢測部50。電壓檢測部50 具有電壓傳感器70、過濾器部71和A/D變換器72。電壓傳感器70經(jīng) 配線73、 74連接到上述特定的單體電池，可測定上述單體電池的輸出 電壓。而且，在配線73、 74上還連接除去電壓的直流成分、以得到交 流成分用的過濾器部71，及對與過濾器部71分離后的電壓的交流成分 有關的信號進行數(shù)字化的A/D變換器72。另外，如后所述，上述電壓 檢測部50是為了通過檢測特定的單體電池的電壓來判斷該特定的單體電池的濕潤狀態(tài)而設置的。因此，設置電壓檢測部50的特定的單體電 池希望是堆疊結構整體中預料較易于發(fā)生溢流的單體電池，例如，位 于堆疊結構的端部且溫度易于變得較低的單體電池。由電壓傳感器70測定的電壓為通過燃料電池20發(fā)電而產生的輸 出電壓與起因于交流電流發(fā)生部52施加的交流電流而產生的電壓的 和。圖3為表示燃料電池20的特定的單體電池中的電壓的情況的說明 圖。圖3 (A)表示通過燃料電池20發(fā)電而產生的輸出電壓取一定值 的情況、即，來自燃料電池20的輸出電壓為直流電壓的情況下的輸出 電壓的隨時間變化。圖3 (B)表示起因于交流電流發(fā)生部52施加的交 流電流而產生的電壓、即交流電壓的隨時間變化。圖3 (C)表示電壓 傳感器70檢測出的電壓的隨時間變化。在電壓傳感器70中，檢測將 圖3 (B)所示的交流電壓重疊在圖3 (A)所示的直流電壓上后的電壓。 燃料電池20的輸出電壓實際上由于負載變動或燃料電池20的溫度而 隨時間一起變動，但是，通過經(jīng)過濾器部71從A/D變換器72取得信 號，能從圖3 (C)所示的電壓除去圖3 (A)所示的電壓(直流成分)、 得到圖3 (B)所示的電壓(交流成分)。如后所述，由交流電流發(fā)生 部52進行的交流電流的施加用于根據(jù)電壓的交流成分判斷單體電池的 濕潤狀態(tài)，所以，施加的交流電流的振幅及頻率對應交流電壓的讀取 精度、單體電池的阻抗值的大小等適當?shù)卦O定即可。另外，也可以代替交流電流發(fā)生部52，設置交流電壓發(fā)生部，并 且代替施加交流電流，對燃料電池20的集電板60、 61施加交流電壓。 在這種情況下，對于特定的單體電池連接電流傳感器，使用通過燃料 電池20發(fā)電產生的電流與起因于交流電壓發(fā)生部施加的交流電壓而產 生的電流之和判斷單體電池的濕潤狀態(tài)。燃料氣體供給部30具有燃料氣體供給源32和燃料氣體用配管34， 將含有氫的燃料氣體供給形成在燃料電池20內的單體電池內燃料氣體 流路27a。在本實施例中，作為燃料氣體使用氫氣，作為燃料氣體供給源32使用氫氣瓶?；蛘撸部梢允褂镁哂袣湮胶辖鸩⑼ㄟ^使氫吸附 在該氫吸附合金上而儲存氫的氫罐。而且，作為燃料氣體使用改性氣體，燃料氣體供給源32可以是從烴等燃料生成富氫的改性氣體的裝置。 另外，在燃料氣體用配管34上還設有調節(jié)燃料氣體供給源32供給的 燃料氣體的壓力的壓力調整閥33、壓力傳感器35。氧化氣體供給部40具有吹風器(blower) 42和氧化氣體用配管 44，作為氧化氣體將空氣供給形成在燃料電池20內的單體電池內氧化 氣體流路28a?？刂撇?4構成以微型計算機為中心的邏輯電路，詳細地說，具有 CPU55，其根據(jù)預先設定的控制程序實行規(guī)定的運算等；ROM56，其 預先存儲CPU55實行各種運算處理所必需的控制程序、控制數(shù)據(jù)等； RAM57，其暫時存儲同樣由CPU55進行各種運算處理所必需的各種數(shù) 據(jù)；和輸入/輸出口58等，其輸入/輸出各種信號。該控制部54取得上 述電壓傳感器70的檢測信號、通過A/D變換器72的信號。而且，控 制部54將驅動信號輸出到發(fā)揮用于判斷燃料電池20的濕潤狀態(tài)的功 能的各功能部(例如，交流電流發(fā)生部52)、發(fā)揮與燃料電池20的發(fā) 電有關的功能的各功能部(例如，吹風器42、壓力調整閥33)等。B.溢流判斷圖4為一流程圖，表示為了判斷燃料電池20內部的濕潤狀態(tài)、更 具體地說，判斷燃料電池20內部是否為產生溢流的狀態(tài)而實行的溢流 判斷處理程序。本程序在燃料電池20的發(fā)電中，與發(fā)電用的通常處理 (例如，燃料氣體或氧化氣體的供給條件的控制、燃料電池20的溫度 控制)并行地、在控制部54的CPU55中以規(guī)定的時間間隔實行。當實行本程序時，CPU55從電壓檢測部50獲取安裝了電壓檢測部 50的單體電池的電壓的交流成分(步驟SIOO)。也就是說，控制部54 與過濾器部71及A/D變換器72 —起用作隨著時間獲取交流成分的電壓值的交流電壓取得部。具體地說，通過過濾器部71及A/D變換器 72，從構成燃料電池20的特定的單體電池的輸出電壓中分離起因于交 流電流的交流成分，由控制部取得分離后的交流成分的電壓值。這里， 交流成分的電壓值(交流電壓的振幅)的檢測，在控制部54中根據(jù)從 A/D變換器72連續(xù)輸送的信號始終進行。在控制部54中，將連續(xù)地 檢測出的電壓值儲存在規(guī)定的存儲部中，并且每得到新的檢測值，就 進行儲存在存儲部中的電壓值的重寫，始終保持最新的檢測值。在步 驟S100中，CPU55以規(guī)定的時間間隔獲取儲存在上述存儲器中的最新 的電壓值，作為以下的處理中使用的電壓值。上述規(guī)定的時間間隔雖 然有必要為充分短的時間、以便能捕捉起因于后述的溢流的電壓變動， 但是也可以對應于對取得的電壓值施加的后述統(tǒng)計處理的條件任意地 設定。之后，CPU55用由交流電流發(fā)生部52施加的電流值來除取得的電 壓值，由此以對應于取得交流成分的電壓值的時間計算出單體電池的 阻抗值(步驟SllO)。這樣，在本實施例中，雖然使用高頻的交流波， 但作為電壓值僅處理交流電壓的振幅，根據(jù)該振幅與電流值的關系算 出阻抗值。當算出阻抗值后，接著，CPU55對隨著時間算出的上述阻抗值實 施平均化處理(步驟S120)。作為該平均化處理，例如，能對基于從 取得的最新的電壓值追溯到過去而得到的規(guī)定數(shù)目(例如i個)的電壓 值算出的各個阻抗值進行平均化，取平均化后的值。也就是說，在該 情況下，在啟動并反復實行本程序時，在啟動后第n次實行時的步驟 S120中，求從第(n-i+l)次實行時到上述第n次實行時算出的各阻抗 值的平均值。這樣，在步驟S120中，每次在步驟S110中重新算出阻 抗值，都將作為計算平均值的對象的阻抗值逐個錯動，以進行阻抗值 的平均值的計算。下面，用R (n)表示啟動本程序后第n次實行時在 步驟S120中算出的阻抗值的平均值(下面，稱作平均阻抗值)。在步 驟S120中進行的平均化處理是為了除去成為計算阻抗值的基礎的電壓值的檢測值中的噪聲、以捕捉當前的阻抗值的整體傾向而進行的操作。 因此，為了平均化處理而使用的阻抗值的采樣數(shù)(在上述說明中為i 個)可以在符合上述目的的范圍內適當設定。之后，CPU55將步驟S120中算出的平均阻抗值的最新值R (n) 與基準值A進行比較(步驟S130)。該步驟S130中用于判斷的基準 值A，作為在平均阻抗值為該值以上的情況下作出單體電池處于濕潤 傾向這樣的判斷的值，其預先設定并存儲在控制部54內。也就是說， 在步驟S130中，判斷測定了電壓的單體電池是否處于濕潤傾向(易于 產生溢流的狀態(tài))，這時，控制部54用作判斷燃料電池20是否處于 濕潤傾向的濕潤狀態(tài)判斷部。這里，作為單體電池的阻抗，例如有構成單體電池的各部件(電 解質膜22、陽極電極23、陰極電極24、氣體擴散層25、 26、隔板27、 28)間的接觸阻抗，上述各部件的內部阻抗、特別是電解質膜22的膜 阻抗，以及隔板27、 28的阻抗。其中，由于燃料電池的運轉狀態(tài)(例 如氣體流量、加濕量、氣體壓力、溫度)而顯著變動的阻抗為膜阻抗， 所以，能根據(jù)發(fā)電期間的阻抗值的大小得知電解質膜22的濕潤狀態(tài)， 從而進一步得知單體電池內的濕潤狀態(tài)。 一般地，在電解質膜22處于 充分的濕潤狀態(tài)的情況下，膜阻抗及單體電池整體的阻抗值變得較小。 與此相對，在電解質膜22中的水分略顯不足的情況下，膜阻抗及單體 電池整體的阻抗值變得較大。因此，在步驟S130中，通過將進行平均 化處理以除去噪聲后的平均阻抗值R (n)與基準值進行比較，能根據(jù) 現(xiàn)在的阻抗值的整體傾向判斷單體電池是否處于濕潤傾向。在步驟S130中，在平均阻抗值R (n)小于基準值A的情況下， 判斷為單體電池處于濕潤傾向，因此，接著，CPU55求出平均阻抗值 的標準偏差(步驟S140)。該標準偏差的值為基于從算出的最新的平 均阻抗值R (n)起、隨著時間追溯而得到的規(guī)定數(shù)目(例如j個)的 平均阻抗值而算出的標準偏差。也就是說，計算從R(n-j+l)到R(n)之間的值的標準偏差。這樣，在步驟S140中，每次實行步驟S140，都 錯動作為計算標準偏差的對象的平均阻抗值的范圍以逐個包含最新 值，進行平均阻抗值的標準偏差的計算。以下，將啟動本程序后第n 次實行時由步驟S140算出的平均阻抗值的標準偏差表示為ctR (n)。 在步驟S140中算出的平均阻抗值的標準偏差只要表示當前時刻的平均 阻抗值的偏差程度就可以，為了計算標準偏差而使用的平均阻抗值的 采樣數(shù)(在上面的說明中為j個)可以適當?shù)卦O定。接著，CPU55將在步驟S140中算出的標準偏差aR (n)和基準值 B進行比較(步驟S150)。該步驟S150中用于判斷的基準值B為預先 設定并存儲在控制部54內的值，以便在平均阻抗值的標準偏差為該值 以上的情況下、判斷為單體電池的發(fā)電狀態(tài)不穩(wěn)定。該基準值B對應 上述平均阻抗值的采樣數(shù)j、為了平均化處理而使用的阻抗值的采樣數(shù) i、在步驟S100中取得電壓值的時間間隔適當?shù)卦O定即可。在步驟S150中，當標準偏差aR (n)比基準值B小時，CPU55 將溢流回避處理實行標志設定為"0"，結束本程序(步驟S160)。而 且，在步驟S150中，當標準偏差aR (n)為基準值B以上時，CPU55 將溢流回避處理實行標志設定為"1"，結束本程序(步驟S170)。如前所述，當燃料電池的阻抗值足夠小時(在本實施例中，當步 驟S130中平均阻抗值R (n)小于基準值A時)，能判斷為電解質膜 22處于充分濕潤狀態(tài)。在本實施例中，當如上所述電解質膜22處于充 分的濕潤狀態(tài)，并進而認為阻抗值的標準偏差充分小、燃料電池的發(fā) 電狀態(tài)穩(wěn)定時，判斷為燃料電池處于氣體良好地流通的狀態(tài)且不會產 生溢流。與此相對，當電解質膜22處于充分的濕潤狀態(tài)，并進而認為 阻抗值的標準偏差大、燃料電池的發(fā)電狀態(tài)不穩(wěn)定時，判斷為燃料電 池處于發(fā)生溢流的過度濕潤狀態(tài)。也就是說，當在步驟S130中判斷出 燃料電池20處于濕潤傾向時，控制部54用作過度濕潤判斷部，其在 阻抗值的標準偏差超過基準值的情況下、判斷為燃料電池20處于過度在燃料電池系統(tǒng)10中，如前所述，由控制部54控制構成燃料電池系統(tǒng)10的各部分的動作。在燃料電池20進行發(fā)電時，控制部54取 得負載64的負載要求，控制與供給燃料電池20的燃料氣體及氧化氣 體有關的條件，例如氣體供給量、氣體壓力，以可產生對應于負載要 求的電力。在燃料電池20的發(fā)電中，當在已經(jīng)描述過的步驟S170中 將溢流回避處理實行標志設定為"1"時，控制部54在進行上述控制 之際，改變控制，以便與基于負載要求確定的通常的條件相比形成更 難出現(xiàn)溢流的條件。在氣體的水蒸氣壓未達到飽和水蒸氣壓的情況下， 氣體的總量越多，越難出現(xiàn)溢流。因此，關于氧化氣體，控制部54以 與基于負載要求確定的通常條件相比增大氧化氣體流量及氧化氣體壓 力的方式控制吹風器42?；蛘?，關于燃料氣體，以與基于負載要求確 定的通常條件相比增大燃料氣體流量及燃料氣體壓力的方式控制壓力 調整閥33。另外，對于在燃料氣體用配管34及/或氧化氣體用配管44中設置 加濕氣體用的加濕器的情況，當將溢流回避處理實行標志設定為"1" 時，可以進行使加濕器的加濕量比通常條件的減少的控制。而且，當 將溢流回避處理實行標志設定為"1"時，可以進行使燃料電池20的 內部溫度上升的控制。具體地說，當在燃料電池的內部流動的制冷劑 流通的制冷劑流路經(jīng)由并設了冷卻風扇的散熱器時，通過使上述冷卻 風扇停止能使燃料電池20的內部溫度上升?；蛘?，也能以與輸入的負 載要求相比使負載64變得較小的方式改變負載64的設定(例如，在 負載64為電動機的情況下，減少驅動量的設定值)。這樣，發(fā)電量減 少，產生的生成水量減少，由此，能抑制溢流發(fā)展。在溢流回避處理 實行標志為"0"的情況下，不進行這種控制而以形成基于負載要求確 定的通常條件的方式進行控制即可。另外，在步驟S130中，當判斷出平均阻抗值R (n)為基準值A以上時，能判斷為電解質膜22中的水分略顯不足，處于難以發(fā)生溢流
的狀態(tài)。因此，在這種情況下，CPU55前進到步驟S160、將溢流回避 處理實行標志設定為"0",并結束本程序。
根據(jù)如上那樣構造的本實施例的燃料電池系統(tǒng)10，對于單體電池 阻抗的水平低(平均阻抗值小于基準值)、電解質膜22處于充分的濕 潤狀態(tài)的情況，當平均阻抗值的偏差大時，判斷為燃料電池處于產生 溢流的過度濕潤狀態(tài)。通過形成這樣的結構，可以較早地進行與溢流 相關的判斷，從而能采取抑制溢流發(fā)展的適當?shù)奶幹谩?br> 圖5為一說明圖，表示在實施例的燃料電池系統(tǒng)10中，通過改變 相對燃料電池20的氣體供給的條件來使燃料電池的內部狀態(tài)向溢流易 于發(fā)生的狀態(tài)逐漸變化、以在測定電壓值的同時算出阻抗值的結果。 這里，給燃料電池20連接一定大小的負載64，同時，給陽極側供給相 對負載64的大小足夠的一定量的燃料氣體。而且，使供給陰極的氧化 氣體的流量每隔規(guī)定的時間慢慢地減少。這里，使用的氧化氣體的水 蒸氣壓為比飽和蒸氣壓低的值。
圖5 (A)及圖5 (B)中的曲線1表示燃料電池20所具有的特定 的單體電池的輸出電壓的值(由電壓傳感器70檢測出的輸出電壓的值) 的隨時間變化。這里，由電壓傳感器70檢測出的電壓為通過燃料電池 20發(fā)電而產生的直流的輸出電壓與起因于交流電流發(fā)生部52施加的交 流電流而產生的交流電壓的和。但是，由于施加的交流電流與相對負 載的輸出相比非常微弱，所以，可以認為曲線1基本表示相對負載64 的輸出電壓。另外，圖5 (A)及圖5 (B)中的曲線1表示每隔一秒檢 測出的輸出電壓的值。
圖5 (A)中的曲線2表示根據(jù)圖4的步驟S100取得的交流成分 的電壓值，在步驟SllO中算出的單體電池阻抗的值。這里，在步驟S100 中每隔一秒獲取交流成分的電壓值，曲線2表示從上述每隔一秒獲取的電壓值算出的每隔一秒的阻抗值。而且，圖5 (B)的圖3表示步驟S120中算出的平均阻抗值R (n)的值。這里，計算平均阻抗值R(n) 用的阻抗值的采樣數(shù)i為16個。而且，在圖5 (A)及圖5 (B)中， 以曲線4表示使供給燃料電池20的氧化氣體的流量隨著時間減少的情 況。當使未達到飽和水蒸氣壓的氧化氣體的流量逐漸減少時，氧化氣 體中氣化所帶走的生成水量減少，所以，電解質膜22中的水分量逐漸 增加。這樣，隨著電解質膜22中水分量變多，如圖5 (B)的曲線3 所示，平均阻抗值R的值逐漸減小。而且，隨著電解質膜22中的水分 量進一步增加，電解質膜22逐漸達到水分過剩的狀態(tài)，同時，燃料電 池20內部形成溢流易于發(fā)生的狀態(tài)。平均阻抗值R的值表示出較大的 偏差。這里，通過適當設定步驟S140中計算標準偏差時用的平均阻抗 值的采樣數(shù)j、步驟S150中使用的基準值B的值，能判斷是否為發(fā)生 溢流的過度濕潤狀態(tài)。這里，計算標準偏差時使用的平均阻抗值的采 樣數(shù)j為60個，在圖5(B)中表示為F1的范圍中，能判斷出成為發(fā) 生溢流的過度濕潤狀態(tài)。如上所述，當電解質膜22達到水分過剩狀態(tài)時，單體電池的輸出 電壓的值也顯示逐漸大的偏差，之后，當溢流發(fā)展到一定程度時，電 壓值大大降低(參照曲線l)。因此，可以根據(jù)這種輸出電壓顯示的偏 差的大小來判斷溢流。但是，輸出電壓值的偏差的大小顯著變大的時 刻比前述的平均阻抗值R的偏差的大小顯著變大的時刻遲。如圖5(B) 所示，在以平均阻抗值R的偏差的大小為基礎的情況下，可判斷出在 與F1表示的范圍對應的時間處于過度濕潤狀態(tài)，與此相對，在以輸出 電壓的偏差的大小為基礎的情況下，可判斷出在與F2表示的范圍對應 的時間開始處于過度濕潤狀態(tài)。這樣，對于起因于施加的高頻交流電流的交流成分，通過基于平 均阻抗值的偏差判斷燃料電池內部的濕潤狀態(tài)，與基于相對負載的輸出電壓值進行同樣判斷的情況相比能較早地判斷出處于過度濕潤狀 態(tài)。認為這是因為，當在燃料電池內部水分稍微過剩時，即使在溢流 發(fā)展到輸出電壓降低程度、或者輸出電壓的偏差被檢測出的程度之前， 在電解質膜22上的有限的微細區(qū)域也會產生電壓的變動。所謂電解質
膜22上的有限的微細區(qū)域中的電壓變動是指，起因于電解質膜22上 的有限的微細區(qū)域中產生的液態(tài)水、氣體流動的狀態(tài)部分惡化而阻礙 發(fā)電的情況。這樣，當起因于產生的液態(tài)水而部分地阻礙發(fā)電時，在 具有催化劑的電極面內產生繞過發(fā)電阻礙部位的電流的運動，由此產 生IR損失，而且，會出現(xiàn)由未被阻礙的區(qū)域上的電流集中引起的發(fā)電 效率的惡化，電壓值會變動。雖然從相對負載的輸出電壓整體分離起 因于這種面內的局部電流運動的電壓變動是困難的，但是，在本實施 例中，通過對燃料電池20施加微弱的高頻交流電流、以僅取出電壓的 交流成分，可以進行上述有限的微細區(qū)域上的電壓變動的分離。這樣， 在不影響燃料電池整體的發(fā)電量的變動的情況下，能比實際上溢流發(fā) 展而使相對燃料電池的負載的輸出電壓變動、降低更早地判斷出變成 了過度濕潤狀態(tài)。
C.變形例
另外，本發(fā)明不限于上述實施例或實施方式，在不脫離其要旨的 范圍內可以在各種形式下實施，例如還可以有如下的變形。
(1) 在上述實施例中，在算出單體電池阻抗值(步驟S110)之 后，在基于單體電池阻抗值的涉及單體電池的濕潤傾向的判斷(步驟 S230)或涉及溢流可能性的判斷(步驟S150)之前，先進行對單體電 池阻抗值的平均化處理(步驟S120)。該平均化處理能夠除去根據(jù)電 壓值的實測值算出的單體電池阻抗值中的噪聲即可，也可以進行實施 例所示的求簡單算術平均之外的處理。代替簡單算術平均，例如，也 可以求對最新的單體電池阻抗值賦予權重的加權平均。
(2) 在上述實施例中，在步驟S130中，為了判斷單體電池是否 處于易于發(fā)生溢流的濕潤傾向，比較平均阻抗值R和基準值A，但是，也可以由其它方法進行上述判斷。只要能判斷電解質膜22變成充分的
濕潤狀態(tài)、單體電池的阻抗值的水平低就可以。圖6為表示作為變形 例的溢流判斷處理程序的流程圖。這里，對于與圖4通用的步驟，采 用相同的步驟編號并省略其說明。在圖6中，代替步驟S130，進行步 驟S225及步驟S230。在步驟S225中，CPU55計算平均阻抗值R的區(qū) 間平均MeanR (n)。所謂區(qū)間平均MeanR (n)是指，根據(jù)從算出的 最新的平均阻抗值R (n)起、隨著時間追溯得到的規(guī)定數(shù)目(例如j 個)的平均阻抗值而計算出的平均阻抗值R的平均值。也就是說，Mean R (n)能由下面的(1)式表示。
MeanR (n) = (R (n) +R (n-l) +...+ R (n-j+l) ) / j …(1)
這樣，在步驟S225中，每次實行步驟S225，都錯動作為計算平 均值的對象的平均阻抗值的范圍以逐個包含最新的值，進行平均阻抗 值的區(qū)間平均Mean R (n)的計算。在步驟S225中算出的區(qū)間平均 MeanR(n)只要表示當前時刻的平均阻抗值的水平就可以，為了計算 平均值而使用的平均阻抗值的采樣數(shù)j可以適當設定。之后，CPU55 和步驟S130—樣，比較上述區(qū)間平均MeanR (n)與基準值A，判斷 單體電池是否處于濕潤傾向(步驟S230)。這樣，通過使用關于進行 了平均化處理的單體電池阻抗值的區(qū)間平均MeanR(n)，也能進行基 于阻抗值的水平的同樣的判斷。
而且，表示作為其它變形例的溢流判斷處理程序的流程圖如圖7 所示。這里，對于與圖4通用的步驟，采用相同的步驟編號并省略其 說明。在圖7中，代替步驟S130，進行步驟S325及步驟S330。在步 驟S325中，CPU55導出平均阻抗值R的區(qū)間最頻值ModeR (n)。所 謂區(qū)間最頻值Mode R (n)是指，對于從算出的最新的平均阻抗值R (n)起隨著時間追溯而得到的規(guī)定數(shù)目的平均阻抗值，調查值的頻數(shù) 分布，作為頻率最高的數(shù)值而得到的值。
圖8為表示對于從平均阻抗值R (n)起隨著時間追溯而得到的規(guī)定數(shù)目的平均阻抗值、調查了值的頻數(shù)分布后的結果的說明圖。將平 均阻抗值所取的數(shù)值范圍分割成多個范圍，對于上述規(guī)定數(shù)目的平均 阻抗值，調査屬于分割后的各個數(shù)值范圍的平均阻抗值的數(shù)目(頻數(shù))，
將頻數(shù)最高的數(shù)值范圍的中央值作為區(qū)間最頻值ModeR (n)。
這樣，在步驟S325中，每次實行步驟S325，都錯動作為求最頻 值的對象的平均阻抗值的范圍以逐個包含最新值，得到平均阻抗值的 區(qū)間最頻值Mode R (n)。在步驟S325中求出的區(qū)間最頻值Mode R (n)只要表示當前時刻的平均阻抗值的水平就可以，為了計算最頻值 而使用的平均阻抗值的采樣數(shù)可以適當設定。之后，CPU55和步驟S130 一樣，比較上述區(qū)間最頻值ModeR(n)與基準值A，判斷單體電池是 否處于濕潤傾向(步驟S330)。這樣，通過使用關于進行了平均化處 理的單體電池阻抗值的區(qū)間最頻值Mode R (n)，也能進行基于阻抗 值的水平的同樣的判斷。
另外，用于判斷單體電池是否處于易于產生溢流的濕潤傾向的與 步驟S130對應的判斷也可以通過其它方法實現(xiàn)，而不利用相對單體電 池阻抗值施加平均化處理后的值。例如，可以在燃料電池20中設置溫 度傳感器，當燃料電池20的內部溫度比基準溫度低時，判斷為燃料電 池處于濕潤傾向?；蛘?，也可以在供給燃料電池20的燃料氣體及/或氧 化氣體的流量為規(guī)定量以下的情況下，判斷為燃料電池20處于濕潤傾 向。而且，也可以在從啟動燃料電池系統(tǒng)10起的經(jīng)過時間為基準時間 以下的情況下，認為燃料電池20未充分地升溫，判斷為燃料電池20 處于濕潤傾向。
(3)在上述實施例中，在步驟S150中，基于平均阻抗值R (n) 的標準偏差判斷燃料電池是否處于發(fā)生溢流的過度濕潤狀態(tài)，但是， 也可以是不同的構成。也就是說，只要是表示關于施加了平均化處理 后的阻抗值的偏差的統(tǒng)計值就行，也可以使用標準偏差以外的值。例 如，可以代替標準偏差使用方差。(4) 在上述實施例中，為了基于電解質膜22的濕潤狀態(tài)影響單 體電池的阻抗值這樣的事實，進行單體電池是否處于濕潤傾向的判斷、 是否處于過度濕潤狀態(tài)的判斷，利用由檢測出的交流成分的電壓值算 出的阻抗值。這里，由于根據(jù)檢測出的交流成分的電壓值計算阻抗值 時使用的電壓值的值是一定的，所以也可以基于檢測出的電壓值進行
上述判斷，而不計算阻抗值。例如，在圖4所示的溢流判斷處理程序 中，在步驟S120中對取得的電壓值進行同樣的平均化處理即可，無需 進行步驟SllO。而且，在步驟S130中，將實行了平均化處理的電壓值 與基準值進行比較，在上述電壓值比基準值小時，可以判斷為處于濕 潤傾向。而且，在步驟S140中，對實行了平均化處理的電壓值計算標 準偏差，在步驟S150中將上述標準偏差和基準值進行比較，如果標準 偏差為基準值以上，則可以判斷為過度濕潤狀態(tài)。這樣，由于不計算 阻抗值而根據(jù)檢測出的電壓值進行判斷，所以能減少用于判斷的處理。
(5) 在上述實施例中，雖然相對單個的特定單體電池設置電壓檢 測部50，但是，也可以相對從堆疊結構中選出的多個單體電池分別設 置電壓檢測部50。通過對燃料電池20施加一定的交流電流并對每個單 體電池取得電壓的交流成分，可以在設置了電壓檢測部50的各個單體 電池中進行是否為過度濕潤狀態(tài)的判斷。在這種情況下，例如，對于 選出的各個單體電池，分別實行已經(jīng)描述過的溢流判斷處理程序，當 判斷出在任一個單體電池中處于過度濕潤狀態(tài)時，實行用于溢流回避 的處理即可。
權利要求
1.一種具有固體高分子型燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，具有交流成分發(fā)生部，其以一定的頻率和振幅對上述燃料電池施加交流電成分；交流電壓取得部，其從構成上述燃料電池的預定的單體電池的輸出電壓中分離起因于上述交流電的交流成分，以隨著時間獲取上述交流成分的電壓值；濕潤狀態(tài)判斷部，其判斷上述燃料電池是否處于濕潤傾向；和過度濕潤判斷部，其在上述濕潤狀態(tài)判斷部判斷出上述燃料電池處于上述濕潤傾向時，判斷上述燃料電池是否處于過度濕潤。
2. 如權利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，上述濕潤狀態(tài)判斷部對與隨著時間獲取的上述交流成分的電壓相 關的值進行平均化處理、以生成平均化值，并且在上述平均化值小于 基準值時，判斷為上述燃料電池處于濕潤傾向。
3. 如權利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，上述濕潤狀態(tài)判斷部對與隨著時間獲取的上述交流成分的電壓相 關的值進行平均化處理、以逐次生成平均化值，求出逐次生成的上述 平均化值中頻率最高的最頻平均化值，并且在該最頻平均化值小于基 準值時，判斷為上述燃料電池處于濕潤傾向。
4. 如權利要求2或3所述的燃料電池系統(tǒng)，上述濕潤狀態(tài)判斷部根據(jù)隨著時間獲取的上述交流成分的電壓值 與上述交流電流的電流值、隨著時間導出上述單體電池的阻抗值，并 且作為與上述電壓相關的值的平均化處理，進行對上述阻抗值的平均 化處理，生成上述平均化值。
5. 如權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，上述燃料電池系統(tǒng)還具有用于檢測上述燃料電池的內部溫度的溫 度傳感器，上述濕潤狀態(tài)判斷部，在上述溫度傳感器檢測出的上述燃料電池 的內部溫度比基準溫度低的情況下，判斷為上述燃料電池處于濕潤傾 向。
6. 如權利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，上述濕潤狀態(tài)判斷部在供給上述燃料電池的氣體流量為預定量以 下的情況下，判斷為上述燃料電池處于濕潤傾向。
7. 如權利要求1至6中任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，上述過度濕潤判斷部求出表示隨著時間獲取的上述交流成分的電 壓值的偏差大小的統(tǒng)計值，在表示上述偏差大小的統(tǒng)計值超過基準值 的情況下，判斷為上述燃料電池處于過度濕潤。
8. 如權利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，上述過度濕潤判斷部根據(jù)隨著時間獲取的上述交流成分的電壓值 與上述交流電流的電流值、隨著時間導出上述單體電池的阻抗值，并 且作為表示上述電壓值的偏差大小的統(tǒng)計值，求出表示上述阻抗值的 偏差大小的統(tǒng)計值。
9. 如權利要求1至7中任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)， 還具有溢流回避處理實行部，在判斷為上述燃料電池處于過度濕潤的情況下，其實行用于避免溢流的溢流回避處理。
10. 如權利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，上述溢流回避處理，通過使根據(jù)上述燃料電池系統(tǒng)供給電力的負 載的負載要求而確定的氧化氣體流量及氧化氣體壓力增大來實行。
11. 如權利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，上述溢流回避處理，通過使根據(jù)上述燃料電池系統(tǒng)供給電力的負 載的負載要求而確定的燃料氣體流量及燃料氣體壓力增大來實行。
12. —種具有固體高分子型燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的過度濕潤 判斷方法，具有下述步驟以一定的頻率和振幅對上述燃料電池施加交流電成分； 從構成上述燃料電池的預定的單體電池的輸出電壓中分離起因于 上述交流電成分的交流成分，以隨著時間獲取上述交流成分的電壓值； 判斷上述燃料電池是否處于濕潤傾向；和在判斷出上述燃料電池處于上述濕潤傾向時，判斷上述燃料電池 是否處于過度濕潤。
13. 如權利要求12所述的過度濕潤判斷方法，在上述燃料電池是否處于過度濕潤的判斷中，求出表示隨著時間 獲取的上述交流成分的電壓值的偏差大小的統(tǒng)計值，在表示上述偏差 大小的統(tǒng)計值超過基準值的情況下，判斷為上述燃料電池處于過度濕
全文摘要
一種具有固體高分子型燃料電池(20)的燃料電池系統(tǒng)(10)具有交流電流發(fā)生部(52)，其以一定的頻率和振幅對燃料電池(20)施加交流電流；交流電壓取得部(過濾器部(71)、A/D變換器(72)及控制部(54))，其從構成燃料電池(20)的特定的單體電池的輸出電壓分離起因于交流電流的交流成分，以隨著時間獲取交流成分的電壓值；濕潤狀態(tài)判斷部(控制部(54))，其判斷燃料電池(20)是否處于濕潤傾向；和過度濕潤判斷部(控制部(54))，其在濕潤狀態(tài)判斷部判斷出燃料電池(20)處于濕潤傾向時，求出表示隨著時間獲取到的上述交流成分的電壓值的偏差的大小之統(tǒng)計值，在表示該偏差的大小的統(tǒng)計值超過基準值的情況下，判斷為燃料電池(20)處于過度濕潤。
文檔編號H01M8/04GK101243571SQ20068003005
公開日2008年8月13日 申請日期2006年8月4日 優(yōu)先權日2005年8月18日
發(fā)明者荒木康 申請人:豐田自動車株式會社