專利名稱：燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
以往，已知一種具有如下燃料電池的燃料電池系統(tǒng)通過使提供給氧化劑極的氧化劑氣體和提供給燃料極的燃料氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)來進行發(fā)電。通常，燃料電池是層疊多個單電池而構(gòu)成的，該單電池具有反應(yīng)電極(氧化劑極或者燃料極)和向該反應(yīng)電極提供反應(yīng)氣體(氧化劑氣體或者燃料氣體)的內(nèi)部氣體流路。在這種燃料電池系統(tǒng)中，每個單電池的反應(yīng)電極中都產(chǎn)生生成水。在由于該生成水而內(nèi)部氣體流路被堵塞的單電池中，很難將反應(yīng)氣體提供給反應(yīng)電極。因此，電壓變得不穩(wěn)定，從而有可能無法穩(wěn)定地進行燃料電池的發(fā)電。例如，在專利文獻1中公開了如下一種方法通過增加提供給燃料電池的反應(yīng)氣體的流量，來排出積留在內(nèi)部氣體流路中的生成水，實現(xiàn)燃料電池發(fā)電的穩(wěn)定化。專利文獻1 日本特開2006-111沈6號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題根據(jù)專利文獻1所公開的方法，通過增加反應(yīng)氣體的流量能夠排出積留在內(nèi)部氣體流路中的生成水。但是，根據(jù)結(jié)束該生成水的排出處理的結(jié)束定時不同，在該處理中有可能過量地提供反應(yīng)氣體。用于解決問題的方案為了解決上述問題，本發(fā)明以第一流量開始向燃料電池提供反應(yīng)氣體。在判定為預(yù)先設(shè)定的判斷電池數(shù)以上的單電池中由反應(yīng)電極保持的生成水流到了內(nèi)部氣體流路側(cè)的情況下，將反應(yīng)氣體的流量從第一流量變更為小于該第一流量的第二流量。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，在開始向燃料電池提供反應(yīng)氣體之后，通過檢測判斷電池數(shù)以上的單電池中生成水向內(nèi)部氣體流路側(cè)的流出，能夠判斷針對每個單電池分配反應(yīng)氣體的分配量的偏差已得到改善。由于該偏差得到改善而不需要增加反應(yīng)氣體的流量，因此能夠減小流量。由此，能夠在生成水的排出處理中降低過量地提供反應(yīng)氣體的可能性。


圖1是概要性地表示第一實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖2是表示燃料電池系統(tǒng)的控制方法的過程的流程圖。圖3是啟動處理的時序圖。圖4是示意性地表示燃料電池堆1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的截面圖。圖5是表示判斷值Wth的設(shè)定基準(zhǔn)的說明圖。
圖6是表示第二實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。圖7是表示第三實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。圖8是對判斷值的設(shè)定方法進行說明的說明圖。附圖標(biāo)記說明1 燃料電池堆；Ia 所有單電池；la 單電池；Ib 氣體擴散層；Ic 內(nèi)部氣體流路；2 輸出取出裝置；10 燃料罐；11 氫調(diào)壓閥；12 氫循環(huán)泵；13 凈化閥；14 氣液分離裝置；20 壓縮機；21 空氣調(diào)壓閥；30 控制部；31 電流傳感器；32 液位傳感器(level sensor) ；33 壓力傳感器；34 壓力傳感器；35 壓力傳感器；36 壓力傳感器。
具體實施例方式(第一實施方式)圖1是概要性地表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。燃料電池系統(tǒng)例如裝載在作為移動體的車輛中，利用從燃料電池系統(tǒng)提供的電力來驅(qū)動該車輛。燃料電池系統(tǒng)具備燃料電池堆(燃料電池)1，該燃料電池堆1是通過層疊多個單電池而構(gòu)成的，該單電池由一對隔板夾持燃料電池結(jié)構(gòu)體而構(gòu)成。在此，燃料電池結(jié)構(gòu)體是通過一對電極(反應(yīng)電極)、即燃料極和氧化劑極夾持固體高分子電解質(zhì)膜構(gòu)成的。固體高分子電解質(zhì)膜例如由氟樹脂系離子交換膜這種具有離子傳導(dǎo)性的高分子膜構(gòu)成，通過飽和含水而作為離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)而發(fā)揮功能。燃料極由鉬系催化劑層以及氣體擴散層構(gòu)成， 該鉬系催化劑層承載有鉬等催化劑，該氣體擴散層由碳纖維等多孔質(zhì)體構(gòu)成。氧化劑極由鉬系催化劑層以及氣體擴散層構(gòu)成，該鉬系催化劑層承載有鉬等催化劑，該氣體擴散層由碳纖維等多孔質(zhì)體構(gòu)成。另外，在從兩側(cè)夾持燃料電池結(jié)構(gòu)體的隔板中形成有用于向每個反應(yīng)電極提供反應(yīng)氣體(燃料氣體或者氧化劑氣體)的內(nèi)部氣體流路。燃料電池堆1通過向每個單電池的燃料極提供燃料氣體的同時向氧化劑極提供氧化劑氣體，來使燃料氣體和氧化劑氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而進行發(fā)電。在本實施方式中，針對使用氫作為燃料氣體、使用空氣作為氧化劑氣體的情形進行說明。燃料電池系統(tǒng)具備用于向燃料電池堆1提供氫的供氫系統(tǒng)和用于向燃料電池堆1 提供空氣的空氣供給系統(tǒng)。供氫系統(tǒng)具備向燃料電池堆1提供作為燃料氣體的氫的燃料氣體供給單元。具體地說，例如在稱為高壓氫氣罐的燃料罐10中儲存氫，從燃料罐10通過氫供給流路將氫提供給燃料電池堆1。在氫供給流路上，在燃料罐10的下游側(cè)設(shè)置有罐的總閥門元八
未圖示)，并且，在該閥的下游設(shè)置有減壓閥(未圖示)。通過將罐的總閥門設(shè)為打開狀態(tài)，來自燃料罐10的高壓氫氣被減壓閥機械性地減壓到規(guī)定的壓力。另外，在氫供給流路上，在減壓閥的下游側(cè)設(shè)置有氫調(diào)壓閥11。該氫調(diào)壓閥11調(diào)整被減壓閥減壓后的氫的壓力以使燃料電池堆1的燃料極處的氫壓力成為期望的壓力。從燃料電池堆1的每個燃料極排出的排出氣體(包含未使用的氫的氣體)被排出到氫循環(huán)流路中。氫循環(huán)流路的另一端部連接在氫供給流路中的氫調(diào)壓閥11的下游側(cè)。在該氫循環(huán)流路中例如設(shè)置有稱為氫循環(huán)泵12的氫循環(huán)單元。利用氫循環(huán)單元使從燃料電池堆1的燃料極排出的排出氣體循環(huán)回燃料電池堆1的燃料極。
另外，在使用空氣作為氧化劑氣體的情況下，有時提供給氧化劑極的氧化劑氣體所包含的雜質(zhì)(例如氮)會透過到燃料極側(cè)。因此，存在包括燃料極和氫循環(huán)流路的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)濃度增加而氫分壓減小的趨勢。在雜質(zhì)濃度高的情況下，產(chǎn)生燃料電池堆1 的輸出降低等問題，因此需要管理循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)濃度。因此，在氫循環(huán)流路中設(shè)置有用于從循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)清除雜質(zhì)的凈化流路。在凈化流路上設(shè)置有凈化閥13，根據(jù)需要將該凈化閥13從關(guān)閉狀態(tài)切換為打開狀態(tài)，由此能夠?qū)⒃跉溲h(huán)流路中流動的循環(huán)氣體排出到外部。由此，能夠清除雜質(zhì)，從而能夠調(diào)整循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)濃度?？諝夤┙o系統(tǒng)具有向燃料電池堆1提供作為氧化劑氣體的空氣的氧化劑氣體供給單元。具體地說，通過空氣供給流路將空氣提供給燃料電池堆1。在該空氣供給流路中設(shè)置有壓縮機20。壓縮機20取入大氣(空氣)時，將空氣加壓而排出。加壓后的空氣被提供給燃料電池堆1。從燃料電池堆1的每個氧化劑極排出的排出氣體(氧被消耗掉的空氣)通過空氣排出流路被排出到外部(大氣)。在空氣排出流路上設(shè)置有空氣調(diào)壓閥21。該空氣調(diào)壓閥 21調(diào)整空氣的壓力使得燃料電池堆1的氧化劑極處的壓力成為期望的壓力。在燃料電池堆1上連接有對從燃料電池堆1取出的輸出(例如電流)進行控制的輸出取出裝置2。在燃料電池堆1中產(chǎn)生的電力通過輸出取出裝置2被提供給驅(qū)動車輛的電動馬達、蓄電池或者提供給用于燃料電池堆1發(fā)電的各種輔機(例如壓縮機20、氫循環(huán)泵 12等)以及車輛用的各種輔機(空調(diào)裝置等)?？刂撇?控制單元)30具有綜合控制系統(tǒng)整體的功能，通過按照控制程序進行動作來控制系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。作為控制部30，能夠使用以0 隊1 011、肌11、1/0接口為主體而構(gòu)成的微計算機。該控制部30根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)進行各種運算，將該運算結(jié)果作為控制信號輸出到各種致動器(未圖示)。由此，控制氫調(diào)壓閥11的開度、氫循環(huán)泵12的轉(zhuǎn)速、壓縮機 20的轉(zhuǎn)速、空氣調(diào)壓閥21的開度、以及輸出取出裝置2取出電流的取出量。為了檢測系統(tǒng)的狀態(tài)，而將來自各種傳感器等的傳感器信號輸入到控制部30。電流傳感器31檢測從燃料電池堆1取出的電流(下面稱為“堆電流”)。與本實施方式之間的關(guān)系中，控制部(控制單元和判斷單元)30判斷預(yù)先設(shè)定的判斷電池數(shù)以上的單電池中由燃料極保持的生成水是否流到了內(nèi)部氣體流路側(cè)(生成水流出判斷)。另外，控制部30在系統(tǒng)啟動時執(zhí)行的啟動處理中，以后述的啟動時流量(第一流量)開始提供氫，在判斷為生成水流出的情況下，將氫的流量從啟動時流量變更為流量小于該啟動時流量的后述的正常運轉(zhuǎn)流量?？刂撇?0不僅將燃料極側(cè)作為控制對象進行處理，還能夠?qū)⒀趸瘎O側(cè)作為控制對象進行處理。具體地說，控制部30在系統(tǒng)啟動時執(zhí)行的啟動處理中，以啟動時流量(第一流量)提供空氣。另外，控制部30在判斷為預(yù)先設(shè)定的判斷電池數(shù)以上的單電池中由氧化劑極保持的生成水流到了內(nèi)部氣體流路側(cè)的情況下判斷為生成水流出。然后，控制部30 在判斷為生成水流出的情況下，將空氣的流量從啟動時流量變更為后述的正常運轉(zhuǎn)流量。在上述控制中，根據(jù)與燃料電池堆1有關(guān)的生成水的產(chǎn)生狀況，可以僅將燃料極和氧化劑極中的某一個作為控制對象執(zhí)行處理，也可以將雙方都作為控制對象并行地執(zhí)行處理。另外，也可以將燃料極和氧化劑極雙方都作為控制對象綜合執(zhí)行處理。在該情形中，同樣地，在判斷為燃料極和氧化劑極雙方都流出生成水的情況下，使氫和空氣的流量從啟動時流量減小為正常運轉(zhuǎn)流量。此外，在本實施方式中，考慮到這種控制方式的變化，為了便于說明，將燃料極或者氧化劑極統(tǒng)稱為反應(yīng)電極、將氫或者空氣統(tǒng)稱為反應(yīng)氣體來進行說明。圖2是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的控制方法的過程的流程圖。該流程圖所示的一系列過程表示在系統(tǒng)啟動時執(zhí)行的啟動處理的流程，例如以點火開關(guān)的接通信號為觸發(fā)，由控制部30執(zhí)行該一系列過程。首先，在步驟I(Sl)中，判斷生成水排出標(biāo)志Fw是否為“1”。該生成水排出標(biāo)志 Fw是判斷是否正在執(zhí)行后述的排出處理的標(biāo)志，初始狀態(tài)時設(shè)置為“0”。因此，直到生成水排出標(biāo)志Fw被設(shè)置為“1”為止，在該步驟1中判斷為否而進入步驟2 (S2)。另一方面，當(dāng)生成水排出標(biāo)志Fw被設(shè)置為“1”時，在步驟1中判斷為是而跳過步驟2和步驟3 (S3)的處理，進入步驟4 (S4)的處理。在步驟2中，計數(shù)標(biāo)志Fcnt被設(shè)置為“1”。該計數(shù)標(biāo)志Fcnt是用于判斷對經(jīng)過時間進行計數(shù)的計時器是否正在進行動作的標(biāo)志，該經(jīng)過時間是開始提供反應(yīng)氣體起的經(jīng)過時間、即燃料電池堆1開始發(fā)電起的經(jīng)過時間。計數(shù)標(biāo)志Fcnt初始狀態(tài)時被設(shè)置為“0”。 控制部30以在步驟2中將計數(shù)標(biāo)志Fcnt從“0”設(shè)置為“1”為條件，開始由計時器進行的經(jīng)過時間的計數(shù)。在步驟3中，開始提供反應(yīng)氣體。具體地說，控制部30控制氫調(diào)壓閥11和壓縮機 20開始提供反應(yīng)氣體。在這種情況下，控制部30以啟動時流量提供反應(yīng)氣體(排出處理開始)，該啟動時流量被設(shè)定為比正常運轉(zhuǎn)時設(shè)定的正常運轉(zhuǎn)流量(即，用于使燃料電池堆1 進行動作的設(shè)計流量)大的值。在步驟4中，讀入傳感器值。具體地說，在第一實施方式中，讀入由電流傳感器31 檢測出的堆電流。在步驟5 (S5)中，判斷生成水累積量Wad是否大于等于判定值Wth。生成水累積量Wad是以燃料電池堆1開始發(fā)電的定時為起點的、在燃料電池堆1中生成的生成水量的累積值。燃料電池堆1每單位時間生成的生成水量與從燃料電池堆1取出的取出電流成比例。因此，通過定期地讀入堆電流、監(jiān)視堆電流隨著時間經(jīng)過而發(fā)生的變化，能夠計算出生成水累積量Wad。另一方面，通過將預(yù)先設(shè)定的判斷電池數(shù)(例如構(gòu)成燃料電池堆1的所有電池的數(shù)量)與單電池可保持的液態(tài)水量相乘來計算判斷值Wth。在此，單電池可保持的液態(tài)水量是單電池、具體地說氣體擴散層能夠保持的生成水的量，在單電池的開發(fā)階段、或者通過實驗、仿真能夠獲知該量。換言之，判斷值Wth表示判斷電池數(shù)的單電池能夠保持的生成水的總量。通過該步驟5的判斷，能夠判斷在燃料電池堆1中由判斷電池數(shù)(例如所有電池) 以上的單電池的反應(yīng)電極(氣體擴散層)保持的生成水是否流到了內(nèi)部氣體流路側(cè)。在步驟5中判斷為是的情況下、即在生成水累積量Wad大于等于判斷值Wth的情況下，判斷為生成水流出，進入步驟6 (S6)。在步驟5中判斷為否的情況下、即在生成水累積量Wad小于判斷值Wth的情況下，進入步驟7 (S7)。在步驟6中，將計數(shù)標(biāo)志Fcnt設(shè)置為“0”，并且將生成水排出標(biāo)志Fw設(shè)置為“0”?？刂撇?0以將計數(shù)標(biāo)志Fcnt從“1”設(shè)置為“0”為條件，停止計時器的計數(shù)，并且將經(jīng)過時間重置為零。另外，控制部30以將生成水排出標(biāo)志Fw從“1”設(shè)置為“0”為條件，將流量從啟動時流量變更為正常運轉(zhuǎn)流量來進行反應(yīng)氣體的提供。在步驟7中，將生成水排出標(biāo)志Fw設(shè)置為“ 1，，，之后，退出本例程。圖3示出本實施方式的啟動處理的時序圖。該圖中，Lg表示向燃料電池堆1提供的反應(yīng)氣體的流量的變化，Lw表示生成水累積量Wad的變化，Lwth表示判斷值Wth。這樣，在本實施方式中，控制部30在系統(tǒng)啟動時執(zhí)行的啟動處理中，以啟動時流量提供反應(yīng)氣體。另外，控制部30在判斷為預(yù)先設(shè)定的判斷電池數(shù)以上的單電池中由反應(yīng)電極保持的生成水流到了內(nèi)部氣體流路側(cè)的情況下，判斷為生成水流出(定時tl)。然后， 控制部30在判斷為生成水流出的情況下，將反應(yīng)氣體的流量從啟動時流量變更為正常運轉(zhuǎn)流量。圖4是示意性地表示燃料電池堆1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的截面圖。當(dāng)燃料電池堆1開始發(fā)電時，在各單電池Ia中隨著發(fā)電反應(yīng)而產(chǎn)生水。在燃料電池系統(tǒng)啟動時等燃料電池堆1的動作溫度較低的情況下，與動作溫度較高的情況相比，生成水、由供給氣體帶入的水分容易在氣體擴散層lb、內(nèi)部氣體流路Ic中凝結(jié)。因此，凝結(jié)的水分會妨礙反應(yīng)氣體的提供，有可能無法進行發(fā)電(即，液泛(flooding))。另外，即使在燃料電池堆1的溫度較高的情況下，如果在氣體擴散層干燥的狀態(tài)下開始發(fā)電、或者充分運轉(zhuǎn)而溫度上升之后重新啟動時等，生成水也會浸濕氣體擴散層Ib、 即被氣體擴散層Ib保持。生成水在達到氣體擴散層Ib能夠保持的液態(tài)水量之前被氣體擴散層Ib保持而不流出到內(nèi)部氣體流路Ic側(cè)(參照圖4的(a))。在該圖中，用實線表示的箭頭表示反應(yīng)氣體的流動。當(dāng)由氣體擴散層Ib保持的生成水量達到能夠保持的液態(tài)水量時，從氣體擴散層Ib溢出的生成水流出到內(nèi)部氣體流路Ic側(cè)。氣體擴散層Ib能夠保持的液態(tài)水量具有依賴于單電池的溫度的傾向。具體地說，氣體擴散層Ib能夠保持的液態(tài)水量具有溫度越高、能夠保持的液態(tài)水量的值越大的傾向。根據(jù)單電池的個體差異或者溫度差， 有時每個單電池Ia能夠保持的液態(tài)水量不同。由此，存在各單電池Ia中生成水從氣體擴散層Ib流出到內(nèi)部氣體流路Ic的定時不同的情況。在生成水流出到內(nèi)部氣體流路Ic的單電池Ia中，產(chǎn)生生成水溢出到內(nèi)部氣體流路Ic的所謂的液泛。由于液泛而內(nèi)部流路中積留有生成水的單電池Ia的內(nèi)部氣體流路 lc，與沒有生成水流出的單電池Ia相比，壓力損失上升。因此，在單電池Ia之間，內(nèi)部氣體流路Ic的壓力損失產(chǎn)生差異，從而產(chǎn)生對單電池Ia分配反應(yīng)氣體的分配性能變差的單電池la(參照圖4的(b))。在該圖中，用陰影表示的氣體擴散層Ib表示生成水流到了內(nèi)部氣體流路Ic側(cè)的狀態(tài)。因此，在難以分配反應(yīng)氣體的單電池Ia中，存在反應(yīng)氣體不足的可能性。因此，在本實施方式中，在開始發(fā)電的情況下，以流量比正常運轉(zhuǎn)流量大的啟動時流量提供反應(yīng)氣體。因此，通過增大反應(yīng)氣體的流量，即使是壓力損失較大而以正常運轉(zhuǎn)流量會導(dǎo)致反應(yīng)氣體不足的單電池la，也能夠向該單電池Ia提供反應(yīng)氣體。另外，如果在判斷電池數(shù)以上的單電池Ia中生成水流到了內(nèi)部氣體流路Ic側(cè)，則消除了各單電池Ia的壓力損失的差異(參照圖4的(c))。由此，能夠恢復(fù)對單電池Ia分配反應(yīng)氣體的分配性能。因此，能夠?qū)⒎磻?yīng)氣體的流量恢復(fù)為正常運轉(zhuǎn)流量。
這樣，根據(jù)本實施方式，能夠檢測判斷電池數(shù)以上的單電池中生成水流到了內(nèi)部氣體流路側(cè)的定時。由此，能夠高精確度地判斷反應(yīng)氣體的分配性能變差而電壓變得不穩(wěn)定的期間的結(jié)束定時。因此，能夠在適當(dāng)?shù)亩〞r結(jié)束使反應(yīng)氣體的流量增加的期間、即積留在內(nèi)部氣體流路中的生成水的排出處理。另外，在本實施方式中，根據(jù)生成水流出到內(nèi)部氣體流路側(cè)的單電池的個數(shù)以及對每個單電池分配反應(yīng)氣體的分配差異的程度，以構(gòu)成燃料電池堆1的所有單電池為上限數(shù)來設(shè)定判斷電池數(shù)。在此，說明判斷值Wth的設(shè)定基準(zhǔn)。例如，設(shè)判斷電池數(shù)為構(gòu)成燃料電池堆1的所有單電池Ia的個數(shù)。在這種情況下，判斷值Wth是所有單電池Ia的氣體擴散層Ib能夠保持的液態(tài)水量的合計。并且，在所有單電池Ia中生成水流到了內(nèi)部氣體流路Ic側(cè)的情況下，能夠抑制單電池Ia間壓力損失的差異。因此，能夠?qū)⒎磻?yīng)氣體的流量恢復(fù)為正常運轉(zhuǎn)流量。此外，判斷電池數(shù)不限定于構(gòu)成燃料電池堆1的所有單電池的個數(shù)。例如，能夠?qū)ι伤畯臍怏w擴散層流出到內(nèi)部氣體流路側(cè)的單電池的個數(shù)進行計數(shù)，將可判斷為反應(yīng)氣體的分配性能得到改善的單電池的個數(shù)設(shè)定為判斷電池數(shù)的下限值。圖5是表示判斷值Wth的設(shè)定基準(zhǔn)的說明圖。具體地說，首先，對燃料電池堆1設(shè)定使取出電流固定的穩(wěn)定發(fā)電狀態(tài)。在這種情況下，在單電池間生成水向內(nèi)部氣體流路的流出開始產(chǎn)生差異的定時，以在反應(yīng)氣體的分配最差的單電池中會產(chǎn)生液泛的反應(yīng)氣體流量繼續(xù)發(fā)電。并且，計算生成水累積量作為判斷值wth，該生成水累積量是由于在規(guī)定數(shù)的單電池中生成水流出到內(nèi)部氣體流路側(cè)而反應(yīng)氣體的分配性能改善從而消除液泛之前的生成水的累積量。在此，在圖5中，A表示構(gòu)成燃料電池堆1的所有單電池的氣體擴散層的容積，Lw 表示生成水累積量Wad。另外，Vave表示與每個單電池有關(guān)的平均電壓，Vmin表示各個單電池中的最低電壓。在產(chǎn)生液泛的單電池中，由于發(fā)電效率下降而呈現(xiàn)電壓下降的傾向。另外，在消除了液泛的定時，消除了電壓的下降。因此，能夠根據(jù)與消除了液泛的定時相對應(yīng)的點B處的生成水累積量來設(shè)定判斷值Wth。另外，在本實施方式中，控制部30根據(jù)以發(fā)電開始的定時為起點的堆電流在時間序列上的變化，來計算燃料電池堆1的生成水累積量Wad。然后，控制部30以生成水累積量Wad達到了判斷值Wth、即達到了在判斷電池數(shù)以上的單電池中生成水流到了內(nèi)部氣體流路側(cè)時生成水的總量為條件，判斷為生成水流出。在開始發(fā)電后，如果超過氣體擴散層可保持的液態(tài)水量的生成水流出到內(nèi)部氣體流路側(cè)的單電池數(shù)在判斷電池數(shù)以上，則脫離了電壓不穩(wěn)定的區(qū)域(壓力損失存在差異的區(qū)域)。通過根據(jù)堆電流求出生成水累積量，能夠高精確度地檢測值。(第二實施方式)圖6是表示本發(fā)明的第二實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。本實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)與第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的不同點在于直接測量生成水累積量Wad。此外，對與第一實施方式重復(fù)的結(jié)構(gòu)省略說明，以不同點為中心進行說明。具體地說，在氫循環(huán)流路中設(shè)置有氣液分離裝置14。該氣液分離裝置14將在氫循環(huán)流路中流動的氣體、即包含生成水的氣體分離為氣體成分和生成水。分離得到的生成水積存在氣液分離裝置14內(nèi)，根據(jù)需要經(jīng)由未圖示的流路排出到外部。在該氣液分離裝置14 中設(shè)置有檢測所積存的生成水的水位的液位傳感器(level SenSOr)32。換言之，該液位傳感器32設(shè)置在燃料電池堆1的反應(yīng)氣體的出口側(cè)，檢測從燃料電池堆1排出的生成水量。 來自液位傳感器32的傳感器信號被輸入到控制部30。控制部30根據(jù)來自液位傳感器32的傳感器信號、即生成水的水位來計算生成水累積量Wad。然后，與第一實施方式同樣地，通過將該生成水累積量Wad與判斷值Wth進行比較，判斷是否在判斷電池數(shù)以上的單電池中生成水流到了內(nèi)部氣體流路側(cè)。在開始發(fā)電之后，如果超過氣體擴散層可保持的液態(tài)水量的生成水流出到內(nèi)部氣體流路側(cè)的單電池數(shù)在判斷電池數(shù)以上，則脫離了電壓不穩(wěn)定的區(qū)域(壓力損失存在差異的區(qū)域)。通過直接檢測從燃料電池堆1排出的生成水的量，能夠高精確度地檢測生成水累積量。此外，在本實施方式中，主要以在燃料極側(cè)保持生成水的情形為前提，只在供氫系統(tǒng)側(cè)設(shè)置了檢測從燃料電池堆1排出的生成水量的檢測單元，但是本發(fā)明不限定于此。在氧化劑極側(cè)保持生成水的情況下，也可以只在供氧系統(tǒng)中設(shè)置檢測單元。另外，也可以在供氫系統(tǒng)以及空氣供給系統(tǒng)這兩個系統(tǒng)中都設(shè)置檢測單元。另外，作為檢測單元，也可以設(shè)置在燃料電池堆1的反應(yīng)氣體的出口側(cè)來檢測從燃料電池堆1排出的生成水的排出速度。在這種情況下，控制部30以檢測出的排出速度達到了在判斷電池數(shù)以上的單電池中生成水流到了內(nèi)部氣體流路側(cè)時的生成水的排出速度為條件，判斷為生成水流出。(第三實施方式)圖7是表示本發(fā)明的第三實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。本實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)與第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的不同點在于直接測量生成水累積量Wad。此外，對與第一實施方式重復(fù)的結(jié)構(gòu)省略說明，以不同點為中心進行說明。具體地說，在供氫系統(tǒng)中，在燃料電池堆1的上游側(cè)和下游側(cè)設(shè)置有檢測壓力的壓力傳感器33、34。另外，在空氣供給系統(tǒng)中，在燃料電池堆1的上游側(cè)和下游側(cè)設(shè)置有檢測壓力的壓力傳感器35、36。來自這些壓力傳感器33 36的傳感器信號被輸入到控制部 30?？刂撇?0根據(jù)供氫系統(tǒng)的壓力傳感器33、34，能夠確定燃料極側(cè)的燃料電池堆1 的出入口的壓力損失(下面稱為“燃料極側(cè)的堆壓力損失”)。另外，控制部30根據(jù)空氣供給系統(tǒng)的壓力傳感器35、36，能夠確定氧化劑極側(cè)的燃料電池堆1的壓力損失(下面稱為 “氧化劑極側(cè)的堆壓力損失”)。換言之，壓力傳感器33 36作為檢測燃料電池堆1的反應(yīng)氣體的入口側(cè)的壓力和燃料電池堆1的反應(yīng)氣體的出口側(cè)的壓力之間的壓差的傳感器而發(fā)揮功能。然后，控制部30將堆壓力損失與判斷值進行比較，判斷是否在判斷電池數(shù)(例如所有電池)以上的單電池中反應(yīng)電極(氣體擴散層)所保持的生成水流到了內(nèi)部氣體流路側(cè)。圖8是對判斷值的設(shè)定方法進行說明的說明圖。在此，說明判斷值的設(shè)定方法。在該圖中，Lv表示堆壓力損失的變化，Lw表示生成水累積量Wad的變化。在燃料電池堆1開始發(fā)電的情況下，即使產(chǎn)生生成水，只要生成水量在各單電池的氣體擴散層的液態(tài)水保持量以內(nèi)，生成水就不會被排出到內(nèi)部氣體流路側(cè)。因此，各單電池的內(nèi)部氣體流路的壓力損失較小，堆壓力損失也較小。接著，當(dāng)生成水開始流出到內(nèi)部氣體流路中時，堆壓力損失逐漸變大(定時tl)。 然后，在所有的單電池中生成水都從氣體擴散層流出的情況下，堆壓力損失變?yōu)樽畲笾?(定時t2)。在堆壓力損失達到了最大值的情況下，在所有單電池中生成水流出到內(nèi)部氣體流路側(cè)。由于能夠避免單電池間的壓力損失的差異，因此能夠使用該堆壓力損失的最大值作為判斷值。具體地說，首先，對燃料電池堆1設(shè)定使取出電流固定的穩(wěn)定發(fā)電狀態(tài)。在這種情況下，在單電池間生成水向內(nèi)部氣體流路的流出開始產(chǎn)生差異的定時，以在反應(yīng)氣體的分配變得最差的單電池中產(chǎn)生液泛的反應(yīng)氣體流量繼續(xù)發(fā)電。并且，計算由于生成水流出到內(nèi)部氣體流路側(cè)而反應(yīng)氣體的分配性能得到改善從而消除了液泛時的堆壓力損失。并且， 將計算出的該堆壓力損失設(shè)定為判斷值。這樣，根據(jù)本實施方式，控制部30以堆壓力損失達到了在判斷電池數(shù)以上的單電池中生成水流到了內(nèi)部氣體流路側(cè)時的燃料電池堆1的出入口的壓差為條件，判斷為生成水流出。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，即使在相同的條件下，在生成水流出到內(nèi)部氣體流路的前后堆壓力損失也會發(fā)生變化。由此，根據(jù)堆壓力損失，能夠高精確度地檢測分配流量存在差異的情況的結(jié)束定時。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法不僅可以作為能源裝載在車輛中使用，例如也能夠在如固定型的燃料電池系統(tǒng)那樣的廣泛的用途中利用。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，具備燃料電池和氣體供給單元，該燃料電池由分別具備反應(yīng)電極和向該反應(yīng)電極提供反應(yīng)氣體的內(nèi)部氣體流路的多個單電池構(gòu)成，在每個單電池內(nèi)通過經(jīng)由內(nèi)部氣體流路提供反應(yīng)氣體來進行發(fā)電，該氣體供給單元向上述燃料電池提供反應(yīng)氣體，上述燃料電池系統(tǒng)的特征在于，具有判斷單元，其判斷在預(yù)先設(shè)定的判斷電池數(shù)以上的單電池中由上述反應(yīng)電極保持的生成水是否流出到上述內(nèi)部氣體流路側(cè)；以及控制單元，其使上述氣體供給單元以第一流量開始提供反應(yīng)氣體，在由上述判斷單元判斷為生成水流出的情況下，將從上述氣體供給單元提供的反應(yīng)氣體的流量從上述第一流量變更為小于該第一流量的第二流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述判斷電池數(shù)是根據(jù)生成水流出到上述內(nèi)部氣體流路側(cè)的單電池數(shù)以及向每個單電池分配反應(yīng)氣體的分配差異程度、以構(gòu)成上述燃料電池的所有單電池數(shù)為上限而進行設(shè)定的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述第二流量是在燃料電池系統(tǒng)啟動后的正常運轉(zhuǎn)時用于由上述燃料電池進行發(fā)電動作的設(shè)計流量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具有電流檢測單元，該電流檢測單元檢測從上述燃料電池取出的電流，上述判斷單元根據(jù)以上述燃料電池開始發(fā)電的定時為起點的由上述電流檢測單元檢測出的電流在時間序列上的變化，計算上述燃料電池中產(chǎn)生的生成水的累積量，在該生成水的累積量達到了上述判斷電池數(shù)以上的單電池中生成水流出到上述內(nèi)部氣體流路側(cè)時的生成水的總量的條件下，上述判斷單元判斷為生成水流出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具有液態(tài)水檢測單元，該液態(tài)水檢測單元設(shè)置在上述燃料電池的反應(yīng)氣體出口側(cè)， 檢測從上述燃料電池排出的生成水的量，在由上述液態(tài)水檢測單元檢測出的液態(tài)水量達到了上述判斷電池數(shù)以上的單電池中生成水流出到上述內(nèi)部氣體流路側(cè)時的生成水的量的條件下，上述判斷單元判斷為生成水流出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具有液態(tài)水檢測單元，該液態(tài)水檢測單元設(shè)置在上述燃料電池的反應(yīng)氣體出口側(cè)， 檢測從上述燃料電池排出的生成水的排出速度，在由上述液態(tài)水檢測單元檢測出的排出速度達到了上述判斷電池數(shù)以上的單電池中生成水流出到上述內(nèi)部氣體流路側(cè)時的生成水的排出速度的條件下，上述判斷單元判斷為生成水流出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具有壓差檢測單元，該壓差檢測單元檢測上述燃料電池的反應(yīng)氣體入口側(cè)的壓力和上述燃料電池的反應(yīng)氣體出口側(cè)的壓力之間的壓差，在由上述壓差檢測單元檢測出的壓差達到了上述判斷電池數(shù)以上的單電池中生成水流出到上述內(nèi)部氣體流路側(cè)時的上述燃料電池的出入口的壓差的條件下，上述判斷單元判斷為生成水流出。
8.一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備燃料電池，其由分別具備反應(yīng)電極和向該反應(yīng)電極提供反應(yīng)氣體的內(nèi)部氣體流路的多個單電池構(gòu)成，通過經(jīng)由各內(nèi)部氣體流路向各反應(yīng)電極提供反應(yīng)氣體來進行發(fā)電；以及氣體供給單元，其向上述反應(yīng)電極提供反應(yīng)氣體，其中，在燃料電池系統(tǒng)啟動時，從上述氣體供給單元以第一流量提供反應(yīng)氣體，并且在判斷電池數(shù)以上的單電池中由上述反應(yīng)電極保持的生成水流出到上述內(nèi)部氣體流路側(cè)從而抑制了對各內(nèi)部氣體流路分配反應(yīng)氣體的分配差異的條件下，使從上述氣體供給單元提供的反應(yīng)氣體的流量從第一流量開始減小。
9.一種燃料電池系統(tǒng)的控制方法，該燃料電池系統(tǒng)具備燃料電池，該燃料電池由分別具備反應(yīng)電極和向該反應(yīng)電極提供反應(yīng)氣體的內(nèi)部氣體流路的多個單電池構(gòu)成，該燃料電池系統(tǒng)的控制方法的特征在于，以第一流量開始向上述燃料電池提供反應(yīng)氣體，在判定為預(yù)先設(shè)定的判斷電池數(shù)以上的單電池中由上述反應(yīng)電極保持的生成水流出到上述內(nèi)部氣體流路側(cè)的情況下，將反應(yīng)氣體的流量從上述第一流量變更為小于該第一流量的第二流量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。在燃料電池啟動時，在適當(dāng)?shù)亩〞r結(jié)束生成水的排出處理。以第一流量開始提供反應(yīng)氣體。并且，在判斷為預(yù)先設(shè)定的判斷電池數(shù)以上的單電池中由反應(yīng)電極保持的生成水流出到內(nèi)部氣體流路側(cè)的情況下，將反應(yīng)氣體的流量變更為流量小于第一流量的第二流量。
文檔編號H01M8/06GK102165636SQ20098013758
公開日2011年8月24日 申請日期2009年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者佐藤雅士, 前島晉 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社