专利名称：燃料电池系统以及移动体的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统及其控制方法。
背景技术：
以往，有各种关于燃料电池的提案。例如，专利文献1中公示出在具有质子传导性的电解质层的阳极一侧配置了钯系金属膜的燃料电池。在该专利文献1中，通过使具有氢渗透性的金属膜与电解质层接合，可将未高纯度精制的重整气体作为燃料气体直接提供给阳极。作为使电解质层和钯系金属膜等氢渗透性金属膜接合的构成，此外，作为电解质，还可采用具有质子传导性的固体电解质。
发明内容
但是，钯系统金属等氢渗透性金属具有低温时易产生氢脆化的性质。因此，具有氢渗透性金属层的燃料电池，在燃料电池停止时等燃料电池的温度低时，氢渗透性金属层有可能产生氢脆化，从而损害燃料电池的耐久性。
本发明正是为了解决上述现有问题而提出的，其目的在于在具有氢渗透性金属层的燃料电池中，防止氢渗透性金属层发生氢脆化。
为了实现上述目的，本发明的第1种方式提供一种用于输出电力的电源系统。本发明的第1种方式涉及的电源系统的要点在于，包括燃料电池，其配置了具有质子传导性的电解质层以及与该电解质层接合的氢渗透性金属层；燃料气体供给部，其向上述燃料电池的阳极一侧提供含有氢气的燃料气体；吹扫气体供给部，其向上述燃料电池的阳极一侧提供不含有氢气的吹扫气体；吹扫控制部，其在上述燃料电池停止发电后，通过驱动上述吹扫气体供给部，用上述吹扫气体置换上述燃料电池内的上述燃料气体。
若采用此种电源系统，由于在燃料电池停止发电后，用吹扫气体置换燃料电池内的燃料气体，因而即使停止发电后燃料电池的内部温度下降，燃料电池所具有的氢渗透性金属层也不会发生氢脆化。
本发明的第1种方式的电源系统还可配置吹扫判断部，在上述燃料电池停止发电后，判断是否符合应向上述燃料电池的阳极一侧提供吹扫气体的条件；和吹扫控制部，其在上述吹扫判断部判断为符合上述吹扫条件的情况下，通过驱动上述吹扫气体供给部，用上述吹扫气体置换上述燃料电池内的上述燃料气体，在上述吹扫判断部判断为不符合上述吹扫条件的情况下，不驱动上述吹扫气体供给部。
若采用此种结构，由于判断是否符合应提供吹扫气体的吹扫条件，当判断为符合吹扫条件时，用吹扫气体置换燃料电池内的燃料气体，当判断为不符合吹扫条件时，不驱动吹扫气体供给部，所以可根据燃料电池的运转状态，实施能耗少的吹扫气体供给控制。
在本发明的第1种方式涉及的电源系统中，也可设定为由上述吹扫判断部根据表示上述电源系统运转状态的规定信息和/或反映对上述电源系统所需电力变化的规定信息，来判断是否符合上述吹扫条件。
若采用此种构成，由于根据表示电源系统的运转状态的规定信息以及反映电源系统所需电力变化的规定信息，判断是否符合吹扫条件，因而在预测出发电停止状态较短的条件下，可以不提供吹扫气体而停止发电。因此，在停止后短时间内重新开始发电(重新起动)的情况下，可以维持将燃料气体保持在燃料电池内的状态，重新起动时立即获得所需量的电力。因此，能够通过缩短重新起动时间来抑制重新起动时的能耗。此外，在预测为发电停止状态较长的条件下，由于用吹扫气体置换燃料电池内的燃料气体，因而即使发电停止后，燃料电池的内部温度下降，也不会引起燃料电池所具有的氢渗透性金属层发生氢脆化。
在本发明涉及的第1种方式的电源系统中，也可设定为上述吹扫控制部，在上述燃料电池停止发电后，经过规定时间时，驱动上述吹扫气体供给部。若采用此种构成，不必进行伴随复杂处理的判断即可适时驱动吹扫气体供给部。这时，由于在经过上述规定时间之前的期间内重新起动燃料电池的情况下，并不提供吹扫气体，因而可通过缩短重新起动时间来抑制重新起动时的能耗。
在本发明的第1种方式涉及的电源系统中，也可以还包括燃料气体升压部，其在上述燃料电池停止发电期间，未驱动上述吹扫气体供给部时，提高形成于上述燃料电池内的上述燃料气体流路中的上述燃料气体的压力。
若采用此种构成，在未驱动吹扫气体供给部而使燃料电池停止发电时，可在燃料电池内预先蓄积更多的燃料气体。因此，在重新起动燃料电池时，可立即使用足量的燃料气体开始发电，刚起动之后立即可以获得所需量的电力。
这时，也可设定为上述燃料气体升压部驱动上述燃料气体供给部，提供上述燃料气体，并且通过封闭上述燃料气体流路的出口部来提高上述燃料气体的压力。若设定为此种构成，通过简单结构即可提高燃料电池内的燃料气体的压力。
此外，在本发明的第1种方式涉及的电源系统中，也可设定为还包括温度检测部，其构成上述电源系统，并在上述燃料电池发电时检测升温至规定高温后进行动作的规定部位的温度；上述吹扫判断部，在上述温度检测部所检测出的上述温度在规定值以下时，判断为符合上述吹扫条件。
若设定为此种构成，当温度检测部检测出的温度超过规定值时，可在燃料电池内保持燃料气体。因此，可防止出现下述情况，即尽管燃料电池以外的规定部位维持可立即发电的状态，却由于向燃料电池提供吹扫气体，使重新起动时无法迅速发电。
在本发明的第1种方式涉及的电源系统中，也可设定为在驱动上述吹扫气体供给部后，上述燃料电池开始发电时，上述燃料气体供给部将超过与上述燃料电池应发电力对应量的燃料气体提供给上述燃料电池。在此情况下，重新起动时，通过促进从燃料电池内扫除吹扫气体的动作，可更加迅速地获得所需量的电力。
在本发明的第1种方式涉及的电源系统中，也可设定为，当上述燃料电池应发电力在规定值以下时，上述燃料气体供给部提供超过与上述应发电力对应量的燃料气体，当上述应发电力超过上述规定值时，提供与上述应发电力对应量的燃料气体。若设定此种构成，当为了扫除吹扫气体而提供足量的燃料气体时，还可防止因提供的燃料气体过剩而白白浪费燃料气体及能量。
本发明的第1种方式涉及的电源系统还可配置二次电池。在此种情况下，即使燃料电池停止发电，仍可从电源装置中输出电力。
本发明的第1种方式涉及的电源系统还可配置检测上述二次电池的残余容量的残余容量检测部；当上述残余容量在规定值以下时，先于上述燃料电池停止发电的动作，使用上述燃料电池对上述二次电池进行充电。若设定为此种构成，由于可在确保二次电池的残余容量之后使燃料电池停止发电，因而在重新起动燃料电池时，可从二次电池获得所需电力。
本发明的第1种方式涉及的电源系统还可配置二次电池和取得对上述电源系统的输出要求的输出要求取得部；当上述输出要求取得部取得的上述输出要求在规定值以下时，上述吹扫判断部判断为不符合上述吹扫条件，并且从上述二次电池中输出电力。
若设定为此种构成，当输出要求小，而利用燃料电池进行发电的效率变低时，通过使燃料电池停止发电并使用二次电池，可以提高系统的总体效率。
本发明的第1移动体，作为驱动能源而装载有本发明的第1种方式涉及的电源系统。
移动体，为了能够频繁进行燃料电池的停止与重新起动，可通过装载本发明的电源系统来有效防止燃料电池停止时氢渗透性金属层发生氢脆化。
本发明的第2移动体的要点是作为驱动能源而装载有本发明的第1种方式涉及的电源系统，并且还包括可用于驱动上述移动体的规定起动开关；上述吹扫控制部，在上述起动开关断开、上述燃料电池停止发电之后，经过规定的时间时，驱动上述吹扫气体供给部。
若设定为此种构成，则可以更加可靠地判断燃料电池是否停止较长时间，并进行吹扫气体的供给。此外，在燃料电池停止发电后的短时间内重新起动燃料电池时，可防止因提供了吹扫气体而产生的问题。
此外，本发明的第3移动体的要点是作为驱动能源而装载有本发明的第1种方式涉及的电源系统，并且还包括可用于驱动上述移动体的规定起动开关；上述吹扫判断部在上述起动开关断开时，判断为符合上述吹扫条件。
在这种情况下，可通过简单构成以高概率判断燃料电池是否停止较长时间。因此，可有效防止燃料电池停止时因提供了吹扫气体而产生的问题。
本发明的第4种移动体的要点是作为驱动能源而装载有本发明的第1种方式涉及的电源系统，并且还包括取得用于驱动上述移动体的操作部的操作状态的操作状态取得部；上述吹扫控制部，在上述燃料电池停止时，驱动上述吹扫气体供给部后，上述操作状态取得部取得上述操作状态时，使上述吹扫气体供给部停止。
若设定为此种构成，在燃料电池停止发电后，当驾驶员打算驱动移动体时，可迅速开始提供燃料气体。因而，可以更加迅速地从燃料电池获得所需电力。
在本发明的第4种移动体中，也可设定为上述电源系统还包括检测上述燃料电池温度的温度检测部和作为上述移动体的另一驱动能源的二次电池；上述吹扫控制部，在上述温度检测部所检测出的上述燃料电池温度在规定值以下时，驱动上述吹扫气体供给部之后，上述操作状态取得部取得上述操作状态的情况下，仍继续驱动上述吹扫气体供给部。
若采用此种构成，可通过二次电池驱动移动体，并且由于可在燃料电池的温度下降、发电效率变低时利用燃料电池进行发电，因而可防止电源系统的效率降低。
本发明可用上述以外的多种方式实现，例如可用电源系统及移动体或燃料电池系统的停止方法等方式实现。
图1是表示电动汽车的简要构成的说明图。
图2是表示燃料电池系统的构成概况的框图。
图3是表示单体电池结构的剖面模式图。
图4是表示运转控制处理程序的流程图。
图5是表示控制判断处理程序的流程图。
图6是表示休止处理程序的流程图。
图7是表示停止处理程序的流程图。
图8是表示重新起动处理程序的流程图。
图9是表示单体电池结构的剖面模式图。
具体实施例方式
下面，根据实施例，参照
本发明的实施方式。
A、装置的整体构成A1、电动汽车10的构成图1是表示装载有本发明的第1实施例的燃料电池系统20的电动汽车10的简要构成的说明图。电动汽车10配置了电源系统15。作为从电源系统15提供电力的负载，电动汽车10配置了经由驱动变换器26与电源系统15连接的驱动马达30以及高压辅机28。在上述电源系统15和负载之间设有配线40，通过该配线40在电源系统15和负载之间进行电力交换。
电源系统15配置了燃料电池系统20和二次电池22。燃料电池系统20配置了后述的发电主体即燃料电池60。二次电池22经由DC/DC转换器24与配线40连接，DC/DC转换器24和燃料电池60并联在上述配线40上。
二次电池22，在燃料电池系统20开始起动时，提供用于驱动燃料电池系统20的各个部分的电力，在燃料电池系统20预热运转完毕之前，向各负载提供电力。此外，二次电池22，在燃料电池60的电力供给量不足时，提供其不足部分。如图1所示，二次电池22上同时设有用于检测二次电池22的残余容量(SOC)的残余容量监视器23。残余容量监视器23，可作为对二次电池22中的充放电的电流值和时间进行乘积运算的SOC计以及电压传感器。
DC/DC转换器24，通过设定输出侧的目标电压值，调节配线40上的电压，从而调节燃料电池60的输出电压。其结果是，可从燃料电池60以及二次电池22中输出规定量的电力。
作为接受电源系统15电力供给的负载之一的驱动马达30是同步马达，配置了用于形成旋转磁场的三相线圈。由电源系统15提供的电力，通过驱动变换器26变换为三相交流电后提供给驱动马达30。驱动马达30的输出轴34经由减速齿轮32与车辆驱动轴36连接。驱动轴36上设有车速传感器37。
作为其它负载的高压辅机28是以300V以上的电压来直接使用电源系统15提供的电力的装置。作为高压辅机，例如有向燃料电池60提供空气的鼓风机67、68以及用于提供重整原料的泵61(参照图2)。这些装置虽是包含在燃料电池系统20中的装置，但在图1中，高压辅机28在燃料电池系统15的外侧。还有，作为高压辅机28，除包含在燃料电池系统20中的装置之外，还包括电动汽车10所配置的空调装置(空调器)。
电动汽车10，还配置了控制部50。控制部50由配置了CPU、ROM、RAM、计时器等的微型计算机构成。作为控制部50取得的输入信号，例如有上述残余容量监视器23输出的信号、车速传感器37输出的信号。此外，控制部50中还可输入驱动马达30的起动开关的通断信号及表示电动汽车10中的换档位置、脚制动器的开闭、加速踏板开度的信号等。取得这些信号后，控制部50实施各种控制处理，向DC/DC转换器24、燃料电池系统20的各个部分、驱动变换器26、高压辅机28等输出驱动信号。
A2、燃料电池系统20的构成图2是表示燃料电池系统20的简要构成的框图。本实施例的燃料电池系统20作为燃料电池60配置了固体氧化物型燃料电池。
燃料电池系统20配置了鼓风机67，鼓风机67向燃料电池60的阴极提供空气作为氧化气体。燃料电池60中设有可传导燃料电池60的热量的热交换器65，鼓风机67提供的空气，经由热交换器65将燃料电池60冷却后提供给阴极。在阴极上供电化学反应后排出的空气(下文称为阴极气体)被配管70引导而排出到外部。此处，在燃料电池系统20中，设有从配管70分支出的配管71，如后文所述，一部分阴极气体可在重整反应中再次利用。
提供给燃料电池60的阳极的燃料气体，可通过对规定原料进行重整而生成。作为供重整反应的原料，例如可使用汽油及天然气等碳氢化合物、以及甲醇、乙醇、或乙醛等各种碳氢系化合物。
重整原料可通过泵61提供给混合器62。在混合器62中，重整原料与阴极气体中的空气以及另行提供的水蒸气混合。此外，当重整原料是液体时，可在混合器62中进行重整原料的气化。这样生成的混合气被提供给重整器64后，通过重整反应生成富氢的重整气体。也就是说，在重整器64中，在进行水蒸气重整反应，并且还可通过利用阴极气体中的氧气进行氧化反应，利用这些反应生成氢气。重整器64配置了用于促进重整反应的重整催化剂。作为重整催化剂，有众所周知的铜—锌系的贱金属催化剂以及铂等贵金属催化剂等，可根据使用的重整原料适当选择。此外，重整器64中设有检测重整催化剂温度的温度传感器63。生成的重整气体，可作为燃料气体提供给燃料电池60的阳极。
提供给阳极的燃料气体，在用于发电之后，作为阳极废气可从配管72中排出。阳极废气，由于含有发电中未被使用的残留氢气等有害成分，因而在排到外部之前，通过净化器66降低这些有害成分量，对阳极废气进行净化。在本实施例中，用净化器66燃烧去除这些有害成分。燃烧使用的空气由鼓风机68从配管73提供。这时，经由热交换管65而配管73，从而可以将燃烧用的空气同时用于冷却燃料电池60。另外，在引导阳极废气的配管72中，设有阀74以及检测阳极废气压力的压力传感器75。此外，燃料电池60上设有用于检测内部温度的温度传感器69。
燃料电池系统20的运转受上述控制部50的控制。控制部50内输入温度传感器63、69以及压力传感器75等与燃料电池系统20的各部分的运转状态有关的信息，并且从控制部50向泵61、鼓风机67、68等的各个部分输出驱动信号。
A3、燃料电池60的构成图3是表示构成燃料电池60的单体电池80的构成的剖面模式图。燃料电池60具有层压单体电池80的层叠结构。单体电池80具有以气体分离器87、88夹持电解质部分81的结构。在气体分离器87和电解质部分81之间形成氧化气体通过的氧化气体流路。此外，在气体分离器88和电解质部分81之间形成燃料气体通过的燃料气体流路。气体分离器87、88是用碳及金属等导电材料形成的不透气材料。
电解质部分81具有以用钒(V)形成的致密基体材料84为中心的氢渗透性金属构成的五层结构。在基体材料84的两面上形成由固体氧化物构成的电解质层83、85的薄膜。电解质层83、85可使用BaCeO3、SrCeO3系陶瓷质子传导体等。在电解质层83、85的外表面上设有钯(Pd)被膜82、86。在本实施例中，Pd被膜82、86的厚度为0.1μm，电解质层83、85的厚度为1μm，基体材料84的厚度为40μm，但各层的厚度可根据设定的燃料电池的运转温度等适当设定。
具有此种构成的燃料电池60通过在致密基体材料84的上表面形成电解质膜83、85，可使电解质层83、85充分薄膜化。因此，可减少固体氧化物的膜阻力，可在比现用的固体电解质型燃料电池的运转温度低的温度、大约200～600℃左右运转燃料电池。
为了促进阳极以及阴极上进行的反应，可根据需要在单体电池内设置铂(Pt)等催化剂层。催化剂层可设置在例如电解质层81和气体分离器87、88之间。此外，也可设置在被膜82和电解质层83之间、被膜86和电解质层85之间、电解质层83、85和基体材料84之间等处。
图3中例示出具有五层结构的电解质部分的燃料电池60，但燃料电池60可有多种变形。例如，也可省略被膜82、86中的一方，或两方全部省略。在不设置被膜的情况下，可在电解质部分的气体流路一侧的面上设置催化剂层，并且还可在其外侧设置与气体分离器相接的、由多孔质材料构成的电极。无论在何种情况下，均可通过采用在具有氢渗透性的致密金属膜上形成具有质子传导性的固体电解质膜的结构，制作出与以往相比运转温度更低的固体电解质型燃料电池。
B、运转控制B 1、运转控制处理的概要在本实施例的电源系统15中，可根据表示电源系统15的运转状态的信息及反映对电源系统所需电量变化的信息，进行与燃料电池系统20的运转状态有关的控制切换。在本实施例中，作为与燃料电池系统20的运转状态有关的控制处理，准备了“休止处理”、“停止处理”、“重新起动处理”、“通常处理”。
休止处理是在临时停止燃料电池60的发电时进行的控制处理。在实施该休止处理期间，燃料电池60内部的燃料气体流路中保持有燃料气体，维持可根据需要立即开始发电的状态。下文将实施休止处理期间的燃料电池系统20的运转状态称为休止模式。
停止处理是在长时间停止燃料电池60的发电时实施的停止控制处理。通过实施该停止处理，可从燃料电池60内部的燃料气体流路中扫除燃料气体。下文将实施停止处理期间的燃料电池系统20的运转状态称为停止模式。
重新起动处理是重新开始燃料电池60的发电时实施的处理。即，为了重新起动处于休止模式或停止模式的燃料电池系统20而实施的处理。
通常处理是指上述休止处理、停止处理、重新起动处理之外实施的处理，实施通常处理时，燃料电池60进行发电。实施通常处理时，例如可用从燃料电池60获得的电力驱动电动汽车10，或用从燃料电池60和二次电池22二者获得的电力驱动电动汽车10，或用燃料电池60给二次电池22充电。
图4是表示用电源系统15的控制部50实施的运转控制处理程序的流程图。本程序，一接通驱动马达30的起动开关即可起动。此外，本程序，在起动开关断开、停止燃料电池的发电、吹扫处理完毕这三个条件成立之前，在控制部50内反复实施。本程序一经起动，控制部50首先取得特征位(步骤S100)。在控制部50中，与本程序并行地反复实施后述控制判断处理程序，通过该控制判断处理程序设定重新起动特征位、休止处理特征位、停止处理特征位的接通/断开。在步骤S 100中，参照控制判断处理程序的最新判断结果，取得由控制判断处理程序设定的特征位。
接着，控制部50判断重新起动处理特征位是否接通(ON)(步骤S200)。重新起动特征位如果接通，控制部50实施重新起动处理(步骤S300)。重新起动特征位如果断开，则控制部50判断休止处理特征位是否接通(步骤S210)。休止处理特征位如果接通，则控制部50实施休止处理(步骤S300)。休止处理特征位如果断开，则控制部50判断停止处理特征位是否接通(步骤S220)。停止处理特征位如果接通，则控制部50实施停止处理控制(步骤S400)。停止处理特征位如果断开，则控制部50实施通常处理(步骤S600)。
B2、控制判断处理图5是表示参照图4的步骤S100的结果的控制判断处理程序的流程图。本程序是通过取得表示电源系统15的运转状态的信息以及反映对电源系统15所需的电力变化的信息来设定上述的各特征位的接通/断开的。本程序一经起动，控制部50首先判断驱动马达30的起动开关是否接通(步骤S105)。起动开关如果接通，则很可能已经或马上会对电源系统15要求输出。
在步骤S105中，起动开关如果接通，则控制部50接着判断换档位置是“P”还是“N”(步骤S110)。换档位置如果是“P”或“N”之外，则很可能已经或马上对电源系统15要求输出。
在步骤S110中，换档位置如果是“P”或“N”之外，控制部50接着判断车速是否在规定的基准值SPDr以下(步骤S115)。SPDr作为一种用于判断车速降低引起燃料电池60的发电效率变差的基准值，已预先存储在控制部50中。
在步骤S115中，车速如果大于SPDr，则控制部50判断加速踏板的开度是否在ACCr以下(步骤S120)。ACCr作为一种用于判断因加速踏板开度小、输出要求低而引起燃料电池60的发电效率变差的基准值，已预先存储在控制部50中。
在步骤S120中，加速踏板的开度如果大于ACCr，则控制部50判断脚制动器是否接通(步骤S125)。脚制动器接通表示输出要求低。
在步骤S125中，脚制动器如果断开，则控制部50判断对电源系统15的输出要求是否在Pr以下(步骤S130)。Pr作为一种用于判断因输出要求小引起燃料电池60的发电效率变差的基准值，预先存储在控制部50中。
在步骤S130中，输出要求如果大于Pr，则可判断为应使用燃料电池进行发电的状态。因此，接着控制部50判断休止处理特征位是否接通(步骤S135)。休止处理特征位如果接通，则控制部50将重新起动处理特征位再次设定为接通(步骤S145)，结束本程序。这时，停止处理特征位处于断开状态。
在步骤S135中，休止处理特征位如果断开，则控制部50判断停止处理特征位是否接通(步骤S140)。停止处理特征位如果接通，则控制部50将重新起动处理特征位再次设定为接通(步骤S145)，结束本程序。
在步骤S140中，停止处理特征位如果是断开，控制部50结束本程序。此时重新起动处理特征位处于断开状态。
在步骤S110～S130中，任一条件得到满足时，根据表示电源系统15的运转状态的信息以及表示电源系统15所需电量变化的信息，可判断为应停止燃料电池60发电的状态。因此，接着控制部50判断二次电池22的残余容量SOC是否在SOCr2以下(步骤S150)。SOCr2作为一种用于判断二次电池22可输出从休止模式到重新开始发电时所需电力(驱动构成燃料电池系统20的高压辅机所需的电力等)的基准值，已预先存储在控制部50中。
在步骤S150中，二次电池22的残余容量SOC如果大于SOCr2，则即使进入休止模式，也可从二次电池22获得下次重新开始发电时所需的电力，因此控制部50接着判断重整器64的重整催化剂温度是否在TMPr1以下(步骤S155)。TMPr1作为一种用于判断表示重整催化剂具有促进重整反应的充分活性的基准值，已预先存储在控制部50中。
在步骤S155中，重整催化剂的温度如果高于TMPr1，则控制部50将休止处理特征位设定为接通(步骤S160)，结束本程序。此时，停止处理特征位以及重新起动特征位处于断开状态。
在步骤S155中，重整催化剂的温度如果在TMPr1以下，控制部50将停止处理特征位设定为接通(步骤S175)，结束本程序。此时，休止处理特征位以及重新起动特征位均处于断开状态。
此外，在步骤150中，二次电池22的残余容量SOC处于SOCr2以下时，控制部50结束本程序，此时，所有特征位均处于断开状态。当二次电池22的残余容量SOC在SOCr2以下时，虽然不能从二次电池22获得下次重新开始发电时所需的电力，但通过将所有特征位都设定在断开位置，选择燃料电池进行发电的通常处理(参照图4)，然后由燃料电池60给二次电池22充电。
在步骤S105中，起动开关断开时，接着控制部50判断二次电池22的残余容量SOC是否在SOCr1以下(步骤S165)。SOCr1作为一种用于判断二次电池22可输出从停止模式到重新开始发电时所需电量的基准值，已预先存储在控制部50中。
在步骤S165中，二次电池22的残余容量如果大于SOCr1，由于即使进入停止模式也可从二次电池22获得下次重新开始发电时所需的电力，因而控制部接着判断重整器64的重整催化剂的温度是否在TMPr1以下(步骤S170)。该步骤S170是与上述步骤S155相同的处理。
在步骤S170中，重整催化剂的温度如果在TMPr1以下，控制部50将停止处理特征位设定为接通(步骤S175)，结束本程序。此时，休止处理特征位以及重新起动特征位均处于断开状态。
在步骤S170中，重整催化剂的温度如果高于TMPr1，控制部50将休止处理特征位设定为接通(步骤S160)，结束本程序。此时，停止处理特征位以及重新起动特征位均处于断开状态。
此外，在步骤S165中，当二次电池22的残余容量SOC处于SOCr1以下时，控制部50结束本程序。此时，所有特征位均处于断开状态。二次电池22的残余容量SOC处于SOCr2以下时，虽然不能从二次电池22获得下次重新开始发电时所需的电力，便通过将所有特征位都置于断开位置，选择燃料电池60进行发电的通常处理(参照图4)，此后即可由燃料电池60给二次电池22充电。
通过以上的控制判断处理，即可设定重新起动处理特征位、休止处理特征位、停止处理特征位的通断。
B3、休止处理图6是表示可用图4的步骤S300实施的休止处理程序的流程图。是当重新起动处理特征位为断开，休止处理特征位为接通时，控制部50实行的处理。本程序一经起动，则控制部50判断燃料电池60是否处于发电期间(步骤S310)，燃料电池如果是在发电期间，则控制部50停止燃料电池60的发电，实施用于将燃料电池系统20的运转状态设定为休止模式的控制。也就是说，控制部50首先将燃料电池60设定为开路，并且封闭阀74(步骤S320)。在电源系统15中，设有用于连通或切断配线40和燃料电池60的连接的开关，在步骤S320中，该开关被断开。此时，由重整器64向燃料电池60继续提供燃料气体。
接着，控制部50从压力传感器75取得配管72内的压力(与燃料电池60内的燃料气体流路中的压力P相同)，并判断压力P是否在Pr以上(步骤S330)。Pr作为表示为了在处于停止状态的燃料电池60内重新开始发电时能够立即进行规定量以上的发电，在燃料电池60内保持燃料气体的状态的值，预先存储在控制部50中。在步骤S320中，由于在提供燃料气体的同时封闭了阀74，因而上述压力持续上升。控制部50在判断为压力P处于Pr以上之前，反复实施步骤S330的处理。
在步骤S330中，如果判断为压力P在Pr以上，则控制部50实施停止给燃料电池60提供燃料的处理(步骤S340)，结束本程序。在步骤S340中通过停止给重整器64提供重整原料、水蒸气以及空气，停止在重整器64中生成重整气体，由此停止给燃料电池60提供燃料气体。通过实施步骤S340，在燃料电池60内的燃料气体流路中，形成燃料压力P以Pr的状态保持燃料气体的状态。而为了保持将燃料气体保持在燃料电池60内的状态，例如也可在连接重整器64和燃料电池60的流路中设置阀，在步骤S340中设定为封闭该阀。或者也可在向混合器62提供重整原料、水蒸气及空气的流路中分别设置阀，并封闭这些阀。通过实施步骤S320～S340，将燃料气体保持在燃料电池60内部停止发电，燃料电池系统20即形成休止模式。
在步骤S310中，判断为燃料电池60并不处于发电期间时，由于燃料电池系统20已经处于休止模式，因而控制部50结束本程序。这样即可在燃料电池系统20中维持休止模式。
B4、停止处理图7是表示在图4的步骤S400中实施的停止处理程序的流程图。是在重新起动处理特征位为断开、停止处理特征位为接通时，控制部50实施的处理。本程序一经起动，控制部50即判断燃料电池系统20是否为休止模式(步骤S410)。
在步骤S410中，一经判断为是休止模式，控制部50即开始用于从休止模式转移到停止模式的吹扫处理(步骤S420)。吹扫处理是指用空气扫除燃料电池60的燃料气体流路内的燃料气体的处理。具体而言，将阀74设为打开状态，并且驱动鼓风机67，将经由混合器62以及重整器64的空气提供给燃料电池60。这样即可用空气置换燃料电池60内的燃料气体。
其后，控制部50判断吹扫处理开始后的经过时间是否在Tsr以上(步骤S430)。Tsr作为燃料电池60内的燃料气体被空气充分排出的时间，已预先存储在控制部50中。在步骤S430中，若经过时间达到Tsr以上，则控制部50停止吹扫处理(步骤S440)，结束本程序。具体而言，停止鼓风机67。
在步骤S410中，当判断为燃料电池系统20不是休止模式时，由于已经是停止模式，因而控制部50结束本程序。这样即可在燃料电池系统20中维持停止模式。
而在本实施例的燃料电池系统20中，进入停止模式时必须在此之前先成为休止模式，但也可设定为可实施燃料电池60发电状态直接变为停止模式的判断。在此情况下，在停止处理程序中，首先判断是否正在发电，如果正在发电，则将燃料电池60设定为开路，并且停止给重整器64提供重整原料以及水蒸气，然后进行吹扫处理即可。
当上述的休止处理特征位及停止处理特征位均为接通时，燃料电池系统20成为休止模式及停止模式，燃料电池系统20不进行供电。因此，控制部50通过控制电源系统15使其间所需的电力由二次电池22输出。
B5、重新起动处理图8是表示在图4的步骤S500中实施的重新起动处理程序的流程图。是在休止处理特征位或停止处理特征位接通后，重新起动处理特征位再接通时，控制部50实行的处理。在图4中表示，参照取得的特征位，选择休止处理、停止处理、重新起动处理、通常处理中的任意一种处理，但重新起动处理程序，在图5所示的控制判断处理程序中，重新起动处理特征位处于接通状态时，即使正在实施休止处理程序及停止处理程序期间，也会插入其中进行起动。
本程序一经起动，控制部50即判断停止处理特征位是否接通(步骤S510)。停止处理特征位如果断开(即，休止处理特征位接通)，则从休止模式进行重新起动处理，此时控制部50将燃料电池60与配线40连接，并且将阀74设置成打开状态(步骤S520)，然后，开始通常原料供给处理(步骤S530)，结束本程序。通常原料供给处理是指根据输出要求，用于进行发电的通常运转时的原料供给处理。在休止模式中，由于在燃料电池内的燃料气体流路中储存了燃料气体，因而在从休止模式重新起动时，通过进行通常的原料供给，即可获得所需的电力。
在步骤S510中，停止处理特征位如果接通，则为从停止模式的重新起动处理，此时控制部50判断重整器64的重整催化剂的温度是否在TMPr2以下(步骤S540)、温度TMPr2是重整器64可进行重整反应的下限值，重整催化剂的温度如果是在TMPr2以下，则重整器64几乎不能生成氢气。因此，重整催化剂的温度如果在TMPr2以下，则实施预热运转处理(步骤S560)，结束本程序。通过实施预热运转处理，可将重整器64等燃料电池系统20内的各部分预热。
在步骤S540中，重整催化剂的温度如果大于TMPr2，重整器64虽不能按照所需，但在某种程度上处于可生成氢气的状态，接着，控制部50实施促进氢气供给处理(步骤S550)，结束本程序。促进氢气供给处理是在对燃料电池60所需的所需电力处于规定值以下时，给重整器64提供比通常运转时更多的重整原料的处理。如前文所述，由于在停止模式中，燃料电池60内的燃料气体被空气置换，因而在重新起动时无法迅速给阳极提供重新起动时的足量的氢气。通过实施促进氢气供给处理，可用燃料气体迅速置换燃料电池60内的空气。
在促进氢气供给处理中，当所需电力超过规定量时，提供给重整器64的重整原料量与通常运转时相同，可根据所需电力进行设定。但在所需电力为规定值以下时，可给重整器64提供比通常运转时更多的一定量的重整原料。这样一来，即使在所需电力小的情况下，作为提供给燃料电池60的燃料气体量，也可确保一定量，可促进用燃料气体置换燃料电池60内的空气的动作。或者，当所需电力在规定值以下时，提供给重整器64的重整原料量也可不是一定值，只要提供给重整器64的重整原料比通常运转时多，即可获得有效促进用燃料气体置换燃料电池60内的空气的动作的效果。此处，在所需电力中作为基准使用的规定量可在考虑停止模式中的重整器64的性能，以及通过使提供的重整原料量增加而获得的效果，还有由于重整原料量过剩引起的效率下降的基础上，适当设定。此外，在促进氢气供给处理中，提供比通常运转时多的重整原料的时间，可作为足以将燃料电池60内的空气充分置换为燃料气体的时间进行设定。
而在步骤S510中停止特征位接通时，在该时刻控制部50正在实施吹扫处理(图7的步骤S420～S440)的情况下，开始上述预热运转处理或促进氢气供给处理时，停止吹扫处理。
结束图8所示的重新起动处理程序时，控制部50将所有特征位均设定为断开。
C、效果若采用具有上述构成的本实施例的电源系统15，由于在停止燃料电池60的发电时实施吹扫处理，扫除燃料电池60内的燃料气体，因而在燃料电池60停止发电期间燃料电池60所具有的基体材料84以及构成被膜82、86的氢渗透性金属层不会发生氢脆化。此处，在燃料电池60停止发电时，根据表示电源系统15的运转状态的信息(起动开关的通、断、换档位置等)以及反映电源系统15所需电力变化的信息(加速踏板的开度、制动器的通断等)，决定是否进行吹扫处理，在预测为发电停止状态较短的条件下，不进行吹扫处理而选择休止模式。因此，在停止后的短时间内重新开始发电(重新起动)时，由于在燃料电池60内保持了燃料气体，因而可立即获得所需电力，通过缩短重新起动时间可抑制重新起动时的能耗。
此外，电源系统15，参照输出要求及车速、加速踏板的开度等反映燃料电池系统20的发电效率的信息，在发电效率差的条件下，通过将燃料电池系统20设定为休止模式，从二次电池22获得电力。这样即可高效运转电源系统15。
此外，在电源系统15中，即使应停止燃料电池60发电的其它条件成立，在二次电池22的残余容量处于规定值以下时，也并不使燃料电池系统20马上停止，而是用燃料电池60对二次电池22充电之后才使之停止。由此，在燃料电池系统重新起动时，可从二次电池22获得所需的电力。
还有，在电源系统15中，使燃料电池60停止发电时，在重整催化剂温度超过规定温度时，不进入停止模式，而是选择休止模式。因此，在重整器64保持可立即起动的温度期间，重新起动时可立即进行发电。此外，也可参照重整器64以外的部位上的温度，在构成燃料电池系统20的部位中、在规定高温下动作的燃料电池60以外部位的状态处于可立即动作的期间，均可设定为不进行吹扫处理。这样即可避免发生仅仅因为进行了吹扫处理而使重新起动动作延迟的情况。
此外，在电源系统15中，即便在开始了吹扫处理之后，一旦重新起动处理特征位接通，则起动重新起动处理程序，吹扫处理停止。此处，重新起动特征位是根据起动开关接通、换档位置处于P或N以外、车速、加速踏板的开度、输出要求在规定值以上、制动器断开，设定为接通的。也就是说，当用于驱动电动汽车10的操作部的操作状态成为表示驾驶员想要驱动电动汽车10的状态时，重新起动处理特征位设定为接通。因此，当驾驶员打算驱动电动汽车10时，可迅速处于可从燃料电池60获得所需电力的状态。
此处，在图5中设定为，在表示驾驶员想要驱动电动汽车10的步骤S110～S130的条件全部满足时，将重新起动特征位设定为接通，停止吹扫处理，但也可设定为至少其中某个条件得到满足时停止吹扫处理。此外，在实施吹扫处理期间，出现表示上述驾驶员想要驱动电动汽车10的状态的情况下，温度传感器69所检测出的燃料电池60的温度处于燃料电池的发电效率差的规定低温时，也可设定为仍然继续进行吹扫处理。若设定为此种构成，即不会出现因燃料电池60处于低温而造成系统能效变差的情况，可从二次电池22获得所需电力。
D、变形例本发明并不局限于上述实施例及实施方式，在不超出本发明要点的范围内，能以多种方式实施，例如可做下述变形。
(1)在上述实施例中，是在燃料电池60停止发电时，判断是否进行吹扫处理的，但也可设定为不同的构成。例如，也可设定为在停止发电时，首先不进行吹扫处理，而选择休止模式，然后，再判断是否过渡到停止模式。或者，也可设定为进入休止模式后一经过规定时间即过渡到停止模式。
(2)在上述实施例中设定为燃料电池60是固体电解质型电池，但是其它种类的燃料电池也可使用本发明。如果是配置氢渗透性金属层的燃料电池，通过使用本发明，停止发电时实施与吹扫处理有关的控制，可获得同样的效果。配置氢渗透性金属层的燃料电池，例如可设定为固体高分子型燃料电池。
图9是表示构成作为变形例的固体高分子型燃料电池的单体电池180的结构的剖面模式图。单体电池180与实施例相同，具有用气体分离器87、88夹持电解质部分81的结构。在气体分离器87和电解质部分181之间，形成氧化气体通过的氧化气体流路。此外，在气体分离器88和电解质部分181之间形成燃料气体通过的燃料气体流路。
电解质部分181具有用氢渗透性致密金属层夹持由固体高分子膜形成的电解质层185的两面的多层结构。电解质层185可用例如ナフイオン(注册商标)膜等。在电解质层185的阳极一侧的面上，设有钯(Pd)的致密层186。在阴极一侧设有钒—镍合金(V-Ni)的致密层184。在致密层184的阴极一侧上还设有Pd的致密层182。
电解质层185含有水分，因含有水分而显示出质子传导性。如上所述，由于电解质层185的两面被致密层184、186夹持，因而可很好地保持电解质层185内的水分。这样一来，通过采用可保持固体高分子膜的水分的结构，由单体电池180构成的燃料电池，可实现比现有的固体高分子型燃料电池的运转温度更高的200～600℃下的运转。
作为通过在电解质层的两面上形成氢渗透性金属层，保持含水电解质层的水分类型的燃料电池中的电解质层，除固体高分子膜之外，也可设定为使用杂聚物系及含水β氧化铝系等陶瓷、玻璃、以及使氧化铝系中含水的膜。
(3)在实施例的燃料电池系统20中，是将阴极气体提供给重整器64的，但也可采用不同的构成。提供给重整器64的氧气也可设定为通过另外的途径从外部取得空气。此外，吹扫处理时用于扫除燃料气体的气体也可使用空气以外的气体。
(4)在实施例的燃料电池系统20中，是将用重整器64从重整原料中生成的重整气体作为燃料气体提供给燃料电池60的，但也可采用不同的构成。例如，也可设置储存高纯度氢气的氢气储存部，将该氢气作为燃料气体使用。氢气储存部可设定为氢气泵及内部配置氢气吸留合金的氢气罐。在此情况下，使用本发明也可获得同样的效果。
(5)上述实施例的电源系统15配置了二次电池22，但是在未配置二次电池的电源系统中也可使用本发明。
(6)在上述实施例中，是将电源系统15作为电动汽车10的驱动电力源使用的，但也可作为其它移动体的驱动电力源使用。此外，也可将电源系统15作为固定型的电力供给装置使用。
权利要求
1.一种输出电力的电源系统，其中，包括燃料电池，包括具有质子传导性的电解质层和与该电解质层接合的氢渗透性金属层；燃料气体供给部，向上述燃料电池的阳极一侧提供含有氢气的燃料气体；吹扫气体供给部，向上述燃料电池的阳极一侧提供不含氢气的吹扫气体；以及吹扫控制部，在上述燃料电池停止发电后，驱动上述吹扫气体供给部，用上述吹扫气体置换上述燃料电池内的上述燃料气体。
2.根据权利要求1所述的电源系统，还包括吹扫判断部，在上述燃料电池停止发电后，判断是否符合应向上述燃料电池的阳极一侧提供吹扫气体的条件；和吹扫控制部，当上述吹扫判断部判断为符合上述吹扫条件时，则驱动上述吹扫气体供给部，用上述吹扫气体置换上述燃料电池内的上述燃料气体；当上述吹扫判断部判断为不符合上述吹扫条件时，则不驱动上述吹扫气体供给部。
3.根据权利要求2所述的电源系统，其中，由上述吹扫判断部根据表示上述电源系统运转状态的规定信息和/或反映上述电源系统所需电力变化的规定信息，来判断是否符合上述吹扫条件。
4.根据权利要求2所述的电源系统，其中，当在上述燃料电池停止发电后经过规定时间时，上述吹扫控制部驱动上述吹扫气体供给部。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的电源系统，其特征在于，还包括燃料气体升压部，用于在上述燃料电池停止发电期间的、未驱动上述吹扫气体供给部时，提高在上述燃料电池内形成的上述燃料气体流路中的上述燃料气体的压力。
6.根据权利要求5所述的电源系统，其中，上述燃料气体升压部驱动上述燃料气体供给部，以提供上述燃料气体；并且封闭上述燃料气体流路的出口部，以提高上述燃料气体的压力。
7.根据权利要求3所述的电源系统，其中，还包括温度检测部，构成上述电源系统，并在上述燃料电池进行发电时，检测升温至规定高温而进行动作的规定部位的温度；上述吹扫判断部，在上述温度检测部检测出的上述温度在规定值以下时，判断为符合上述吹扫条件。
8.一种燃料电池系统，是权利要求1至7中任一项所述的电源系统，其中，在驱动上述吹扫气体供给部后，当上述燃料电池开始发电时，上述燃料气体供给部将超过与上述燃料电池应发电力对应量的燃料气体提供给上述燃料电池。
9.一种电源系统，是权利要求8所述的燃料电池系统，其中，上述燃料电池应发电力在规定值以下时，则上述燃料气体供给部提供超过与上述应发电力对应量的燃料气体；当上述应发电力超过上述规定值时，则提供与上述应发电力对应量的燃料气体。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池系统是一种还包括二次电池的电源系统。
11.根据权利要求10所述的电源系统，还包括检测上述二次电池的残余容量的残余容量检测部；当上述残余容量在规定值以下时，在上述燃料电池停止发电的动作之前，利用上述燃料电池对上述二次电池进行充电。
12.根据权利要求3所述的电源系统，还包括二次电池和取得对上述电源系统的输出要求的输出要求取得部；当上述输出要求取得部所取得的上述输出要求在规定值以下时，上述吹扫判断部判断为不符合上述吹扫条件，并且从上述二次电池输出电力。
13.一种移动体，其中，作为驱动能源装载有权利要求1至12中任一项所述的电源系统。
14.一种移动体，其中，作为驱动能源装载有权利要求2所述的电源系统，并且还包括可用于驱动上述移动体的规定的起动开关；上述吹扫控制部，在上述起动开关断开而使上述燃料电池停止发电之后，当经过规定时间时，则驱动上述吹扫气体供给部。
15.一种移动体，其中，作为驱动能源装载有权利要求3所述的电源系统，并且还包括可用于驱动上述移动体的规定的起动开关；上述吹扫判断部，在上述起动开关断开时，判断为符合上述吹扫条件。
16.一种移动体，其中，作为驱动能源装载有权利要求1～9中任一项所述的电源系统，并且还包括取得用于驱动上述移动体的操作部的操作状态的操作状态取得部；上述吹扫控制部，在上述燃料电池停止时驱动上述吹扫气体供给部以后，当上述操作状态取得部取得上述操作状态时，使上述吹扫气体供给部停止。
17.根据权利要求16所述的移动体，其中，上述电源系统还包括检测上述燃料电池温度的温度检测部和作为上述移动体的其他驱动能源的二次电池；上述吹扫控制部，在上述温度检测部检测的上述燃料电池温度在规定值以下时，驱动上述吹扫气体供给部之后，当上述操作状态取得部取得上述操作状态时，仍继续驱动上述吹扫气体供给部。
18.一种燃料电池系统的停止方法，其中，包括下述工序(a)当向燃料电池的阳极一侧提供含有氢气的燃料气体而使上述燃料电池进行发电时，取得上述燃料电池的停止条件的工序，其中所述燃料电池包括具有质子传导性的电解质层和与该电解质层接合的氢渗透性金属层；(b)在上述(a)工序中取得上述停止条件后，作为上述燃料电池系统的运转模式，从将上述燃料气体保持在上述燃料电池内的上述燃料气体流路内而停止发电的休止模式和不将上述燃料气体保持在上述燃料电池内的上述燃料流路内而停止发电的停止模式中选择任意一种运转模式的选择工序；以及(c)在选择上述停止模式时，向上述燃料电池内的上述燃料气体流路内提供不含氢气的吹扫气体的工序。
全文摘要
燃料电池(60)配置了具有质子传导性的固体电解质，并且配置了可与电解质接合的氢渗透性金属层。燃料电池(60)发电时，可将重整器(64)生成的重整气体作为燃料气体提供给燃料电池(60)的阳极。此外，当燃料电池(60)停止发电时，可将鼓风机(67)提供的空气提供给燃料电池(60)的阳极，用空气置换燃料电池(60)内的燃料气体。
文档编号B60L11/10GK1875513SQ20048003271
公开日2006年12月6日 申请日期2004年10月25日 优先权日2003年11月4日
发明者青山智, 增井孝年, 井口哲, 荻野温, 木村宪治, 佐藤博道, 饭岛昌彦, 伊藤直树, 伊泽康浩 申请人:丰田自动车株式会社