燃料电池系统及燃料电池系统的运转方法

专利名称：燃料电池系统及燃料电池系统的运转方法
技术领域：
本发明涉及具有燃料电池的燃料电池系统及燃料电池系统的运转 方法。
背景技术：
对于固体高分子型燃料电池，由于将处于湿润状态时显示质子传 导性的固体高分子膜用作电解质层，所以，为了良好地维持发电状态， 重要的是将固体高分子膜保持在充分的湿润状态下。而且，在这种燃 料电池中，虽然伴随发电会在阴极产生水，但是当水的生成过剩或生 成水的排水延误时，会形成称作所谓的溢流的状态，从而会存在相对 阴极催化剂的气体供给不充分的情况。因此， 一直以来，都进行用于 适当地维持电解质层或催化剂及其周边处含有的水分量用的控制。为 了进行这种水分量的控制，作为判断电解质层的加湿状态的方法，已 知基于构成燃料电池的单体电池的输出电压的偏差的方法。也就是说， 当输出电压的偏差大时，能判断出电解质层的水分量过剩。发明内容然而，当如上所述、检测出输出电压的偏差大的情况时，固体高 分子膜的水分过剩状态已经持续了，业已形成发电效率开始降低的状 态。当水分过剩状态被检测出来时，虽然可以通过调节气体流量、加 湿量，或者气体压力来实现水分过剩状态的消除，但是，为了良好地 维持燃料电池的发电状态，希望可以更早地检测到水分过剩状态。本发明就是为了解决上述现有的问题而提出的，其目的在于更早 地检测出燃料电池内部的水分过剩状态。为了实现上述目的，本发明提供了一种具有固体高分子型燃料电 池的燃料电池系统。本发明的燃料电池系统具有交流成分发生部， 其以一定的频率和振幅对上述燃料电池施加交流电成分；交流电压取 得部，其从构成上述燃料电池的预定的单体电池的输出电压中分离起因于上述交流电的交流成分，以随着时间获取上述交流成分的电压值; 湿润状态判断部，其判断上述燃料电池是否处于湿润倾向；和过度湿 润判断部，其在上述湿润状态判断部判断出上述燃料电池处于上述湿 润倾向时，判断上述燃料电池是否处于过度湿润。根据如上那样构造的本发明的燃料电池系统，当判断出燃料电池 处于湿润倾向时，判断为燃料电池处于过度湿润，因此，能更早地进 行燃料电池处于过度湿润的判断。本发明可以以上述之外的各种形式实现，例如，可以以下述形式 实现燃料电池系统的过度湿润判断方法、搭载燃料电池系统的移动 体等。


图1为表示实施例的燃料电池系统的大致结构的方框图。 图2为表示单体电池的截面示意图。 图3为表示燃料电池的电压的随时间变化的说明图。 图4为表示溢流判断处理程序的流程图。图5为一说明图，表示使燃料电池内部向溢流易于发生的状态逐渐变化、以在测定电压值的同时算出阻抗值的结果。图6为表示变形例的溢流判断处理程序的流程图。 图7为表示变形例的溢流判断处理程序的流程图。 图8为表示对于规定数目的平均阻抗值、调查了值的频数分布后 的结果的说明图。
具体实施方式
下面，基于实施例、参照

本发明的实施方式。 A.系统的整体结构图1为表示作为本发明的实施例的燃料电池系统10的大致结构的方框图。燃料电池系统10具有燃料电池20、燃料气体供给部30和氧 化气体供给部40。而且，为了判断上述燃料电池20的湿润状态，燃料 电池系统10还具有电压检测部50、交流电流发生部52和控制部54。燃料电池20为固体高分子型的燃料电池。图2为表示作为燃料电 池20的构成单位的单体电池21的截面示意图。单体电池21由电解质 膜22、阳极电极23、阴极电极24、气体扩散层25、 26、及隔板27、 28构成。电解质膜22为由固体高分子材料、例如氟类树脂形成的质子传导 性的离子交换膜，在湿润状态下显示良好的导电性。阳极电极23及阴 极电极24为形成在电解质膜22上的层，包括进行电化学反应的催化 剂金属(例如白金)、具有质子传导性的电解质、和具有电子传导性 的碳粒子。气体扩散层25、 26由具有气体透过性及电子传导性的部件 构成，例如能由泡沫金属、金属网等金属制部件，或者碳布(carbon cloth)、碳纸(carbon paper)等碳制部件形成。隔板27、 28由不透气 的导电性部件形成，例如能由通过压縮碳而成为不透气的致密质碳等 碳制部件或加压成形的不锈钢等金属部件形成。隔板27、 28在其表面具有形成单体电池21内的气体流路用的凹 凸形状。隔板27在其与气体扩散层25之间形成包含氢气的燃料气体 通过的单体电池内燃料气体流路27a。而且，隔板28在其与气体扩散 层26之间形成包含氧气的氧化气体通过的单体电池内氧化气体流路 28a。另外，在单体电池21的外周部，与单体电池21的层叠方向平行 地设置燃料气体或氧化气体流通的多个气体歧管(图中未示出)。流 经这些多个气体歧管中的燃料气体供给歧管的燃料气体被分配给各单体电池21，供给电化学反应的同时在各单体电池内燃料气体流路27a 内通过，之后，汇集到燃料气体排出歧管。同样地，流经氧化气体供 给歧管的氧化气体被分配给各单体电池21，供给电化学反应的同时在 各单体电池内氧化气体流路28a内通过，之后，汇集到氧化气体排出歧 管。燃料电池20具有将这种单体电池21层叠多个而形成的堆叠结构。 另外，在燃料电池20中，为了调节堆叠结构的内部温度，在各单体电 池之间或者每层叠规定数量的单体电池，设置制冷剂通过的制冷剂流 路(图中未示出)。例如在相邻的单体电池之间，制冷剂流路能设置 在一个单体电池具有的隔板27与另一个单体电池具有的隔板28之间。燃料电池20在堆叠结构的两端还设有集电板60、 61。在集电板 60、 61上分别连接配线62或配线63，经配线62、 63从燃料电池20 向负载64供给电力。而且，在集电板60、 61上还分别连接配线65或 配线66，该配线65、 66连接到交流电流发生部52。交流电流发生部 52为产生显示一定的频率及振幅的交流电流的装置，通过该交流电流 发生部52将微弱的高频交流电流施加到燃料电池20的集电板60、 61 之间。由交流电流发生部52进行的交流电流的施加为用于得到构成燃 料电池20的单体电池21的阻抗值(电阻)的操作，将在后面详细说 明。而且，在本实施例的燃料电池20中，对于构成堆叠结构的单体电 池21内的特定的一个单体电池，设置电压检测部50。电压检测部50 具有电压传感器70、过滤器部71和A/D变换器72。电压传感器70经 配线73、 74连接到上述特定的单体电池，可测定上述单体电池的输出 电压。而且，在配线73、 74上还连接除去电压的直流成分、以得到交 流成分用的过滤器部71，及对与过滤器部71分离后的电压的交流成分 有关的信号进行数字化的A/D变换器72。另外，如后所述，上述电压 检测部50是为了通过检测特定的单体电池的电压来判断该特定的单体电池的湿润状态而设置的。因此，设置电压检测部50的特定的单体电 池希望是堆叠结构整体中预料较易于发生溢流的单体电池，例如，位 于堆叠结构的端部且温度易于变得较低的单体电池。由电压传感器70测定的电压为通过燃料电池20发电而产生的输 出电压与起因于交流电流发生部52施加的交流电流而产生的电压的 和。图3为表示燃料电池20的特定的单体电池中的电压的情况的说明 图。图3 (A)表示通过燃料电池20发电而产生的输出电压取一定值 的情况、即，来自燃料电池20的输出电压为直流电压的情况下的输出 电压的随时间变化。图3 (B)表示起因于交流电流发生部52施加的交 流电流而产生的电压、即交流电压的随时间变化。图3 (C)表示电压 传感器70检测出的电压的随时间变化。在电压传感器70中，检测将 图3 (B)所示的交流电压重叠在图3 (A)所示的直流电压上后的电压。 燃料电池20的输出电压实际上由于负载变动或燃料电池20的温度而 随时间一起变动，但是，通过经过滤器部71从A/D变换器72取得信 号，能从图3 (C)所示的电压除去图3 (A)所示的电压(直流成分)、 得到图3 (B)所示的电压(交流成分)。如后所述，由交流电流发生 部52进行的交流电流的施加用于根据电压的交流成分判断单体电池的 湿润状态，所以，施加的交流电流的振幅及频率对应交流电压的读取 精度、单体电池的阻抗值的大小等适当地设定即可。另外，也可以代替交流电流发生部52，设置交流电压发生部，并 且代替施加交流电流，对燃料电池20的集电板60、 61施加交流电压。 在这种情况下，对于特定的单体电池连接电流传感器，使用通过燃料 电池20发电产生的电流与起因于交流电压发生部施加的交流电压而产 生的电流之和判断单体电池的湿润状态。燃料气体供给部30具有燃料气体供给源32和燃料气体用配管34， 将含有氢的燃料气体供给形成在燃料电池20内的单体电池内燃料气体 流路27a。在本实施例中，作为燃料气体使用氢气，作为燃料气体供给源32使用氢气瓶。或者，也可以使用具有氢吸附合金并通过使氢吸附 在该氢吸附合金上而储存氢的氢罐。而且，作为燃料气体使用改性气体，燃料气体供给源32可以是从烃等燃料生成富氢的改性气体的装置。 另外，在燃料气体用配管34上还设有调节燃料气体供给源32供给的 燃料气体的压力的压力调整阀33、压力传感器35。氧化气体供给部40具有吹风器(blower) 42和氧化气体用配管 44，作为氧化气体将空气供给形成在燃料电池20内的单体电池内氧化 气体流路28a。控制部54构成以微型计算机为中心的逻辑电路，详细地说，具有 CPU55，其根据预先设定的控制程序实行规定的运算等；ROM56，其 预先存储CPU55实行各种运算处理所必需的控制程序、控制数据等； RAM57，其暂时存储同样由CPU55进行各种运算处理所必需的各种数 据；和输入/输出口58等，其输入/输出各种信号。该控制部54取得上 述电压传感器70的检测信号、通过A/D变换器72的信号。而且，控 制部54将驱动信号输出到发挥用于判断燃料电池20的湿润状态的功 能的各功能部(例如，交流电流发生部52)、发挥与燃料电池20的发 电有关的功能的各功能部(例如，吹风器42、压力调整阀33)等。B.溢流判断图4为一流程图，表示为了判断燃料电池20内部的湿润状态、更 具体地说，判断燃料电池20内部是否为产生溢流的状态而实行的溢流 判断处理程序。本程序在燃料电池20的发电中，与发电用的通常处理 (例如，燃料气体或氧化气体的供给条件的控制、燃料电池20的温度 控制)并行地、在控制部54的CPU55中以规定的时间间隔实行。当实行本程序时，CPU55从电压检测部50获取安装了电压检测部 50的单体电池的电压的交流成分(步骤SIOO)。也就是说，控制部54 与过滤器部71及A/D变换器72 —起用作随着时间获取交流成分的电压值的交流电压取得部。具体地说，通过过滤器部71及A/D变换器 72，从构成燃料电池20的特定的单体电池的输出电压中分离起因于交 流电流的交流成分，由控制部取得分离后的交流成分的电压值。这里， 交流成分的电压值(交流电压的振幅)的检测，在控制部54中根据从 A/D变换器72连续输送的信号始终进行。在控制部54中，将连续地 检测出的电压值储存在规定的存储部中，并且每得到新的检测值，就 进行储存在存储部中的电压值的重写，始终保持最新的检测值。在步 骤S100中，CPU55以规定的时间间隔获取储存在上述存储器中的最新 的电压值，作为以下的处理中使用的电压值。上述规定的时间间隔虽 然有必要为充分短的时间、以便能捕捉起因于后述的溢流的电压变动， 但是也可以对应于对取得的电压值施加的后述统计处理的条件任意地 设定。之后，CPU55用由交流电流发生部52施加的电流值来除取得的电 压值，由此以对应于取得交流成分的电压值的时间计算出单体电池的 阻抗值(步骤SllO)。这样，在本实施例中，虽然使用高频的交流波， 但作为电压值仅处理交流电压的振幅，根据该振幅与电流值的关系算 出阻抗值。当算出阻抗值后，接着，CPU55对随着时间算出的上述阻抗值实 施平均化处理(步骤S120)。作为该平均化处理，例如，能对基于从 取得的最新的电压值追溯到过去而得到的规定数目(例如i个)的电压 值算出的各个阻抗值进行平均化，取平均化后的值。也就是说，在该 情况下，在启动并反复实行本程序时，在启动后第n次实行时的步骤 S120中，求从第(n-i+l)次实行时到上述第n次实行时算出的各阻抗 值的平均值。这样，在步骤S120中，每次在步骤S110中重新算出阻 抗值，都将作为计算平均值的对象的阻抗值逐个错动，以进行阻抗值 的平均值的计算。下面，用R (n)表示启动本程序后第n次实行时在 步骤S120中算出的阻抗值的平均值(下面，称作平均阻抗值)。在步 骤S120中进行的平均化处理是为了除去成为计算阻抗值的基础的电压值的检测值中的噪声、以捕捉当前的阻抗值的整体倾向而进行的操作。 因此，为了平均化处理而使用的阻抗值的采样数(在上述说明中为i 个)可以在符合上述目的的范围内适当设定。之后，CPU55将步骤S120中算出的平均阻抗值的最新值R (n) 与基准值A进行比较(步骤S130)。该步骤S130中用于判断的基准 值A，作为在平均阻抗值为该值以上的情况下作出单体电池处于湿润 倾向这样的判断的值，其预先设定并存储在控制部54内。也就是说， 在步骤S130中，判断测定了电压的单体电池是否处于湿润倾向(易于 产生溢流的状态)，这时，控制部54用作判断燃料电池20是否处于 湿润倾向的湿润状态判断部。这里，作为单体电池的阻抗，例如有构成单体电池的各部件(电 解质膜22、阳极电极23、阴极电极24、气体扩散层25、 26、隔板27、 28)间的接触阻抗，上述各部件的内部阻抗、特别是电解质膜22的膜 阻抗，以及隔板27、 28的阻抗。其中，由于燃料电池的运转状态(例 如气体流量、加湿量、气体压力、温度)而显著变动的阻抗为膜阻抗， 所以，能根据发电期间的阻抗值的大小得知电解质膜22的湿润状态， 从而进一步得知单体电池内的湿润状态。 一般地，在电解质膜22处于 充分的湿润状态的情况下，膜阻抗及单体电池整体的阻抗值变得较小。 与此相对，在电解质膜22中的水分略显不足的情况下，膜阻抗及单体 电池整体的阻抗值变得较大。因此，在步骤S130中，通过将进行平均 化处理以除去噪声后的平均阻抗值R (n)与基准值进行比较，能根据 现在的阻抗值的整体倾向判断单体电池是否处于湿润倾向。在步骤S130中，在平均阻抗值R (n)小于基准值A的情况下， 判断为单体电池处于湿润倾向，因此，接着，CPU55求出平均阻抗值 的标准偏差(步骤S140)。该标准偏差的值为基于从算出的最新的平 均阻抗值R (n)起、随着时间追溯而得到的规定数目(例如j个)的 平均阻抗值而算出的标准偏差。也就是说，计算从R(n-j+l)到R(n)之间的值的标准偏差。这样，在步骤S140中，每次实行步骤S140，都 错动作为计算标准偏差的对象的平均阻抗值的范围以逐个包含最新 值，进行平均阻抗值的标准偏差的计算。以下，将启动本程序后第n 次实行时由步骤S140算出的平均阻抗值的标准偏差表示为ctR (n)。 在步骤S140中算出的平均阻抗值的标准偏差只要表示当前时刻的平均 阻抗值的偏差程度就可以，为了计算标准偏差而使用的平均阻抗值的 采样数(在上面的说明中为j个)可以适当地设定。接着，CPU55将在步骤S140中算出的标准偏差aR (n)和基准值 B进行比较(步骤S150)。该步骤S150中用于判断的基准值B为预先 设定并存储在控制部54内的值，以便在平均阻抗值的标准偏差为该值 以上的情况下、判断为单体电池的发电状态不稳定。该基准值B对应 上述平均阻抗值的采样数j、为了平均化处理而使用的阻抗值的采样数 i、在步骤S100中取得电压值的时间间隔适当地设定即可。在步骤S150中，当标准偏差aR (n)比基准值B小时，CPU55 将溢流回避处理实行标志设定为"0"，结束本程序(步骤S160)。而 且，在步骤S150中，当标准偏差aR (n)为基准值B以上时，CPU55 将溢流回避处理实行标志设定为"1"，结束本程序(步骤S170)。如前所述，当燃料电池的阻抗值足够小时(在本实施例中，当步 骤S130中平均阻抗值R (n)小于基准值A时)，能判断为电解质膜 22处于充分湿润状态。在本实施例中，当如上所述电解质膜22处于充 分的湿润状态，并进而认为阻抗值的标准偏差充分小、燃料电池的发 电状态稳定时，判断为燃料电池处于气体良好地流通的状态且不会产 生溢流。与此相对，当电解质膜22处于充分的湿润状态，并进而认为 阻抗值的标准偏差大、燃料电池的发电状态不稳定时，判断为燃料电 池处于发生溢流的过度湿润状态。也就是说，当在步骤S130中判断出 燃料电池20处于湿润倾向时，控制部54用作过度湿润判断部，其在 阻抗值的标准偏差超过基准值的情况下、判断为燃料电池20处于过度在燃料电池系统10中，如前所述，由控制部54控制构成燃料电池系统10的各部分的动作。在燃料电池20进行发电时，控制部54取 得负载64的负载要求，控制与供给燃料电池20的燃料气体及氧化气 体有关的条件，例如气体供给量、气体压力，以可产生对应于负载要 求的电力。在燃料电池20的发电中，当在已经描述过的步骤S170中 将溢流回避处理实行标志设定为"1"时，控制部54在进行上述控制 之际，改变控制，以便与基于负载要求确定的通常的条件相比形成更 难出现溢流的条件。在气体的水蒸气压未达到饱和水蒸气压的情况下， 气体的总量越多，越难出现溢流。因此，关于氧化气体，控制部54以 与基于负载要求确定的通常条件相比增大氧化气体流量及氧化气体压 力的方式控制吹风器42。或者，关于燃料气体，以与基于负载要求确 定的通常条件相比增大燃料气体流量及燃料气体压力的方式控制压力 调整阀33。另外，对于在燃料气体用配管34及/或氧化气体用配管44中设置 加湿气体用的加湿器的情况，当将溢流回避处理实行标志设定为"1" 时，可以进行使加湿器的加湿量比通常条件的减少的控制。而且，当 将溢流回避处理实行标志设定为"1"时，可以进行使燃料电池20的 内部温度上升的控制。具体地说，当在燃料电池的内部流动的制冷剂 流通的制冷剂流路经由并设了冷却风扇的散热器时，通过使上述冷却 风扇停止能使燃料电池20的内部温度上升。或者，也能以与输入的负 载要求相比使负载64变得较小的方式改变负载64的设定(例如，在 负载64为电动机的情况下，减少驱动量的设定值)。这样，发电量减 少，产生的生成水量减少，由此，能抑制溢流发展。在溢流回避处理 实行标志为"0"的情况下，不进行这种控制而以形成基于负载要求确 定的通常条件的方式进行控制即可。另外，在步骤S130中，当判断出平均阻抗值R (n)为基准值A以上时，能判断为电解质膜22中的水分略显不足，处于难以发生溢流
的状态。因此，在这种情况下，CPU55前进到步骤S160、将溢流回避 处理实行标志设定为"0",并结束本程序。
根据如上那样构造的本实施例的燃料电池系统10，对于单体电池 阻抗的水平低(平均阻抗值小于基准值)、电解质膜22处于充分的湿 润状态的情况，当平均阻抗值的偏差大时，判断为燃料电池处于产生 溢流的过度湿润状态。通过形成这样的结构，可以较早地进行与溢流 相关的判断，从而能采取抑制溢流发展的适当的处置。
图5为一说明图，表示在实施例的燃料电池系统10中，通过改变 相对燃料电池20的气体供给的条件来使燃料电池的内部状态向溢流易 于发生的状态逐渐变化、以在测定电压值的同时算出阻抗值的结果。 这里，给燃料电池20连接一定大小的负载64，同时，给阳极侧供给相 对负载64的大小足够的一定量的燃料气体。而且，使供给阴极的氧化 气体的流量每隔规定的时间慢慢地减少。这里，使用的氧化气体的水 蒸气压为比饱和蒸气压低的值。
图5 (A)及图5 (B)中的曲线1表示燃料电池20所具有的特定 的单体电池的输出电压的值(由电压传感器70检测出的输出电压的值) 的随时间变化。这里，由电压传感器70检测出的电压为通过燃料电池 20发电而产生的直流的输出电压与起因于交流电流发生部52施加的交 流电流而产生的交流电压的和。但是，由于施加的交流电流与相对负 载的输出相比非常微弱，所以，可以认为曲线1基本表示相对负载64 的输出电压。另外，图5 (A)及图5 (B)中的曲线1表示每隔一秒检 测出的输出电压的值。
图5 (A)中的曲线2表示根据图4的步骤S100取得的交流成分 的电压值，在步骤SllO中算出的单体电池阻抗的值。这里，在步骤S100 中每隔一秒获取交流成分的电压值，曲线2表示从上述每隔一秒获取的电压值算出的每隔一秒的阻抗值。而且，图5 (B)的图3表示步骤S120中算出的平均阻抗值R (n)的值。这里，计算平均阻抗值R(n) 用的阻抗值的采样数i为16个。而且，在图5 (A)及图5 (B)中， 以曲线4表示使供给燃料电池20的氧化气体的流量随着时间减少的情 况。当使未达到饱和水蒸气压的氧化气体的流量逐渐减少时，氧化气 体中气化所带走的生成水量减少，所以，电解质膜22中的水分量逐渐 增加。这样，随着电解质膜22中水分量变多，如图5 (B)的曲线3 所示，平均阻抗值R的值逐渐减小。而且，随着电解质膜22中的水分 量进一步增加，电解质膜22逐渐达到水分过剩的状态，同时，燃料电 池20内部形成溢流易于发生的状态。平均阻抗值R的值表示出较大的 偏差。这里，通过适当设定步骤S140中计算标准偏差时用的平均阻抗 值的采样数j、步骤S150中使用的基准值B的值，能判断是否为发生 溢流的过度湿润状态。这里，计算标准偏差时使用的平均阻抗值的采 样数j为60个，在图5(B)中表示为F1的范围中，能判断出成为发 生溢流的过度湿润状态。如上所述，当电解质膜22达到水分过剩状态时，单体电池的输出 电压的值也显示逐渐大的偏差，之后，当溢流发展到一定程度时，电 压值大大降低(参照曲线l)。因此，可以根据这种输出电压显示的偏 差的大小来判断溢流。但是，输出电压值的偏差的大小显著变大的时 刻比前述的平均阻抗值R的偏差的大小显著变大的时刻迟。如图5(B) 所示，在以平均阻抗值R的偏差的大小为基础的情况下，可判断出在 与F1表示的范围对应的时间处于过度湿润状态，与此相对，在以输出 电压的偏差的大小为基础的情况下，可判断出在与F2表示的范围对应 的时间开始处于过度湿润状态。这样，对于起因于施加的高频交流电流的交流成分，通过基于平 均阻抗值的偏差判断燃料电池内部的湿润状态，与基于相对负载的输出电压值进行同样判断的情况相比能较早地判断出处于过度湿润状 态。认为这是因为，当在燃料电池内部水分稍微过剩时，即使在溢流 发展到输出电压降低程度、或者输出电压的偏差被检测出的程度之前， 在电解质膜22上的有限的微细区域也会产生电压的变动。所谓电解质
膜22上的有限的微细区域中的电压变动是指，起因于电解质膜22上 的有限的微细区域中产生的液态水、气体流动的状态部分恶化而阻碍 发电的情况。这样，当起因于产生的液态水而部分地阻碍发电时，在 具有催化剂的电极面内产生绕过发电阻碍部位的电流的运动，由此产 生IR损失，而且，会出现由未被阻碍的区域上的电流集中引起的发电 效率的恶化，电压值会变动。虽然从相对负载的输出电压整体分离起 因于这种面内的局部电流运动的电压变动是困难的，但是，在本实施 例中，通过对燃料电池20施加微弱的高频交流电流、以仅取出电压的 交流成分，可以进行上述有限的微细区域上的电压变动的分离。这样， 在不影响燃料电池整体的发电量的变动的情况下，能比实际上溢流发 展而使相对燃料电池的负载的输出电压变动、降低更早地判断出变成 了过度湿润状态。
C.变形例
另外，本发明不限于上述实施例或实施方式，在不脱离其要旨的 范围内可以在各种形式下实施，例如还可以有如下的变形。
(1) 在上述实施例中，在算出单体电池阻抗值(步骤S110)之 后，在基于单体电池阻抗值的涉及单体电池的湿润倾向的判断(步骤 S230)或涉及溢流可能性的判断(步骤S150)之前，先进行对单体电 池阻抗值的平均化处理(步骤S120)。该平均化处理能够除去根据电 压值的实测值算出的单体电池阻抗值中的噪声即可，也可以进行实施 例所示的求简单算术平均之外的处理。代替简单算术平均，例如，也 可以求对最新的单体电池阻抗值赋予权重的加权平均。
(2) 在上述实施例中，在步骤S130中，为了判断单体电池是否 处于易于发生溢流的湿润倾向，比较平均阻抗值R和基准值A，但是，也可以由其它方法进行上述判断。只要能判断电解质膜22变成充分的
湿润状态、单体电池的阻抗值的水平低就可以。图6为表示作为变形 例的溢流判断处理程序的流程图。这里，对于与图4通用的步骤，采 用相同的步骤编号并省略其说明。在图6中，代替步骤S130，进行步 骤S225及步骤S230。在步骤S225中，CPU55计算平均阻抗值R的区 间平均MeanR (n)。所谓区间平均MeanR (n)是指，根据从算出的 最新的平均阻抗值R (n)起、随着时间追溯得到的规定数目(例如j 个)的平均阻抗值而计算出的平均阻抗值R的平均值。也就是说，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)
这样，在步骤S225中，每次实行步骤S225，都错动作为计算平 均值的对象的平均阻抗值的范围以逐个包含最新的值，进行平均阻抗 值的区间平均Mean R (n)的计算。在步骤S225中算出的区间平均 MeanR(n)只要表示当前时刻的平均阻抗值的水平就可以，为了计算 平均值而使用的平均阻抗值的采样数j可以适当设定。之后，CPU55 和步骤S130—样，比较上述区间平均MeanR (n)与基准值A，判断 单体电池是否处于湿润倾向(步骤S230)。这样，通过使用关于进行 了平均化处理的单体电池阻抗值的区间平均MeanR(n)，也能进行基 于阻抗值的水平的同样的判断。
而且，表示作为其它变形例的溢流判断处理程序的流程图如图7 所示。这里，对于与图4通用的步骤，采用相同的步骤编号并省略其 说明。在图7中，代替步骤S130，进行步骤S325及步骤S330。在步 骤S325中，CPU55导出平均阻抗值R的区间最频值ModeR (n)。所 谓区间最频值Mode R (n)是指，对于从算出的最新的平均阻抗值R (n)起随着时间追溯而得到的规定数目的平均阻抗值，调查值的频数 分布，作为频率最高的数值而得到的值。
图8为表示对于从平均阻抗值R (n)起随着时间追溯而得到的规定数目的平均阻抗值、调查了值的频数分布后的结果的说明图。将平 均阻抗值所取的数值范围分割成多个范围，对于上述规定数目的平均 阻抗值，调査属于分割后的各个数值范围的平均阻抗值的数目(频数)，
将频数最高的数值范围的中央值作为区间最频值ModeR (n)。
这样，在步骤S325中，每次实行步骤S325，都错动作为求最频 值的对象的平均阻抗值的范围以逐个包含最新值，得到平均阻抗值的 区间最频值Mode R (n)。在步骤S325中求出的区间最频值Mode R (n)只要表示当前时刻的平均阻抗值的水平就可以，为了计算最频值 而使用的平均阻抗值的采样数可以适当设定。之后，CPU55和步骤S130 一样，比较上述区间最频值ModeR(n)与基准值A，判断单体电池是 否处于湿润倾向(步骤S330)。这样，通过使用关于进行了平均化处 理的单体电池阻抗值的区间最频值Mode R (n)，也能进行基于阻抗 值的水平的同样的判断。
另外，用于判断单体电池是否处于易于产生溢流的湿润倾向的与 步骤S130对应的判断也可以通过其它方法实现，而不利用相对单体电 池阻抗值施加平均化处理后的值。例如，可以在燃料电池20中设置温 度传感器，当燃料电池20的内部温度比基准温度低时，判断为燃料电 池处于湿润倾向。或者，也可以在供给燃料电池20的燃料气体及/或氧 化气体的流量为规定量以下的情况下，判断为燃料电池20处于湿润倾 向。而且，也可以在从启动燃料电池系统10起的经过时间为基准时间 以下的情况下，认为燃料电池20未充分地升温，判断为燃料电池20 处于湿润倾向。
(3)在上述实施例中，在步骤S150中，基于平均阻抗值R (n) 的标准偏差判断燃料电池是否处于发生溢流的过度湿润状态，但是， 也可以是不同的构成。也就是说，只要是表示关于施加了平均化处理 后的阻抗值的偏差的统计值就行，也可以使用标准偏差以外的值。例 如，可以代替标准偏差使用方差。(4) 在上述实施例中，为了基于电解质膜22的湿润状态影响单 体电池的阻抗值这样的事实，进行单体电池是否处于湿润倾向的判断、 是否处于过度湿润状态的判断，利用由检测出的交流成分的电压值算 出的阻抗值。这里，由于根据检测出的交流成分的电压值计算阻抗值 时使用的电压值的值是一定的，所以也可以基于检测出的电压值进行
上述判断，而不计算阻抗值。例如，在图4所示的溢流判断处理程序 中，在步骤S120中对取得的电压值进行同样的平均化处理即可，无需 进行步骤SllO。而且，在步骤S130中，将实行了平均化处理的电压值 与基准值进行比较，在上述电压值比基准值小时，可以判断为处于湿 润倾向。而且，在步骤S140中，对实行了平均化处理的电压值计算标 准偏差，在步骤S150中将上述标准偏差和基准值进行比较，如果标准 偏差为基准值以上，则可以判断为过度湿润状态。这样，由于不计算 阻抗值而根据检测出的电压值进行判断，所以能减少用于判断的处理。
(5) 在上述实施例中，虽然相对单个的特定单体电池设置电压检 测部50，但是，也可以相对从堆叠结构中选出的多个单体电池分别设 置电压检测部50。通过对燃料电池20施加一定的交流电流并对每个单 体电池取得电压的交流成分，可以在设置了电压检测部50的各个单体 电池中进行是否为过度湿润状态的判断。在这种情况下，例如，对于 选出的各个单体电池，分别实行已经描述过的溢流判断处理程序，当 判断出在任一个单体电池中处于过度湿润状态时，实行用于溢流回避 的处理即可。
权利要求
1.一种具有固体高分子型燃料电池的燃料电池系统，具有交流成分发生部，其以一定的频率和振幅对上述燃料电池施加交流电成分；交流电压取得部，其从构成上述燃料电池的预定的单体电池的输出电压中分离起因于上述交流电的交流成分，以随着时间获取上述交流成分的电压值；湿润状态判断部，其判断上述燃料电池是否处于湿润倾向；和过度湿润判断部，其在上述湿润状态判断部判断出上述燃料电池处于上述湿润倾向时，判断上述燃料电池是否处于过度湿润。
2. 如权利要求l所述的燃料电池系统，上述湿润状态判断部对与随着时间获取的上述交流成分的电压相 关的值进行平均化处理、以生成平均化值，并且在上述平均化值小于 基准值时，判断为上述燃料电池处于湿润倾向。
3. 如权利要求l所述的燃料电池系统，上述湿润状态判断部对与随着时间获取的上述交流成分的电压相 关的值进行平均化处理、以逐次生成平均化值，求出逐次生成的上述 平均化值中频率最高的最频平均化值，并且在该最频平均化值小于基 准值时，判断为上述燃料电池处于湿润倾向。
4. 如权利要求2或3所述的燃料电池系统，上述湿润状态判断部根据随着时间获取的上述交流成分的电压值 与上述交流电流的电流值、随着时间导出上述单体电池的阻抗值，并 且作为与上述电压相关的值的平均化处理，进行对上述阻抗值的平均 化处理，生成上述平均化值。
5. 如权利要求1所述的燃料电池系统，上述燃料电池系统还具有用于检测上述燃料电池的内部温度的温 度传感器，上述湿润状态判断部，在上述温度传感器检测出的上述燃料电池 的内部温度比基准温度低的情况下，判断为上述燃料电池处于湿润倾 向。
6. 如权利要求l所述的燃料电池系统，上述湿润状态判断部在供给上述燃料电池的气体流量为预定量以 下的情况下，判断为上述燃料电池处于湿润倾向。
7. 如权利要求1至6中任意一项所述的燃料电池系统，上述过度湿润判断部求出表示随着时间获取的上述交流成分的电 压值的偏差大小的统计值，在表示上述偏差大小的统计值超过基准值 的情况下，判断为上述燃料电池处于过度湿润。
8. 如权利要求7所述的燃料电池系统，上述过度湿润判断部根据随着时间获取的上述交流成分的电压值 与上述交流电流的电流值、随着时间导出上述单体电池的阻抗值，并 且作为表示上述电压值的偏差大小的统计值，求出表示上述阻抗值的 偏差大小的统计值。
9. 如权利要求1至7中任意一项所述的燃料电池系统， 还具有溢流回避处理实行部，在判断为上述燃料电池处于过度湿润的情况下，其实行用于避免溢流的溢流回避处理。
10. 如权利要求9所述的燃料电池系统，上述溢流回避处理，通过使根据上述燃料电池系统供给电力的负 载的负载要求而确定的氧化气体流量及氧化气体压力增大来实行。
11. 如权利要求9所述的燃料电池系统，上述溢流回避处理，通过使根据上述燃料电池系统供给电力的负 载的负载要求而确定的燃料气体流量及燃料气体压力增大来实行。
12. —种具有固体高分子型燃料电池的燃料电池系统的过度湿润 判断方法，具有下述步骤以一定的频率和振幅对上述燃料电池施加交流电成分； 从构成上述燃料电池的预定的单体电池的输出电压中分离起因于 上述交流电成分的交流成分，以随着时间获取上述交流成分的电压值； 判断上述燃料电池是否处于湿润倾向；和在判断出上述燃料电池处于上述湿润倾向时，判断上述燃料电池 是否处于过度湿润。
13. 如权利要求12所述的过度湿润判断方法，在上述燃料电池是否处于过度湿润的判断中，求出表示随着时间 获取的上述交流成分的电压值的偏差大小的统计值，在表示上述偏差 大小的统计值超过基准值的情况下，判断为上述燃料电池处于过度湿
全文摘要
一种具有固体高分子型燃料电池(20)的燃料电池系统(10)具有交流电流发生部(52)，其以一定的频率和振幅对燃料电池(20)施加交流电流；交流电压取得部(过滤器部(71)、A/D变换器(72)及控制部(54))，其从构成燃料电池(20)的特定的单体电池的输出电压分离起因于交流电流的交流成分，以随着时间获取交流成分的电压值；湿润状态判断部(控制部(54))，其判断燃料电池(20)是否处于湿润倾向；和过度湿润判断部(控制部(54))，其在湿润状态判断部判断出燃料电池(20)处于湿润倾向时，求出表示随着时间获取到的上述交流成分的电压值的偏差的大小之统计值，在表示该偏差的大小的统计值超过基准值的情况下，判断为燃料电池(20)处于过度湿润。
文档编号H01M8/04GK101243571SQ20068003005
公开日2008年8月13日 申请日期2006年8月4日 优先权日2005年8月18日
发明者荒木康 申请人:丰田自动车株式会社