专利名称：确定单电池中的化学计量比的燃料电池堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统、操作燃料电池系统的方法和用于燃 料电池系统中的电池化学计量比计算设备。
背景技术：
日本专利申请/>开No. JP-A-8-315843 乂^开了一种燃料电池，
在该电池中将气体供给到阳极侧直至电压超过规定值，并且在除去 滞留的7jC之后开始将电能供应给外部负荷。
然而，在上述技术中，由于认为阳极流动通道的阻塞是电压 低于规定值的唯一原因，因此存在一些情况，其中由于其它原因， 启动耗费时间。
当在凝固点以下启动时，存在这种情况上一次运行所产生 的水在燃料电池内凝固并且阻塞燃料电池内的气体通道。在该情况 下，由于气体的流动受阻，因此燃料电池的电压降低，使得难以实 现稳定的燃料电池运行。为此，暖机(warm-up)需要长的时间， 使得难以迅速转换到正常运行。
即使尝试确定在气体流动通道中在低温下是否存在凝固(即， 冻结)，但是如果仅几个电池中的流动通道阻塞，则对气体压力的 损失几乎没有影响。为此，难以确定流动通道是否被阻塞。
如果流动通道的阻塞造成进一步的气体供给不足，则出现产 生负电压的问题。在该情况下，难以判断造成负电压的原因是阳极 气体供给不足或是阴极气体供给不足。尤其是在阳极气体供给不足
的情况下，存在负电压引起的电解质膜、催化剂层等的劣化的问题。
发明内容
本发明的一个目的是在抑制燃料电池启动时由于气体供给不足 引起的燃料电池劣化的同时提供稳定的燃料电池的暖M行。
本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统。所述燃料电池系统包
括燃料电池，该燃料电池包括供给有指定气体用于发电的多个单电池; 用于计算在启动所述燃料电池时每个单电池的所述指定气体的电池化 学计量比的装置；和用于在所述电池化学计量比降低到低于规定值时 增加所供给的所述指定气体的气体量的装置。
当燃料电池在低温下启动时，可以使用该燃料电池系统。特别地， 所述系统可以包括燃料电池，该燃料电池包括供给有指定气体用于发 电的多个单电池；用于计算在^l氐温下启动所述燃料电池时每个单电池 的所述指定气体的电池化学计量比的装置；和用于在所述电池化学计 量比降低到低于规定值时增加所供给的所述指定气体的气体量的装 置。
在所述燃料电池系统中，电池化学计量比计算装置包括用于获取 每个单电池的电池电压的装置、用于通过对每个单电池的所述电池电 压求平均值计算平均电池电压的装置、用于从参考值改变供给到所述 燃料电池的所述指定气体的所述化学计量比的装置、用于获取代^fr 所述化学计量比从所述参考值变化时所述化学计量比和所述平均电池 电压的变化率之间的关系的近似方程的装置和用于计算在所述化学计 量比从所述参考值变化到规定值时每个单电池的所述电池电压的变化 率的装置。所述电池化学计量比计算装置可以利用所述近似方程基于 所述电池电压的变化率计算每个单电池的所述电池化学计量比。
该燃料电池系统还可以包括用于基于所计算的每个单电池的所 述电池化学计量比计算每个单电池的所述指定气体的流量的装置。
用于增加气体量的装置可以包括用于计算每个单电池的所述指 定气体的所述电池化学计量比的最小值或所述指定气体的流量的装 置，和用于控制供给到所述燃料电池的所述指定气体的流量使得所述 最小值不小于所规定阈值的装置。
燃料电池系统还可以包括用于获取所述燃料电池的内部温度的 装置，和用于基于所述内部温度校正所述电池电压的装置。
用于获取内部温度的装置可以基于在燃料电池中循环的冷却水 的温度获取内部温度。
用于获取内部温度的装置基于从启动所述燃料电池时刻起产生
的能量和所述燃料电池的电能产生量获取所述内部温度。
该方面还可以包括用于设定负荷的装置，在计算所述电池化学计 量比时，将所述燃料电池的负荷设定为低于正常运行时的负荷的值。
在所述燃料电池的运行转换到正常运行之后，所述用于增加气体 的量的装置可以以在转换至正常运行之前的增加比率增加所述气体的 量，直至所述燃料电池的温度超过凝固点。
所述用于增加气体的量的装置可以在所述燃料电池的温度升至 高于所述凝固点之后减少所述气体的量。
所述指定气体为含有氢的第一气体和含有氧的第二气体，并且所 述用于计算电池化学计量比的装置在计算每个单电池的所述第一气体 的电池化学计量比之后计算每个单电池的所述第二气体的电池化学计 量比。
本发明的第二方面涉及一种操作燃料电池系统的方法。该方法包 括在启动包括供给有指定气体用于发电的多个单电池的所述燃料电池 时计算每个单电池的所述指定气体的电池化学计量比，以及在所述电
池化学计量比降低到低于规定值时增加所供给的所述指定气体的气体 量。
操作燃料电池系统的方法还可以使用燃料电池在低温下启动的 时间段。具体而言，该方法可以包括在低温下启动包括供给有指定气 体用于发电的多个单电池的所述燃料电池时计算每个单电池的所述指 定气体的电池化学计量比，以及在所述电池化学计量比降低到低于规 定值时增加所供给的所述指定气体的气体量。
本发明的第三方面涉及一种用于燃料电池系统的计算电池化学 计量比的设备。该设备包括用于获取包括供给有指定气体用于发电的 多个单电池的燃料电池的单电池的电池电压的装置、用于通过对每个 单电池的所述电池电压求平均值计算平均电池电压的装置、用于从参 考值改变供给到所述燃料电池的所述指定气体的所述化学计量比的装 置、用于获取代表在所述化学计量比从所述参考值变化时所述化学计 量比和所述平均电池电压的变化率之间的关系的近似方程的装置和用 于计算在所述化学计量比从所述参考值变化到规定值时每个单电池的 所述电池电压的变化率的装置。电池化学计量比计算装置利用所述近
似方程基于所述电池电压的变化率计算每个单电池的所述电池化学计 量比。
计算电池化学计量比的设备还可以包括用于获取所述燃料电池 的内部温度的装置和用于基于所述内部温度校正所述电池电压的装 置。
计算电池化学计量比的i殳备还可以包括用于将所述燃料电池的 负荷设定为低于正常运行时的负荷的值的装置。
计算电池化学计量比的设备还可以包括用于计算每个单电池的 所述指定气体的包含氢的所述第一气体的所述电池化学计量比的第一 装置，和用于计算每个单电池的所述指定气体的包含氧的所述第二气 体的所述电池化学计量比的第二装置。
由于本发明的第一方面在所计算的每个单电池的电池化学计量 比低于规定值的情况下(即使气体燃料通道由于凝固而阻塞)增加供 给的指定气体的量，所以其抑制了燃料电池的电压降低并使燃料电池 能够稳定的运行。该第一方面还缩短了燃料电池暖机所需的时间，并 且能够抑制由于气体供给不足引起的燃料电池劣化。
可以基于代表供给到燃料电池的指定气体的化学计量比和平均 电池电压的变化率之间的关系的近似方程确定每个单电池的指定气体 的电池化学计量比。因此，能够基于电池化学计量比检测哪些单电池 的流动通道已被阻塞，并且能够基于该化学计量比增加供给的指定气 体的量。
由于能够基于所计算的每个单电池的化学计量比计算每个单电 池的指定气体的流动量，所以能够检测哪些单电池的流动通道因凝固 阻塞，并且能够基于每个单电池的指定气体的流动量增加供给的指定 气体的量。
由于控制供给到燃料电池的指定气体的流动量使得指定气体的 流动量的最小值或化学计量比高于规定的阈值，所以能够可靠地抑制 每个单电池的输出的降低。因此能够使燃料电池在低温下启动时稳定
由于基于燃料电池的内部温度校正电池电压，因此能够减轻在低 温下启动时燃料电池中的温度升高对电池电压的影响。因此能够高度
精确地确定电池化学计量比。
由于在计算电池化学计量比时将燃料电池上的负荷设定为小于 正常运行时的负荷的值，所以能够抑制由负电压引起的膜劣化，即使 供给到部分电池的气体供给不足时也是如此。
在燃料电池的运行转换到正常运行之后，由于以在转换到正常运
行之前的增加比率增加所供给的指定气体的量直至燃料电池的温JL^ 过凝固点，因此即使在转换到正常运行之后也能够增加由于凝固而阻 塞流动通道的单电池的电池化学计量比，使得能够抑制燃料电池的电 压降低。
由于在燃料电池的温度升高到高于凝固点之后停止所供给的指 定气体的量的增加，所以能够用相应于运行条件的最少的气体量运行 燃料电池。
由于在流动通道阻塞程度较高时出现包含氢的第 一气体的供给 不足，所以通过首先计算第一气体的化学计量比和增加第一气体的流 动量能够使第一气体流动通道变暖，从而能够缩短暖机时间。此外， 当第一气体的供给不足时，由于负电压导致燃料电池劣化，因此通过 首先计算第一气体的电池化学计量比能够^il判别第一气体的供给不 足。因此，能够抑制负电压引起的燃料电池劣化。
参照附图，从以下优选实施方案的描述中本发明的前述和其 它目的、特征和优点会变得明显，附图中类似的附图标记用于表示 类似的要素，在附图中
图l是显示根据本发明一个实施方案的燃料电池系统的构造的 示意图2A和2B是显示阳极气体通道、阴极气体通道和与每个堆 的连接部件的细节的示意图3是以平面视图形式显示每个单电池和周围区域的构造的示 意图4显示表示供给到燃料电池的阴极气体流动量和燃料电池输
出之间的关系的特性；
图5是显示表示每个单电池的平均电压变化率和阴极气体流动 量之间的关系的特性的图6是显示燃料电池的每个单电池(#1~#400)中的阴极气体 流动量(化学计量比)的计算结果的示意图7A 7D是显示在燃料电池系统启动时进行的程序的时序
表；
图8是显示表示燃料电池的温度和电池电压之间的关系的特征
的图9A和9B是显示燃料电池系统中进行的程序的流程图。
具体实施例方式
下文参照附图描述本发明的实施方案。每个图中的共同要素 用相同的附图标记表示，本文中不再重述。应该理解，以下实施方 案的描述不限制本发明。
现在描述根据本发明一个实施方案的燃料电池系统的构造。 图1是显示根据该实施方案的燃料电池系统10的构造的示意图。 燃料电池系统10安装在例如燃料电池车中。燃料电池系统10具有 燃料电池12。在该实施方案中，燃料电池(FC) 12是具有固体聚 合物隔离膜的燃料电池(PEMFC)，由两个燃料电池堆(堆12a和 堆12b)形成。
堆12a和12b的每一个由多个堆叠的单电池形成，所述单电 池由阳极、阴极和隔离器形成。在图l和图2中，箭头A表示单电 池的堆叠方向。在该实施方案中，堆12a和12b的每一个由200个 单电池形成。
单电池中设置的电解质膜是例如用氟基固体聚合物材料形成 的质子导电离子交换膜。由用碳纤维制成的碳布形成阳极和阴极， 并且该阳极和阴极具有催化剂层和扩散层。由不可透过气体的导电
材料形成隔离器，例如通过将碳压缩成不可透过气体的密实碳形成 所述导电材料。相邻的单电池堆叠为一个单电池的阳极面对另一个 单电池的阴极，中间插入有隔离器。
如图1所示，阳极气体流动通道14和阴极气体流动通道16 通到燃料电池12中。阳极气体流动通道14连接到高压氢罐18,富 集氢气的阳极气体从氢罐18送到堆12a和12b的每一个的阳极。 阳极气体流动通道14设置有位于氢罐18下游的调节器20。调节器 20将燃料电池12入口处的阳极气体压力调节至所需的合适压力。 压力传感器22连接到调节器20下游的阳极气体流动通道14。
泵24设置在阴极气体流动通道16中，驱动泵24以将含有氧 的阴极气体作为氧化气体送到堆12a和12b的每一个中的阴极。
图2A和2B分别是显示阴极气体流动通道16和堆12a和12b 的每一个之间的连接部件的细节的示意图。在该情况下，图2A显 示阳极气体流动通道14和堆12a和12b之间的连接部件。如图2A 中所示的，阳极气体流动通道14经过分支管26连接至堆12a和12b 的每一个。分支管26具有将阳极气体流动通道14送来的阳极气体 分配到堆12a和12b的功能。
图2B显示阴极气体流动通道16和堆12a和12b之间的连接 部件。如图2B所示，阴极气体流动通道16经过分支管28连接至 堆12a和12b。分支管28具有将由阴极气体流动通道16送来的阴 极气体分配到堆12a和12b的功能。
图2A和2B显示堆12a和12b的400个单电池的位置。如图 2A和2B所示，在堆12a中^殳置电池序号为#1~#200的电池，在堆 12b中设置电池序号为#201~#400的电池。在堆12a中，#1号电池 设置在与连接分支管26、 28的末端相反的侧，电池序号朝向分支 管26、 28增加，最靠近分支管26、 28的电池序号为#200。相反， 在堆12b中，电池序号为#201的电池i殳置在连接分支管26、 28的 侧，并且电池序号随着远离分支管26、 28而增加，#400号电池距 分支管26、 28最远。
图3是以平面视图形式显示每个单电池周围区域的示意图，
其中从单电池的堆叠方向显示堆12a和12b的每一个的内部。也就 是说，图3以示意图的形式显示垂直电池堆叠方向的方向上的横截 面，例如对应于沿图2A所示点虚线III-III的横截面。
如图3所示，每个单电池都设置有阳极气体流动通道30和阴 极气体流动通道32。由于流动通道30、 32设置为在单电池的堆叠 方向上重叠，所以在图3中流动通道30、 32简单地显示为虚线。 如图3所示，流动通道30、 32沿直线从电池的一端延伸到另一端。
在流动通道30、 32的每个末端上，设置分别连接至每个流动 通道30、 32的分配部分34、 35，以在单电池的堆叠方向上重叠。 还在分配部分34、 35的外侧设置歧管36、 38、 42、 44。歧管36经 过分配部分34连接到阳极气体流动通道30。歧管38经过分配部分 35连接到阴极气体流动通道32。如下文待述的，歧管36、 38和歧 管42、 44i殳置为在电池堆叠方向穿通的孔。歧管36的末端部分连 接至分支管26，歧管38的末端部分连接至分支管28。
冷却剂在燃料电池12的每个单电池中循环。这样，抑制了伴 随发电的燃料电池12的温度过度升高，并且合适地设定燃料电池 12的温度。
通过采用这种构造，经过分支管26从阳极气体流动通道14 送到堆12a和12b的每一个的阳极气体被送到歧管36，并且经过分 配部分34和流动通道30从歧管36送到每个单电池的阳极。以相 同的方式，经过分支管28从阴极流动通道16送到堆12a和12b的 每一个的阴极气体被送到歧管38，并且经过分配部分35和流动通 道32从歧管38送到每个单电池的阴极。
当阳极气体送到燃料电池12的阳极时，由阳极气体中包含的 氢产生氢离子(H2 —2H+ + 2e-)。当阴极气体送到燃料电池12的阴 极时，由阴极气体中包含的氧产生氧离子。以此方式，在燃料电池 12内产生电能。与此同时，上述氢离子和氧离子在阴极生成水 ((1/2 ) 02 + 2H+ + 2e- — H20 )。几乎所有的这些水都吸收燃料电池 12中产生的热，蒸发并作为阴极排气的一部分排出。
从阳极排出的阳极废气被送到图3中所示的歧管42，并且经
过歧管42送到图1所示的废气流动通道46。在阳极废气流动通道 46中设置泵48,并且通过驱动泵48将阳极废气再次送回阳极气体 流动通道14。送回到阳极气体流动通道14的阳极废气补充来自氲 罐18的氢，并再次被送到燃料电池12。通过将阳极废气送到燃料 电池12,能够使阳极废气中包含的未反应的氬在燃料电池内反应， 从而能够提高氢的利用效率。可以通过调节器20和泵48控制送到 燃料电池12的阴极气体的流动量。
收集阳极废气中的水分的气/液分离器50设置在阳极废气流 动通道46中。排水阀52连接到气/液分离器50。通过打开排水阀 52将气/液分离器50收集的阳极废气的水分排出。
排放阀54在泵48的下游连接到阳极废气流动通道46。如果 在由从阳极废气流动通道46到阳极气体流动通道14并然后到燃料 电池12的通路形成的阳极循环系统中包含大量诸如氮气(N2)等 杂质成分，则通过间歇性打开排放阀54进行吹扫，以排出这些成 分。
止回阀56i殳置在排放阀54的连接位置的下游。止回阀56具 有阻止从阳极气体流动通道14向泵48的流动的功能。
从每个单电池的阴极排出的废气被送到图3所示的歧管44， 并且从歧管44送到图1所示的阴极废气流动通道58。阴极废气穿 过阴极废气流动通道58,最后从消音器60排出。调节阴极废气压 力的控制阀62和测定控制阀62上游的阴极废气压力的压力传感器 64设置在阴极废气流动通道58中。控制阀62能够控制从燃料电池 12排出的阴极废气的压力。可以通过泵24和控制阀62控制送到燃 料电池12的阴极气体的流动量。
增湿器66设置在阴极废气流动通道58中的消音器60的上游。 阴极气体流动通道16通到增湿器66中。增湿器66具有吸收在燃 料电池12中产生的阴极废气中包含的水分和利用所吸收的水分给 阴极气体流动通道16中的阴极气体增湿的功能。
如图1所示，该实施方案的系统具有ECU (电子控制单元) 40。用于测定燃料电池12的输出(电压值和电流值)和冷却水温
等的各种传感器(未示出)连接到ECU 40,以获取系统的运行条 件。通过这些传感器，ECU40能够测定燃料电池12的400个单电 池的每一个的单独的电池电压。上述压力传感器22、 64、调节器 20、排水阀52、排放阀54和控制阀62等连接到ECU 40。通过控 制燃料电池12的输出、各种气体压力和各种气体流动量，ECU 40 可以在期望的运行条件下操作燃料电池12。
现在将描述计算每个单电池的化学计量比(气体流动量)的 方法。燃料电池12通过如上所述的每个单电池内阳极气体中的氢 和阴极气体中的氧之间的反应发电。因此，为了提高燃料电池12 的发电效率，必须精确控制供给到每个单电池的气体的量。然而， 当在极低的温度下启动时，存在这样的情形在阳极气体和阴极气 体流动通道30、 32，分配部分34、 35和歧管36、 38、 42、 44等中 出现凝固。当凝固造成流动通道32、 34阻塞时，流动通道中的气 体流动可能受到抑制。
为此，在该实施方案中，当在低温下启动燃料电池12时测定 供给到每个单电池的化学计量比(气体量)，并且如果气体的供给 不足，则进行调整以增加气体供给量。
在测定供给到每个单电池的气体的量时，设想的一种方法是 基于每个单电池的电池电压预测供给的气体的量。然而，由于电池 电压也随除了气体量之外的因素变化，因此基于电池电压难以精确 预测供给到每个单电池的气体的量。
例如，在指定的单电池中，如果某些原因导致电解质膜劣化 或构成阳极和阴极的催化剂层和扩散层劣化，则即使将供给到该单 电池的气体的量保持在足够的值，电池电压也降低。如果杂质附着 于阳极和阴极的流动通道30、 32等上，则电池电压降低，即使所 供给的气体量为足够的值也是如此。
因此，通过基于电压的决定难以将由所供给的气体的量引起 的电池电压的变化和由其它因素引起的电池电压的变化分开，所以 基于电池电压难以精确测定供给到每个单电池的气体的量。
如上所述，该实施方案基于每个单电池的电池电压变化率计
算供给到每个单电池的气体的量。下文将详细描述基于电池电压的 变化率确定供给到每个单电池的气体的量的方法。在本说明书中， 该方法是测定供给到每个单电池的阴极气体的量的方法，尽管作为 替代方案也可以通过与阳极气体供给量相关的类似方法进行该测 定。
图4显示表示供给到燃料电池12的阴极气体的化学计量比和 燃料电池12的输出之间的关系的特性，这些特性是通过燃料电池 12运行期间的实际测量获得的。
在图4中，水平轴表示在阴极气体流动通道16中流动的阴极 气体的化学计量比。该化学计量比是实际阴极气体流动量和阴极气
体流动量的理论值的比。阴极气体流动量的理论值是基于燃料电池 12的驱动负荷计算的值。高电流密度区域中的阴极气体的化学计量 比通常约为1.2~1.5，并且，通过使实际的阴极气体流动量大于理 论值，能够使燃料电池12稳定地运行。
图4中的竖轴代表燃料电池12的所有单电池的电池电压的平 均值(平均电池电压)。如上所述，ECU40可以测定每个单电池的 电池电压，并且通过对这些电池电压求平均值可以确定平均电池电 压。
在获得图4所示的特性时，阳极气体流动通道14中的阳极气 体流动量保持在恒定的值。当获得如图4所示的特性时，首先在将 化学计量比设置为参考化学计量比SO的条件下测定平均电池电压 (参考电压V0)。然后，从参考化学计量比SO減小化学计量比， 并且在不同的化学计量比S1、S2和S3的条件下测定平均电池电压。
随着化学计量比从参考化学计量比S0减小，阴极气体流动量 减少，并且因为燃料电池12中的反应量减少，所以平均电池电压 从参考电压V0降低。如图4所示，如果化学计量比从SO减小到 Sl，则平均电池电压变成V1，并且平均电池电压从参考电压V0的 变化量AV1为(V0 - VI )。以相同的方式，当化学计量比从S0减 小到S2时，平均电池电压变成V2，并且平均电池电压的变化量AV2 (=V0-V2)。当化学计量比从S0减小到S3时，平均电池电压变
成V3，并且平均电池电压的变化量为AV3 ( =V0-V3)。以此方 式，化学计量比从参考化学计量比S0减小越多，则平均电池电压 的变化量越大。
图5显示表示平均电池电压的变化率和化学计量比之间的关 系的特性(近似值)，这是基于图4所示的特性获得的。在图5中， 水平轴代表平均电池电压的变化率。可以通过用每个平均电池电压 的变化量AV1、 AV2和AV3除以参考电压V0确定平均电池电压的 变化率(例如，在图4中的每个化学计量比Sl、 S2和S3处)。也 就是说，在化学计量比Sl时的电压变化率为AV1/V0，在化学计量 比S2时的电压变化率为AV2/V0，在化学计量比S3时的电压变化 率为AV3/V0。图5中使用的近似方程是通过标出每个化学计量比 Sl、 S2和S3时的电压变化率并通过近似曲线(直线)连接这些点 获得的。
图5中所示的特性清楚地表明单电池的电压变化率和阴极气 体的化学计量比之间的关系。因此，如果确定了每个单电池的电池 电压变化率，则能够基于电压变化率确定每个单电池的化学计量比 (在每个单电池中流动的阴极气体的化学计量比)。
由于供给到燃料电池12的阴极气体的化学计量比变化，每个 单电池的电池电压变化。因此，从化学计量比变化时每个单电池的 电池电压的变化量能够确定电池电压的电压变化率。
下面描述确定每个单电池中的电池电压变化率的方法。在确 定每个单电池的电压变化率时，首先将阴极气体流动通道16中的 阴极气体的化学计量比设定为关于图4所述的参考化学计量比SO, 并且在该条件下确定每个单电池中的参考电压V0(n)。此后，将阴 极气体流动通道16中的化学计量比从参考化学计量比SO减小到正 常运行时的化学计量比SA。在化学计量比为SA的条件下，确定各 个单电池中的电池电压VA(n)。这样，确定当化学计量比从SO变化 到SA时电池电压的变化量(VO(n)-VA(n)),并且通过用该变4匕量 (VO(n)-VA(n))除以参考电压VA(n)能够确定每个单电池的电池电 压的变化率P(n)。也就是说，通过以下方程确定电压变化率P(n)。
P(n) = (V0(n)-VA(n))/V0(n)... (1)
在以上方程中，n为电池序号。
将以该方式确定的每个单电池的电池电压的变化率P(n)应用 到图5的特性(水平轴)。这样，能够确定每个单电池中的阴极气 体的化学计量比(电池化学计量比)。
如上所述，基于燃料电池12的负荷计算燃料电池12所需的 阴极气体流动量的理论值，并且基于此计算每个单独的单电池中的 阴极气体流动量的理论值。因此，当由图5所示的特性确定每个单 电池的实际电池化学计量比时，通过将这些乘以每个单电池的理论 阴极气体流动量能够确定每个单电池的实际阴极气体流动量。
此外，假定均匀的阴极气体供给到每个单电池，则每个单电 池中的阴极气体流动量的理论值为整个燃料电池12的阴极气体供 给量的理论值除以电池的数目。
以此方式，根据该实施方案的方法，能够基于每个单电池的 电池电压的变化率确定每个单电池的电池化学计量比和阴极气体 流动量。因此，能够判断阴极气体是否良好地供给到每个单独的单 电池。
在该实施方案的方法中，通过用从参考电压VO的电压变化量 除以参考电压VO计算电池电压的变化率。为此，即使存在由除了 气体供给量之外的因素例如电解质膜、构成阳极和阴极的扩散层或 催化剂层的劣化，或短路或杂质引入流动通道引起的电池电压变 化，也不会受到这种变化的影响。因此，根据该实施方案的方法， 能够在消除这些因素的条件下非常精确地测量每个单电池的化学 计量比和阴极气体流动量。
图6是显示利用上述方法对燃料电池12的每个单电池(#1~ #400)计算的化学计量比(阴极气体流动量)的结果的示意图。在 图6中，横轴代表电池序号，竖轴代表电池化学计量比(阴极气体 流动量)。
在图6所示的结果中，电池化学计量比(阴极气体流动量)
对于堆12b的每个单电池(#201~#400)是基本上均匀的。然而， 对于堆12&的单电池(#1~#200)，序号相对小的#26、 #59、 #87号 电池的化学计量比(阴极气体流动量)与其它电池相比减小。因此， 能够判断这些单电池中供给的气体量(化学计量比)减小。
为了使燃料电池12稳定地运行，必须进行操作使得每个单电 池中的电池化学计量比(阴极气体流动量)高于图6中所示的极限 电池化学计量比(极限电池流动量)。根据该实施方案的方法，因 为能够高度精确地确定每个单电池中的电池化学计量比(气体流动 量)，所以通过供给气体使得每个单电池的电池化学计量比(气体 流动量)的最小值总是大于极限电池化学计量比(极限电池流动 量)，能够使燃料电池12稳定地运行。
现在将描述从低温的暖机运行。当在低于凝固点的低温下启 动时，可以假定前次运行时在燃料电池12中产生的水分等已经在 其所滞留的燃料电池12中凝固。在该实施方案中，利用上述方法， 确定在低温下启动时每个单电池的电池化学计量比(气体流动量)， 并且对化学计量比已降低了的单电池进行判断。
当从低温启动时，在电池化学计量比降低了的单电池中，能 够假定凝固导致了流动通道30、 32的阻塞。同样，在该情况下， 增加气体供给的量使得表现出化学计量比减小最多的单电池的化 学计量比(气体流动量)处于或高于极限电池化学计量比(极限电 池流动量)，从而使燃料电池12稳定运行。这样，能够将所有单电 池的电池化学计量比增加到高于极限电池化学计量比，并且能够抑 制燃料电池12中的电压降。
图7A到图7D是显示在燃料电池系统10启动时进行的程序的 时序图。当在低温下启动时，在t0时启动燃料电池系统10，此时 进行暖机运行。运行在时刻t7时转换到正常运行，并且此时燃料电 池12适当启动。在该实施方案中，在从时刻t0到时刻t7期间，判 断每个单电池的流动通道30、 32是否已经凝固并因凝固而阻塞， 并且如果通道被阻塞则进行调整以增加气体的量。
图7A显示启动后设定的燃料电池12的负荷。在图7A的实例
中，在启动时刻t0之后，将负荷设定为0.1 [A/cm2。在运行转换 到正常运行的时刻t7之后，将负荷设定为1.0 [A/cm2]。以此方式， 在判断单电池的流动通道30、 32是否因凝固而阻塞时，使负荷小 于正常运行时的负荷。这样，在确定阳极气体或阴极气体的电池化 学计量比时，能够避免这种情形由于在阳极气体和阴极气体的另 一种的气体不足而不能精确判断化学计量比。如果将设定为比正常 运行期间小的负荷设定得过低，则难以检测电压的变化。另一方面， 如果该负荷设定得过高，则会出现由于流动量不足引起的负电压所 导致的电解质膜、催化剂层等的劣化。因此，期望将小于正常运行 时的负荷设定为约0.05 ~ 0.1 [A/cm2。尽管在该实施方案中，正常 运行期间燃料电池的负荷为1.0 [A/cm2，但是不限于该值。
图7B显示阳极气体流动通道14中的阳极气体的化学计量比。 图7C显示阴极气体流动通道16中的阴极气体的化学计量比。这些 化学计量比是根据燃料电池12的负荷设定的值，并且是实际气体 流动量和相应于所述负荷的理论气体流的值的比。在负荷为0.1 [A/cm1的情况下，阳极气体的化学计量比设定为约1.2，阴极气体 的化学计量比设定为约2.0。
图7D显示燃料电池12的温度。如图7D所示，当在时刻t0 启动燃料电池12时，燃料电池12的温度在启动后由于发电而升高。 后面将描述基于燃料电池12的温度的电池电压的校正。
在该实施方案中，使阳极气体和阴极气体化学计量比在时刻 t0和t7之间变化，并且通过关于图4和图5描述的方法确定电压 变化率和化学计量比之间的关系。在上述方法中，基于每个单电池 的电压变化率计算每个单电池中的阳极气体和阴极气体的化学计 量比(气体流动量)。
为此，如图7B中所示，首先阳极气体的化学计量比从时刻t0 到时刻t3逐步降低，并且计算电压变化率，进行调整以得到图4 和图5中所示的特性。在该过程中，阴极气体的化学计量比(在该 情况下为2.0)保持恒定。在图7B所示的实例中，阳极气体的化学 计量比逐步地从1.2变化到1.1然后变化到1.05。因此，通过确定 与化学计量比1.2、 1.1和1.05相对应的平均电池电压V0、 VI和
V2，如图4和图5所述确定化学计量比变化时的电压变化率。因此， 基于每个单电池的电压变化率，能够计算每个单电池中的阳极气体
的电池化学计量比(阳极气体流动量)。
在确定每个单电池中的阳极气体的电池化学计量比(气体流 动量)时，进行调整以增加阳极气体的量，使得化学计量比降低最 多的单电池中的化学计量比(气体流动量)处于或高于极限电池化 学计量比(极限电池流动量)。
然后，如图7C中所示，阴极气体的化学计量比从时刻t4到 t6以逐步的方式降低，并且进行调整以计算电压变化率。此时，阳 极气体的化学计量比保持恒定(在该情况下为1.2)。在图7C所示 的实例中，阴极气体的化学计量比以逐步的方式从2.0变化到1.9 然后变化到1.8。因此，通过确定与化学计量比2.0、 1.9和1.8相对 应的平均电池电压VO、 VI和V2，如图4和图5所述确定化学计 量比变化时的电压变化率。因此，基于每个单电池的电压变化率， 能够计算每个单电池中的阴极气体的化学计量比(阴极气体流动 量)。
在确定每个单电池中的阴极气体的电池化学计量比(气体流 动量)时，进行调整以增加阴极气体的量，使得化学计量比降低最 多的单电池中的电池化学计量比(气体流动量)处于或高于极限化 学计量比(极限电池流动量)。
这样，能够使所有单电池的阳极气体和阴极气体的化学计量 比均高于极限化学计量比，使得甚至在流动通道30、 32因凝固而 阻塞时燃料电池12也能稳定运行。
以此方式，燃料电池12在低温下启动，在经过时刻t7时，燃 料电池系统10适当启动，从而转换到正常运行。也就是说，将燃 料电池系统10的负荷设定为正被驱动的燃料电池车等的负荷值。 在图7A 7D的实例中，燃料电池12上的负荷i殳定为1.0[A/cm2。
即使在时刻t7之后，直至流动通道中的凝固被完全清除，也 就是说，直至燃料电池12的暖机完成并且燃料电池12的温度高于 凝固点时，由于可以想象凝固阻碍气体流动，因此基于时刻t7之前
的气体增加率增加气体的量。例如，对应于1.0 [A/cm"的负荷，如 果阳极气体的化学计量比基于时刻t7之前的判断是1.5倍，则时刻 t7之后也进行控制，使得以相同方式使化学计量比增加1.5倍。这 样，即使在转换到正常运行之后，也能够将流动通道因凝固而阻塞 的单电池的电池化学计量比i更定为高于相应于1.0 [A/cm1负荷的 极限化学计量比，从而抑制燃料电池12的电压的降低。
在时刻t7完成燃料电池12的暖机，并且在燃料电池12的温 度超过凝固点之后，由于燃料电池12中凝固的水分融化，从而清 除了流动通道30、 32等的阻塞，所以停止阳极气体和阴极气体的 量的增加，并将化学计量比设定为相应于负荷的值。这样，能够用 与运行状态相称的最小气体量运行燃料电池12。
该实施方案的方法可以确定在低温下启动时每个单电池的阳 极气体和阴极气体的化学计量比(气体流动量)。如果电池电压因 为凝固导致的流动通道阻塞而降低，则由于该实施方案参考电压已 降低的单电池的电池电压增加化学计量比(气体流动量)，所以即 使在低温下启动时也能够使燃料电池12稳定运行。这使得能够迅 速完成燃料电池12的暖机，并且迅速转换到正常运行。
由于在转换到正常运行之前燃料电池12上的负荷降低的条件 下判断流动通道30、 32是否阻塞，因此能够可靠地防止由负电压 导致的膜劣化，即使仅在一些电池中发生气体供给不足时也是如 此。优选地，将判断时的负荷设定为低于燃料电池12中出现负电 压的值。
在确定每个单电池中的气体流动量时，由于首先确定阳极气 体流动量，如果存在由于凝固引起的阳极气体供给严重不足，则通 过采取恰当的措施例如停止暖机或通过外部热源进行暖机，能够抑 制膜的劣化，例如由于负电压的产生导致的电解质膜的劣化。此外， 由于在流动通道较大程度阻塞时出现阳极气体供给不足，所以通过 首先计算阳极气体的化学计量比并增加阳极气体的流动量，能够首 先使已经阻塞的阳极气体流动通道变暖，从而能够缩短暖机时间。
现在将描述电压值的温度校正。如图7D所示，在判断从时刻
t0到时刻t7期间阻塞的流动通道的过程中，燃料电池12的温度随 燃料电池12的发电而升高。当燃料电池12的温度升高时，由于电 池电压升高，在基于电压变化率判断流动通道是否因凝固而出现阻 塞时，可以认为电压的变化包括与温度升高相关的因素。为此，在 确定每个单电池的电池化学计量比时，该实施方案通过考虑温度升 高的量校正电压值。
图8是显示表示燃料电池12的温度和电池电压之间的关系的 特性的图。该实施方案进行调整以基于图8所示的特性校正电压变 化率。
如上所述，在确定电压变化率时，在化学计量比每次减小时 确定平均电池电压。在图7A 7D所示的实例中，确定在时刻tl 时对应于化学计量比1.2的平均电池电压V0、在时刻t2时对应于 化学计量比1.1的平均电池电压VI、在时刻t3时对应于化学计量 比1.05的平均电池电压V2。
如图7D所示，燃料电池12的温度还随时间流逝而变化。为 此原因，基于时刻tl时的温度Tl校正电池电压V0。以相同的方 式，基于时刻t2时的温度T2校正电池电压VI，并且基于时刻t3 时的温度T3校正电池电压V2。
特别地，如图8所示，确定温度从T0变化到Tl时的电压变 化量AV1，并且通过从平均电池电压V0中减去AV1来校正V0。 以相同的方式，对于平均电池电压V2和V3，通过分别从平均电池 电压VI和V2中减去温度从T0变化到T2时的平均电池电压AV2 和温度从T0变化到T3时的平均电池电压AV3,校正平均电池电 压V1和V2。因此，校正后，校正后的平均电池电压V0校正、VI校 正和V2校^可用下列方程表示
V0校正=V0 一 AV1
VI校正=V0 一 AV2
V2校正=V0 一 AV3
通过上述过程，能够基于校正的平均电池电压V0校正、VI校正
和V2校^确定图4和5中所示的特性。在确定每个单电池的电压变 化率时，也利用相同类型的方法，基于检测电池电压时的温度校正 电压值。这样，能够在消除温度对电压的影响之后高度精确地计算 每个单电池中的电池化学计量比，使得可以准确地区分流动通道 30、 32由于凝固而阻塞的单电池。因此在低温启动时能够对增加的 气体量进行最佳和准确的控制，并且能够不仅抑制过量气流引起的 燃料经济性降低，而且可靠地抑制了气体供给不足。
可以从燃料电池12中循环的冷却剂的出口温度(冷却剂从燃 料电池中排出位置处的温度)获得燃料电池12的温度。作为替代 方案，也可以基于燃料电池12中从启动时的反应量(产生的能量) 和发电量计算燃料电池12的温度。可以基于从启动时到获取所述 温度时的阳极气体供给量(供给的氢的量)计算燃料电池12内的 反应量。发电量是燃料电池12从启动时到获取所述温度时产生的 电能。在燃料电池12的反应量中，由于除了发电之外消耗的能量 是所产生的热，因此能够通过从反应量中减去发电量确定所产生的 热的量，并且能够从产生的热的量和燃料电池12的热容(已知) 确定燃料电池12的升温。这样，可以从初始温度和温度升高的量 确定燃料电池12的温度。
下面基于图9A和9B的流程图描述根据该实施方案的燃料电 池系统10中的调整程序。在燃料电池12启动时进行图9A和9B 中的调整。首先，在步骤S1中测量燃料电池12的冷却水的温度。 然后，在步骤S2中判断冷却水温是否低于凝固点。
如果在步骤S2中冷却水的温度低于凝固点，则调整进行到步 骤S3，在该步骤中启动燃料电池12的暖机运行。在该情况下，如 关于图7A~7D所述的，将燃料电池12的负荷i殳定为0.1 [A/cm2。 然而，如果在步骤S2中冷却水的温度不低于凝固点，则调整进行 到SIO。
在步骤S3之后，调整进行到步骤S4，在该步骤中确定每个单 电池中的阳极气体的电池化学计量比(气体流动量)。在这点上， 通过上述方法使阳极气体的化学计量比变化，并且基于电压变化率 确定每个单电池的电池化学计量比。
然后，在步骤S5中，判断每个单电池中的阳极气体的电池化 学计量比(气体流动量)是否降低。如果存在电池化学计量比低于 极限电池化学计量比的单电池，则调整进行到步骤S6。如果没有电 池化学计量比低于极限电池化学计量比的单电池，则调整进行到步 骤S7。
在步骤S6中，进行调整以增加阳极气体流的量。在该点，增 加阳极气体流的量使得电池化学计量比(气体流动量)降低的单电 池的电池化学计量比升高到高于极限电池化学计量比(极限电池流 动量)。在步骤S6之后，调整进行到步骤S7。
在步骤S7中，确定每个单电池中的阴极气体的电池化学计量 比(气体流动量)。在这点上，通过上述方法使阴极气体的电池化 学计量比变化，并且基于电压变化率确定每个单电池的电池化学计 量比。
然后，在步骤S8中，判断每个单电池中的阴极气体的化学计 量比(气体流动量)是否降低。如果存在电池化学计量比低于极限 电池化学计量比的单电池，则调整进行到步骤S9。如果没有电池化 学计量比低于极限电池化学计量比的单电池，则调整进行到步骤 SIO。
在步骤S9中，进行调整以增加阴极气体流。在这点上，增加 阴极气体流的量使得电池化学计量比(流动量)降低的单电池的电 池化学计量比升高到高于极限电池化学计量比(极限电池流动量)。 在步骤S9之后，调整进行到步骤SIO。
在步骤S10中，适当启动燃料电池12，并且转换到正常运行。 在这点上，将燃料电池12的负荷i殳置为例如1.0 [A/cm21。此时， 如果在步骤S6和S7中增加阳极气体和阴极气体流动量，则在转换 到正常运行之后也增加相同量的气体量。
然后，在步骤Sll测量燃料电池12的冷却水温度。然后，在 步骤S12中，判断冷却水温度是否高于凝固点。如果在步骤S12中 冷却水温度高于凝固点，则调整进行到步骤S13。如果在步骤S12 中冷却水温度低于凝固点，则返回到步骤Sll。
如果调整进行到步骤S13,由于燃料电池12的暖机完成，并 且可以假定已经清除了凝固造成的流动通道30、 32的阻塞，因此 在步骤S6和步骤S9中增加阳极气体和阴极气体流动量的情况下， 对阳极气体和阴极气体的化学计量比进行控制以达到正常运行的 目标化学计量比。在步骤S13之后调整结束(返回)。
根据上述实施方案，能够高度精确地确定启动时每个单电池 的阳极气体和阴极气体的化学计量比(气体流动量)。在电池电压 因凝固引起的流动通道阻塞而降低的情况下，通过基于电池电压降 低的单电池的电池电压增加气体供给，能够使燃料电池12稳定运 行，即使在低温下启动时也是如此。这样，能够在短时间内进行燃 料电池12的暖机，并且能够抑制燃料电池12由于气体供给不足而 劣化。
虽然参照视为本发明优选实施方案的那些内容描述了本发明， 但是应当理解，本发明不限于所公开的实施方案或结构。相反，本 发明将会覆盖不同的变化方案和等同布置。此外，虽然在不同的组 合和构造中显示了公开的本发明的不同示例性要素，但是，它们是 示例性的，其它的组合和构造，包括更多、更少或仅单个要素，也 在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括燃料电池，该燃料电池包括供给有指定气体用于发电的多个单电池；电池化学计量比计算装置，该电池化学计量比计算装置用于计算在启动所述燃料电池时每个单电池的所述指定气体的电池化学计量比；和气体增量装置，该气体增量装置用于在所述电池化学计量比降低到低于规定值时增加所供给的所述指定气体的气体量。
2. —种燃料电池系统，包括燃料电池，该燃料电池包括供给有指定气体用于发电的多个单电电池化学计量比计算装置，该电池化学计量比计算装置用于计算 在低温下启动所述燃料电池时每个单电池的所述指定气体的电池化学计量比；和气体增量装置，该气体增量装置用于在所述电池化学计量比降低 到低于规定值时增加所供给的所述指定气体的气体量。
3. 根据权利要求l或2的燃料电池系统， 其中所述电池化学计量比计算装置包括用于获^L每个单电池的电池电压的装置；和用于通it^t每个单电池的所述电池电压求平均值计算平均电 池电压的装置，用于从参考值改变供给到所述燃料电池的所述指定气体的所述化学计量比的装置； 用于获取代表在所述化学计量比从所述参考值变化时所述化 学计量比和所述平均电池电压的变化率之间的关系的近似方程的装置；和用于计算在所述化学计量比从所述参考值变化到规定值时每 个单电池的所述电池电压的变化率的装置，其中所述电池化学计量比计算装置利用所述近似方程基于所述电 池电压的变化率计算每个单电池的所述电池化学计量比。
4. 根据权利要求1~3中任一项的燃料电池系统，还包括用于基于所计算的每个单电池的所述电池化学计量比计算每个单 电池的所述指定气体的流量的装置。
5. 根据权利要求4的燃料电池系统，其中 所述气体增量装置包括用于计算每个单电池的所述指定气体的所述电池化学计量比的最小值或所述指定气体的流量的装置，和用于控制供给到所述燃料电池的所述指定气体的流量4吏得所述最 小值不小于所规定阈值的装置。
6. 根据权利要求3~5中任一项的燃料电池系统，还包括 用于获取所述燃料电池的内部温度的内部温度获取装置，和 用于基于所述内部温度校正所述电池电压的装置。
7. 根据权利要求6的燃料电池系统，其中 所述内部温度获取装置基于在所述燃料电池中循环的冷却液体的温度获取所述内部温度。
8. 根据权利要求6的燃料电池系统，其中所述内部温度获取装置基于从启动所述燃料电池时刻起产生的能 量和所述燃料电池的电能产生量获取所述内部温度。
9. 根据权利要求1或2的燃料电池系统，还包括用于在计算所述电池化学计量比时将所述燃料电池的负荷设定为 低于正常运行时的负荷的装置。
10. 根据权利要求1~9中任一项的燃料电池系统，其中 在所述燃料电池的运行转换到正常运行之后，所述气体增量装置以在转换至正常运行之前的增加比率增加所述指定气体的量，直至所 述燃料电池的温度超过凝固点。
11. 根据权利要求10的燃料电池系统，其中所述气体增量装置在所述燃料电池的温度升至高于所述凝固点之 后减少所述指定气体的量。
12. 根据权利要求1~11中任一项的燃料电池系统，其中 所述指定气体为含有氢的第一气体和含有氧的第二气体，所述电池化学计量比计算装置在计算每个单电池的所述第一气体的电池化学 计量比之后计算每个单电池的所述第二气体的电池化学计量比。
13. —种燃料电池系统，包括燃料电池，该燃料电池包括供给有指定气体用于发电的多个单电电池化学计量比计算装置，该电池化学计量比计算装置用于计算 在启动所述燃料电池时每个单电池的所述指定气体的电池化学计量比；和气体增量装置，该气体增量装置用于在所述电池化学计量比降低 到低于规定值时增加所供给的所述指定气体的气体量。
14. 一种燃料电池系统，包括燃料电池，该燃料电池包括供给有指定气体用于发电的多个单电电池化学计量比计算装置，该电池化学计量比计算装置用于计算 在低温下启动所述燃料电池时每个单电池的所述指定气体的电池化学计量比；和气体增量装置，该气体增量装置用于在所述电池化学计量比降低 到低于规定值时增加所供给的所述指定气体的气体量。
15. —种用于操作燃料电池系统的方法，包括当启动包括供给有指定气体用于发电的多个单电池的所述燃料电 池时，计算每个单电池的所述指定气体的电池化学计量比；以及当所述电池化学计量比降低到低于规定值时，增加所供给的所述 指定气体的气体量。
16. —种用于操作燃料电池系统的方法，包括当在低温下启动包括供给有指定气体用于发电的多个单电池的所 述燃料电池时，计算每个单电池的所述指定气体的电池化学计量比； 以及当所述电池化学计量比降低到低于规定值时，增加所供给的所述 指定气体的气体量。
17. —种用于燃料电池系统的电池化学计量比计算设备，包括用于获取供给有指定气体用于发电的燃料电池的单电池的电池电 压的装置；用于通过对每个单电池的所述电池电压求平均值计算平均电池电 压的装置，用于从参考值改变供给到所述燃料电池的所述指定气体的所述化 学计量比的装置；用于获取代表在所述化学计量比从所述参考值变化时所述化学计 量比和所述平均电池电压的变化率之间的关系的近似方程的装置；和用于计算在所述化学计量比从所述参考值变化到规定值时每个单 电池的所述电池电压的变化率的装置，其中所述电池化学计量比计算装置利用所述近似方程基于所述电 池电压的变化率计算每个单电池的所述电池化学计量比。
18. 根据权利要求17的电池化学计量比计算设备，还包括 用于获取所述燃料电池的内部温度的装置，和用于基于所述内部 温度校正所述电池电压的装置。
19. 根据权利要求17或18的电池化学计量比计算设备，还包括用于将所述燃料电池的负荷设定为低于正常运行时的负荷的装置。
20. 根据权利要求17~19中任一项所述的电池化学计量比计算设备， 还包括用于计算每个单电池的所述指定气体的包含氢的所述第一气体的 所述电池化学计量比的第一装置；和用于计算每个单电池的所述指定气体的包含氧的所述第二气体的 所述电池化学计量比的笫二装置。
21. —种用于燃料电池系统的电池化学计量比计算设备，包括 用于获取供给有指定气体用于发电的燃料电池的单电池的电池电压的装置；用于通过对每个单电池的所述电池电压求平均值计算平均电池电 压的装置；用于从参考值改变供给到所述燃料电池的所述指定气体的所述化 学计量比的装置；用于获取代表在所述化学计量比从所述参考值变化时所述化学计 量比和所述平均电池电压的变化率之间的关系的近似方程的装置；和用于计算在所述化学计量比从所述参考值变化到规定值时每个单 电池的所述电池电压的变化率的装置，其中所述电池化学计量比计算装置利用所述近似方程基于所述电 池电压的变化率计算每个单电池的所述电池化学计量比。
全文摘要
一种具有燃料电池(12)的燃料电池系统，该燃料电池(12)包括供给有指定气体用于发电的多个单电池、用于计算每个单电池的指定气体的化学计量比的化学计量比计算装置和用于在电池化学计量比降低到低于规定值时增加指定气体供给的气流增加装置。
文档编号H01M8/04GK101366142SQ200780002011
公开日2009年2月11日 申请日期2007年1月5日 优先权日2006年1月10日
发明者大森英世 申请人:丰田自动车株式会社