专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统的起动控制。
背景技术：
燃料电池系统中大多使用如下燃料电池在电解质膜的两侧配置燃料极和氧化剂极，通过提供给燃料极的氢和提供给氧化剂极的空气中的氧的电化学反应进行发电，并且在氧化剂极生成水。这种燃料电池在比通常运转温度低的温度下运转时无法输出预定电压、电流，除此之外，在停止时温度变为冰点以下而发生冻结等情况下，在起动后大多要进行预热运转， 直至达到通常运转温度。作为预热运转的方法大多是进行使提供给燃料电池的空气供给量比通常的供给量少的低效运转，通过增大的热损失对燃料电池进行预热。在这种预热运转中，当提供给燃料电池的氢量不足时，存在因炭氧化而丧失催化齐U，或因发热而使膜破损的情况。因此，当在燃料电池中产生氢不足时，燃料电池的单电池电压变为负电压。因此，提出了如下的方案在燃料电池预热运转时氢气不足而变为负电压时，禁止预热运转，或限制燃料电池的输出(例如参照专利文献1)。并且，在低温下起动具有多个单电池的燃料电池时，提出了以下方案，其具有单电池理想配比计算单元，对各单位电池计算预定气体的电池理想配比；气体量增加单元，当电池理想配比小于预定值时，增加预定气体的供给量，即使因冻结而使气体流路发生堵塞时，也可抑制因气体不足而造成的燃料电池的老化，并且可在短时间内进行燃料电池的预热(例如参照专利文献2)。并且，提出了以下的方法当提供给燃料电池的燃料气体的流量较少、正极侧的气体流路因排液等而堵塞时，通过正极排气循环管路使正极排气的一部分再循环到正极入口，从而吹散气体流路内的排液(例如参照专利文献3)。此外，利用对燃料电池的氢气供给压力下降时发电效率下降的情况，提出了燃料电池起动时使对燃料电池的氢气供给压力比稳定运转时降低以进行燃料电池的预热的方法(例如参照专利文献4)。专利文献1 日本特开2008-198439号公报专利文献2 日本特开2007-184202号公报专利文献3 日本特开2006-1；34680号公报专利文献4 日本特开2002-313388号公报
发明内容
在燃料电池中，提供比发电所需的氢量多的氢，以便能够进行稳定的发电。因此， 提供给燃料电池的氢气并不是全部反应而变为电力输出，一部分氢气作为未反应气体与系统内的氮气等一起从燃料电池的氢气出口排出，通过氢气循环泵再循环到氢气入口。并且， 大多情况下如下构成因运转而使氢系统内的氮气等浓缩时，从氢系统将未反应气体排出到大气，从而降低氮气的分压力，确保发电所需的氢分压力。因此，从燃料电池的氢入口提供的气体中，含有氢气和氮气。另一方面，当燃料电池在冰点以下停止时，存在残留于氢系统内的水分冻结、堵塞氢气流路的一部分的情况。当氢系统变为循环系统时，在堵塞的流路中流入氢和氮的混合气体。氢通过发电被消耗，未反应的氮气不会从堵塞的流路排出，而在堵塞的流路中积存、浓缩。因此，发生堵塞的氢流路的氮的分压力急速上升，产生发生堵塞的单电池的发电电压变为负电压的问题。因氢气流路的氮积存而引起的负电压的产生，是在燃料电池开始发电后产生的， 因此在专利文献1、2所述的现有技术中存在以下问题在燃料电池起动后，在各单电池在变为负电压的状态下进行预热运转，有时在冰点以下起动时燃料电池会发生老化。本发明的目的在于抑制在冰点以下起动时的燃料电池的老化。本发明的燃料电池系统的特征在于，其具有燃料电池，层压有多个单电池，通过燃料气体和氧化剂气体的电化学反应进行发电；压力调节阀，设置在燃料箱和上述燃料电池的燃料气体入口之间，调整上述燃料气体入口的气体压力；气体循环泵，使反应后的燃料气体从上述燃料电池的燃料气体出口循环至上述燃料气体入口 ；单电池电压取得单元，取得各个单电池的电压；以及控制部，进行上述气体循环泵的起动停止和上述压力调节阀的开度调整；上述控制部具有堵塞判断单元，在上述燃料电池起动时，调整上述压力调节阀的开度，将燃料气体导入到上述燃料气体入口，使上述燃料气体入口的气体压力为第1压力，起动上述燃料气体循环泵，当由上述单电池电压取得单元取得的各个上述单电池的电压中的至少一个电压低于预定电压时，判断为上述燃料电池内部的燃料气体流路中发生堵塞；以及堵塞消除单元，当由上述堵塞判断单元判断为上述燃料气体流路中发生堵塞时，调整上述压力调节阀的开度，将燃料气体导入到上述燃料气体入口，使上述燃料入口的气体压力为比第1压力高的第2压力，使上述燃料气体循环泵停止，消除上述燃料气体流路的堵
O在本发明的燃料电池系统中，上述堵塞消除单元降低上述燃料电池的输出电流直至消除各个上述单电池的负电压，然后使上述输出电流上升至预定电流。在本发明的燃料电池系统中，可具有单电池电流密度分布取得单元，检测各个上述单电池的电流密度分布，上述堵塞判断单元在由上述单电池电流密度分布取得单元取得的各个上述单电池的电流密度分布中存在阈值以上的不均时，判断为上述燃料气体流路中发生堵塞。在这里，上述单电池电流密度分布取得单元是设置于燃料气体上游侧和燃料气体下游侧的各个上述单电池上的各个局部电流检测板组，当由上述各个局部电流检测板组中的燃料气体上游侧的局部电流检测板检测出的电流密度与由燃料气体下游侧的局部电流检测板检测出的电流密度之差为阈值以上时，判断为上述燃料气体流路中发生堵塞。本发明可起到抑制在冰点以下起动时的燃料电池的老化的效果。
图1是表示本发明的实施方式中的燃料电池系统的构成的系统图。图2是本发明的实施方式中的燃料电池系统的起动的流程图。图3是表示本发明的实施方式中的燃料电池系统起动时的单电池电压、氢入口总压力、燃料电池输出电流、氢循环泵的动作的时间图。
图4是预热运转时的燃料电池的电流、电压特性。图5是表示在本发明的实施方式中将氢入口总压力加压至第1压力时的单电池内的氢和氮的分压力的说明图。图6是表示在本发明的实施方式中使氢入口总压力在第1压力下运转后的单电池内的氢和氮的分压力的说明图。图7是表示在本发明的实施方式中将氢入口总压力加压至第2压力时的电池内的氢和氮的分压力的说明图。图8是表示在本发明的实施方式中堵塞消除后的单电池内的氢和氮的分压力的说明图。图9是表示本发明的实施方式中的燃料电池系统起动时的单电池的电流密度的变化的图表。图10是本发明的参考例中的燃料电池系统的起动的流程图。图11是表示在本发明的参考例中将氢入口总压力加压至第4压力时的单电池内的氢和氮的分压力的说明图。图12是表示在本发明的参考例中氢气向扩散层的渗透的说明图。附图标记10单电池11燃料电池12空气压缩机13、30 电机14空气流量计15空气压力调节阀16空气管路17空气供给管路18空气排出管路19旁通管路19a旁通阀20排气管路21氢气罐22氢供给管路23氢入口管路M氢出口管路25氢循环管路沈氢排出管路27氢压力调节阀观氢排出阀29氢循环泵31大气排出口32 负载
33、；34压力传感器35电流传感器36电压传感器37、40温度传感器38单电池电压计39局部电流检测板组39a、39b局部电流检测板50控制部61 64氢流路65,66混合气体71电解质膜72催化剂73扩散层74氢流路75 冰粒76 冰点100燃料电池系统
具体实施例方式以下参照
本发明的实施方式。如图1所示，本实施方式的燃料电池系统 100的燃料电池11层压了多个单电池10，作为氧化剂气体使用含氧的空气，作为燃料气体使用氢。作为氧化剂气体的空气从大气经空气流量计14从空气吸入管路16吸入到空气压缩机12，由空气压缩机12加压后的喷出空气从空气供给管路17提供给燃料电池11。在吸入空气管路16上设有取得吸入空气的温度的温度传感器40。进入到燃料电池11内的空气通过设置在燃料电池11内部的空气流路的同时，与从氢系统提供的氢进行反应，氧减少。 并且，反应结果的生成水作为水蒸汽或水滴在空气流路中增加。反应后的水分量增加的空气从燃料电池11内部的空气流路排出到空气排出管路18。空气排出管路18上设有用于调整燃料电池11内部的空气流路的空气压力的空气压力调节阀15，空气供给管路17中设有取得空气压力的压力传感器33。并且，设有旁通管路19，其不将吸入的空气中的一部分空气提供给燃料电池11，而是流出到空气压力调节阀15的下游侧的空气排出管路18，在旁通管路19上设有调整旁通空气流量的旁通阀19a。空气排出管路18和旁通管路19合流并连接到排气管路20上。流入到排气管路20的空气从大气排出口 31排出到大气中。流入到燃料电池系统100的空气流量通过调整空气压缩机12的电机13的转速来调节。作为燃料气体的氢气贮存在氢气罐21中。氢从氢气罐21通过氢供给管路22、氢入口管路23提供给燃料电池11内部的氢流路。流入到燃料电池11的氢流路的一部分氢因发电而消耗，但未消耗的氢从燃料电池11的内部的氢流路排出到氢出口管路24。排出到氢出口管路M的反应后的氢气等由设置在氢循环管路25的氢循环泵四加压，再循环到氢入口管路23。氢循环泵四由电机30驱动。氢通过发电被消耗，氢浓度下降，氮等杂质增多时，氢排出阀观打开，反应后的氢气从氢排出管路26排出到排气管路20，由排出空气稀释并从大气排出口 31排出到大气。氢供给管路22中设有调整燃料电池11的氢系统的压力的氢压力调节阀27，氢入口管路23上设有取得燃料电池11的氢入口的氢总压力的压力传感器；34。燃料电池11的氢入口的总压力由氢压力调节阀27调整。燃料电池11上连接有负载32，设有取得从燃料电池11输出到负载32的输出电压的电压传感器36及取得输出电流的电流传感器35。并且，燃料电池11上安装了 用于取得其温度的温度传感器37 ；分别设置在各单电池10的氢流路的上游侧和下游侧的局部电流检测板39a、39b ；取得各单电池10的电压的单电池电压计38。各单电池10的上游侧和下游侧的各局部电流检测板39a、39b成为一组，构成一个局部电流检测板组39。空气压缩机12的电机13、空气压力调节阀15、旁通阀19a、氢压力调节阀27、氢循环泵四的电机 30、氢排出阀观、负载32与控制部50连接，根据来自控制部50的指令进行动作。并且，空气流量计14、压力传感器33、34、电压传感器36、电流传感器35、温度传感器37、40、单电池电压计38、局部电流检测板39a、39b分别连接到控制部50上，可将所取得的各信号输入到控制部50。控制部50是内部包括进行信号处理的CPU和存储控制程序、控制用数据等的存储器的计算机。此外，在图1中，单点划线表示信号线。参照图2到图8说明本发明的实施方式的燃料电池系统100的动作。如图2的步骤SlOl所示，当燃料电池系统100起动时，控制部50通过温度传感器40取得大气温度。并且，如图2的步骤S102所示，当大气温度为冰点以下时，进行在使燃料电池11预热运转的同时起动的低温起动。并且，控制部50在通过温度传感器40取得的大气温度超过冰点时， 如图2的步骤S118所示，进行不使燃料电池11预热运转地起动的通常起动。当在图2的步骤S102中判断为大气温度在冰点以下时，在图3的时间、，如图2 的步骤S103所示，控制部50驱动空气压缩机12的电机30并起动空气压缩机12，如图2的步骤S104所示，驱动氢循环泵四的电机30并起动氢循环泵四，如图2的步骤S105所示， 调整氢压力调节阀27的开度，使得通过压力传感器34取得的燃料电池11的氢入口总压力 Pt变为总压力P1T。这样一来，当氢和空气注入到燃料电池11时，如图3所示，从时间、开始，单电池10的单电池电压Vc开始上升。进行燃料电池11的预热运转时，使提供给燃料电池11的空气量比通常运转时的空气量少，在使燃料电池11的发电效率较低的状态下进行发电，利用燃料电池11产生的损失热对燃料电池11进行预热。因此，提供给燃料电池11的空气流量从通常运转状态减少时，燃料电池11的电流电压特性如图4所示，是和表示通常运转的电流电压特性的虚线a 相比斜率较大的实线b这样的特性，在不改变空气流量时，燃料电池11的输出电压和输出电流沿线b变化，电压为Vtl时，来自燃料电池11的输出电流I变为零。在时间t1;控制部50将负载32的电压保持为Vtl，起动燃料电池11，减少空气流量， 以使燃料电池11的电流电压特性成为图4的线b所示的电流电压特性，因此燃料电池11的各单电池10的单电池电压Vc如图3所示地上升至Vcc，来自燃料电池11的输出电流I变为零的状态。控制部50在确认了各单电池10的单电池电压Vc变为预定电压以上的情况后， 在图3所示的时间t2使负载32的电压下降，降低燃料电池11的输出电压V。这样一来，燃料电池11的运转状态沿着图4的线b变化，随着燃料电池11的输出电压V从Vtl下降，来自燃料电池11的输出电流I增加。如图4所示，控制部50使燃料电池11的输出电压V下降至V1,以使燃料电池11的输出电流I变为I1，如图2的步骤S106所示，使来自燃料电池11的输出电流I为I1。图5示意性地表示将氢填充到燃料电池11中、开始运转时的氢极的状态。在注入氢前，在从各氢流路61到64的内部，滞留着分压力Pqn比大气中的氮的分压力SOkPa略低的、例如为50kl^左右的氮。并且，从氢供给管路22向氢入口管路23填充氢，以变为与该残留氮的分压力Pqn基本相等的分压力PQH、例如为50kl^左右。即，调整氢压力调节阀27， 以使通过压力传感器34检测出的燃料电池11的氢入口总压力Pt = P0N+P0H =总压力P1T。 例如，残留的氮的分压力Ρ。Ν为50kPa左右、加压后的氢的分压力Pcih为50kPa左右时，调节氢压力调节阀27，以使氢入口总压力Pit = 50+50 = IOOkPa0氢入口的总压力Pit是第1压力，是比通常的燃料电池11起动时的氢入口的总压力Pt的250kl^左右低的压力。此外， 在图5中，示意性地记载了氢和氮分开的情况，实际上氢和氮混合地存在于氢流路61 64 中。如图5所示，氢流路62中产生因冻结而造成的堵塞，变为气体无法从氢流路62流出到氢出口管路M的状态。氢循环泵四从氢流路61、63、64吸入氢和氮的混合气体65，使该混合气体65再循环到氢入口管路23。另一方面，通过发电消耗的氢从氢供给管路22提供给氢入口管路23。并且，向各氢流路61 64提供氢气和氮气的混合气体66。和通过氢循环泵四再循环的混合气体65相比，提供给各氢流路61 64的混合气体66中的氢的比例变大了与从氢供给管路22提供的氢对应的量。在该状态下从燃料电池11输出了输出电流I时，在各氢流路61、63、64中，通过发电消耗氢，排出氮分压力变高的混合气体65。但是，如图6所示，产生堵塞的氢流路62中， 与发电消耗的氢对应的量的氢和氮的混合气体66从入口侧进入。氮进入到氢流路62中时， 未被发电消耗，并因氢流路62堵塞，所以也不会流出到氢出口管路24，因此当开始发电时， 该氮分压力从初始的分压力Pcin开始急速增加到P1/，氢分压力从初始的分压力Pra开始急速下降到P1/。这是因为，氢流路61、63、64中含有的氮气在堵塞的氢流路62中积存、浓缩。其他氢流路61、63、64的氢分压力从初始的分压力Pqh略微下降至分压力Pih，氮的分压力从初始的分压力P。N略微上升至分压力Pin，但基本不变化。并且，各氢流路61 64的氢入口总压力Pt保持为初始的氢入口的总压力P1T。因此，如前面说明的例子所示，在以分压力50kPa的程度填充氢而使氢入口的总压力Pit为IOOkPa的情况下，因发电而堵塞的氢流路62的氢全部被消耗时，氢流路62的氢的分压力Pih‘变为零，相反，氮的分压力Pin'和总压力Pit相同而变为lOOkPa，其他氢流路61、63、64的氢的分压力Pih和氮的分压力Pin分别保持为50kPa。因此，当发生堵塞的氢流路62的氢分压力下降时，如图3的单点划线d所示，该氢流路62的某个单电池10的单电池电压Vc逐渐下降，最终变为负电压。关于上述负电压的产生，由于使对燃料电池11的初始氢入口总压力PT为比通常起动时的氢入口总压力的 250kPa低的lOOltfa左右、残留氮的分压力Pqn和氢的分压力Pffl大致为相同压力，所以在开始从燃料电池11输出电流之后、例如在10到20秒左右的非常短的时间内发生。如图2的步骤S107所示，控制部50通过安装在各单电池10的单电池电压计38取得各单电池电压Vc，如图2的步骤S108所示，将该电压Vc与本实施方式中的预定电压V2。 进行比较。并且，多个单电池电压Vc中，没有一个单电池10的电压低于预定电压V2。时，如图2的步骤S117所示，判断是否经过了预定时间，如未经过预定时间，则返回到图2的步骤S107，再次取得各单电池10的单电池电压Vc，和预定电压％。进行比较。预定时间是直至产生负电压为止的时间，例如如，如上述例子所示，可以是10到20秒左右，也可在这个时间以上。该预定时间取决于初始的氢的加压力，可以使预定时间可变，对氢加压时的氢入口总压力Pt越高，时间越长。在预定时间内、多个单电池电压Vc中即使存在一个电压比预定电压V2。低的单电池10时，控制部50在图3的时间t3如图2的步骤S109所示地减小燃料电池11的输出电流I。控制部50通过使负载32的电压上升，减小来自燃料电池11的输出电流I。之后，控制部50使负载32的电压上升至图4所示的V。，在图3的时间t4使来自燃料电池11的输出电流I暂时为零，使单电池电压Vc为％。。这样一来，如图3的单点划线d所示，产生堵塞的单电池10的电压也从负电压恢复为正电压。此外，来自燃料电池11的输出电流I如可使产生堵塞的单电池10的电压从负电压恢复到正电压，则可以是比零大的电流值。并且，与开始减小来自燃料电池11的输出电流I大致同时地，控制部50如图2的步骤SllO所示地调整氢压力调节阀27，将氢填充到氢流路61 64，以使氢入口总压力Pt 上升至比初始的氢入口总压力Pit高的总压力P2T。该总压力Ρ2Τ是第2压力。如图7所示， 未发生堵塞的氢流路61、63、64的氢分压力从加压前的分压力Pih增加到P2h，发生堵塞的氢流路62的氢分压力从加压前的分压力Pih‘增加到I32h'，但各氢流路61 64的各氮分压力不变，未发生堵塞的氢流路61、63、64的氮分压力是Pin，发生堵塞的氢流路62的氮分压力是卩^/。氢入口的总压力P2t例如可以是和通常起动时的总压力相同的250kPa。此时，如之前说明的例子所示，最初以分压力50kPa的程度填充氢并使氢入口的总压力Pit为IOOkPa 之后，当因发电而堵塞的氢流路62的氢全部被消耗而使该氢的分压力Pih‘变为零、该氮的分压力Pin'变为IOOkPa时，加压后的氢流路62的氢分压力P2h‘变为250-100 = 150kPa, 氮的分压力Pin保持为50kPa的氢流路61、63、64的加压后的氢的分压力P2h变为250-50 = 200kPa。这样一来，通过填充氢并使氢入口总压力Pt上升至总压力IV，可使因堵塞而使氢的分压力Pih'几乎为零的氢流路62的氢分压力上升至可发电的程度的氢分压力。这样一来，可再次进行包括因堵塞而变为负电压的氢流路62的单电池10的发电。如图2的步骤Slll所示，控制部50使氢循环泵四的电机30停止，使氢循环泵四停止。这样一来，通过使氢循环泵四停止，可防止氮在燃料电池11发电过程中由未堵塞的氢流路61、63、64带入到堵塞的氢流路62中。并且，燃料电池11发电过程中，在各氢流路 61 64中填充与因发电而消耗掉的氢量对应的氢67，因此各氢流路61 64的氮分压力 P1N、P1/在燃料电池11的发电过程中不会怎么增加，从而可持续进行燃料电池11的预热运转。在图3的时间t4，如图2的步骤S112所示地，控制部50在使来自燃料电池11的输出电流I为零后，降低负载32的电压，并降低燃料电池11的输出电压V，使来自燃料电池11的输出电流I是比I1小的12。I2只要是可持续进行燃料电池11的预热运转的大小即可，根据燃料电池11的运转状态不同，可以是和初始的输出电流I1相同的电流。控制部50在该状态下持续进行燃料电池11的预热运转，一直运转至因燃料电池 11的损失热使冻结并堵塞的氢流路62解冻。如图2的步骤S113所示，控制部50通过温度传感器37取得燃料电池11的温度，如图2的步骤S114所示，比较该温度和堵塞消除温度、例如30°C等，当燃料电池11的温度高于堵塞消除温度时，判断为堵塞的氢流路62的堵塞被消除。并且，如图2的步骤S115所示地，控制部50起动氢循环泵四的电机30，并再次起动氢循环泵四。当再次起动氢循环泵四时，如图8所示，氢流路62的堵塞被消除，因此氢及氮以大致相同的量流入到各氢流路61 64，使得燃料电池11可稳定地运转。并且，如图2的步骤Sl 16所示地，控制部50降低负载32的电压，增加来自燃料电池11的输出电流，进一步持续进行燃料电池11的预热运转。因此，本实施方式的燃料电池系统100在冰点以下起动时，将燃料电池11的氢入口总压力设定为第1压力而进行起动，短时间内检测出有无因冻结而造成氢流路堵塞的单元10后，在有堵塞时，使氢入口总压力上升至第2压力，并且使氢循环泵四停止，进行燃料电池11的预热，因此即使在氢流路中发生堵塞时，也可在氢气未发生不足的状态下进行预热运转，所以可抑制因氢气不足而造成的燃料电池11的老化。在以上说明的本实施方式中，说明了第1压力是小于通常起动时的氢总压力的情况，只要与第2压力之间具有如下程度的压力差，使得能够向因冻结而堵塞的氢流路填充预热运转所需的氢，也可是与通常起动时的压力相等的压力。接着，参照图9说明本发明的其他实施方式。对和之前参照图1至图8说明的实施方式相同的部分，标注相同的附图标记，并省略其说明。并且，如参照图5、图6所说明的， 发生了堵塞的氢流路62中，从其他氢流路61、63、64流入氮，氮分压力上升，堵塞的氢流路 62的某个单电池10变为负电压。此时，氢流路62的上游侧的氢分压力较高，越向下游则氢分压力越低，因此在发生堵塞的单电池10中，位于氢流路62的上游侧的区域的发电电流密度CD(每单位面积的电流大小)变大，下游侧的区域的电流密度CD变小。并且，在本实施方式的燃料电池11中，氢流路61 64的构成是，混合气体从重力方向上侧流入，反应后的气体从重力方向下侧排出。因此，当氢流路62堵塞时，流入到堵塞的氢流路62的较重的氮逐渐向重力方向下侧移动，氢分压力偏向上游侧，上游侧的电流密度⑶变高。如图9的实线j所示，氢流路的上游侧的电流密度CD随着燃料电池11的发电的持续进行而逐渐变大，与之相对，如图9的单点划线k所示，即使持续发电，氢流路的下游侧的电流密度CD也不会上升至一定电流密度以上，氢流路的上游侧的电流密度和氢流路的下游侧的电流密度的电流密度差ACD随着时间而变大。因此，在各电池的氢流路的上游侧和下游侧分别设置局部电流检测板39a、39b，当所检测出的电流密度CD的电流密度差ACD 为预定阈值以上时，判断为氢流路中发生堵塞。除了氢流路的堵塞判断以外，与前面参照图 1至图8所说明的实施方式相同。本实施方式可起到与前面所说明的实施方式一样的效果。以上说明了本发明的实施方式，以下说明参考例。本参考例的燃料电池系统100 的构成和参照图1说明的实施方式相同，起动时不是如第1压力、第2压力这样地使氢入口总压力阶段性地上升，而是在判断为在冰点以下起动时，使氢入口总压力上升至比通常起动时的氢压力高的压力，并且不起动氢循环泵四地进行预热运转。以下参照图10至图12说明本参考例。如图10的步骤S201所示，当燃料电池系统100起动时，控制部50通过温度传感器40取得大气温度。并且，如图10的步骤S202所示，当大气温度在冰点以下时，进行在预热运转的同时起动燃料电池11的低温起动。并且， 控制部50在通过温度传感器40取得的大气温度超过冰点时，如图10的步骤S211所示，进行不预热运转而起动燃料电池11的通常起动。在图10的步骤S202中，当判断为大气温度在冰点以下时，如图10的步骤S203所示，控制部50驱动空气压缩机12的电机30，起动空气压缩机12，如图10的步骤S204所示， 调整氢压力调节阀27的开度，以使通过压力传感器34取得的燃料电池11的氢入口总压力 Pt变为总压力P4T。其中，总压力P4t是比常温下起动燃料电池11时的氢加压时的氢入口总压力高的压力。因此，当氢和空气注入到燃料电池11时，开始燃料电池11的发电。与前面说明的实施方式同样地，在注入氢前，在从各氢流路61到64的内部，滞留着分压力Pqn比大气中的氮分压力SOltfa略低、例如为左右的氮。并且，调整氢压力调节阀27，以使通过压力传感器34检测出的燃料电池11的氢入口总压力Pt =总压力P4t，并将氢填充到各氢流路61 64。例如，调节氢压力调节阀27，使残留的氮分压力Pcin为50kPa 左右、氢入口总压力P4t = 250kPa，这样一来，各氢流路61 64的氢分压力P4h变为250-50 =200kPa 左右。因氢循环泵四停止，所以如前面参照图5、图6说明的实施方式一样，在燃料电池 11发电时，氮不会由未堵塞的氢流路61、63、64被带入到堵塞的氢流路62，因此在燃料电池 11发电时，与因发电而消耗的氢量对应的氢被从氢供给管路22填充到各氢流路61 64 中，各氢流路61 64的氮分压力Pqn、氢分压力P4h在燃料电池11发电过程中不会怎么增力口，因此包括发生堵塞的氢流路62的单电池10不会变为氢不足的状态，并可持续进行燃料电池11的预热运转。控制部50在使氢入口总压力上升至总压力P4t后，如图10的步骤S205所示地，调整负载的电压，以使燃料电池11的输出电流I变为13。并且，输出电流I3的大小可以与通常起动时的输出电流相同，考虑到氢循环泵20停止的情况，也可是比通常起动时的输出电流小的电流。控制部50在该状态下持续进行燃料电池11的预热运转，一直运转至通过燃料电池11的损失热使冻结并堵塞的氢流路62解冻。如图10的步骤S206所示，控制部50通过温度传感器37取得燃料电池11的温度，如图10的步骤S207所示，比较该温度和堵塞消除温度、例如30°C等，当燃料电池11的温度高于堵塞消除温度时，判断为堵塞的氢流路62的堵塞被消除。并且，如图10的步骤S208所示地，控制部50使氢入口总压力减小至与通常起动时的压力相同的压力P5t之后，如图10的步骤S209所示，起动氢循环泵四的电机30， 并起动氢循环泵四。当氢循环泵四起动时，如参照图8所说明的那样，氢流路62的堵塞被消除，因此氢及氮以大致相同的量流入到各氢流路61 64，使得燃料电池11可稳定地运转。并且，如图10的步骤S210所示，控制部50降低负载32的电压，增加来自燃料电池11的输出电流， 进一步持续进行燃料电池11的预热运转。本参考例中，在冰点以下起动的过程中，当预测到氢流路的堵塞时，使燃料电池11 的氢入口总压力为比燃料电池11通常起动时的氢入口总压力大的压力，不起动氢循环四地进行燃料电池11的预热运转，从而可提前增大因冻结而产生堵塞的氢流路的氢分压力， 具有可抑制预热运转过程中单电池10因氢不足而变为负电压的效果。并且如图12所示， 当发生冻结时，与氢流路74连接的扩散层73的表面附着有冰粒75，或在扩散层73中产生作为细小冰粒点的冰粒点76，从而增加了氢流路74的氢到达催化剂72、电解质膜71时的阻力，无法向催化剂72提供充足的氢，导致催化剂72发生老化。在本参考例中，当在冰点下起动时，使氢入口总压力大于通常起动时的总压力，从而可提高氢流路74的氢分压力， 使氢易于到达催化剂72、电解质膜71，从而在冰点以下起动时也可有效抑制因氢气不足造成的负电压的发生、抑制燃料电池11的老化。 此外，在本参考例中，说明了在燃料电池起动时使氢循环泵四停止而进行起动的情况，也可起动氢循环泵四而进行燃料电池11的起动。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其具有燃料电池，层压有多个单电池，通过燃料气体和氧化剂气体的电化学反应进行发电；压力调节阀，设置在燃料箱和上述燃料电池的燃料气体入口之间，调整上述燃料气体入口的气体压力；气体循环泵，使反应后的燃料气体从上述燃料电池的燃料气体出口循环至上述燃料气体入口 ；单电池电压取得单元，取得各个单电池的电压；以及控制部，进行上述气体循环泵的起动停止和上述压力调节阀的开度调整；上述控制部具有堵塞判断单元，在上述燃料电池起动时，调整上述压力调节阀的开度，将燃料气体导入到上述燃料气体入口，使上述燃料气体入口的气体压力为第1压力，起动上述燃料气体循环泵，当由上述单电池电压取得单元取得的各个上述单电池的电压中的至少一个电压低于预定电压时，判断为上述燃料电池内部的燃料气体流路中发生堵塞；以及堵塞消除单元，当由上述堵塞判断单元判断为上述燃料气体流路中发生堵塞时，调整上述压力调节阀的开度，将燃料气体导入到上述燃料气体入口，使上述燃料入口的气体压力为比第1压力高的第2压力，使上述燃料气体循环泵停止，消除上述燃料气体流路的堵O
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，上述堵塞消除单元降低上述燃料电池的输出电流直至消除各个上述单电池的负电压， 然后使上述输出电流上升至预定电流。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，具有单电池电流密度分布取得单元，检测各个上述单电池的电流密度分布，上述堵塞判断单元在由上述单电池电流密度分布取得单元取得的各个上述单电池的电流密度分布中存在阈值以上的不均时，判断为上述燃料气体流路中发生堵塞。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，上述单电池电流密度分布取得单元是设置于燃料气体上游侧和燃料气体下游侧的各个上述单电池上的各个局部电流检测板组，当由上述各个局部电流检测板组中的燃料气体上游侧的局部电流检测板检测出的电流密度与由燃料气体下游侧的局部电流检测板检测出的电流密度之差为阈值以上时，判断为上述燃料气体流路中发生堵塞。
全文摘要
一种燃料电池系统，当燃料电池在冰点下起动时，调整氢压力调节阀的开度，将氢导入到燃料电池的氢入口，使氢入口的总压力为第1压力，起动氢循环泵，在由单电池电压计取得的各单电池的单电池电压中至少有一个小于预定电压时，判断为燃料电池内部的氢流路中发生堵塞。并且，当判断为发生了堵塞时，调整压力调节阀的开度，将氢导入到氢入口，使氢入口的总压力为比第1压力高的第2压力，停止氢循环泵，进行燃料电池的预热，消除氢流路的堵塞，这样一来，可抑制冰点下起动时的燃料电池的老化。
文档编号H01M8/04GK102484265SQ20098016105
公开日2012年5月30日 申请日期2009年8月21日 优先权日2009年8月21日
发明者弓田修, 田中浩己, 长沼良明 申请人:丰田自动车株式会社