燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具备通过阳极接受燃料气体的供给阴极接受空气 的供给来发电的燃料电池的燃料电池系统。
背景技术：
以往人们就已知例如日本特开2005-353569号>^才艮所7>开那样的燃 料电池系统(以下也称为阳极终端(anode dead end )型系统)，上述燃 料电池系统在燃料电池的内部保留燃料气体而运行。阳极终端型系统 中，伴随着运行时间的经过在燃料电池的阳极侧气体流路内逐渐蓄积有 氮气和水分之类的杂质。因此，在以往的阳极终端型系统中，在适当的 时机打开排气阀将蓄积在阳极侧气体流路内的杂质从阳极的下游端部 向系统外排出。
专利文献1:日本特开2005-353569号公报
专利文献2:日本特开2005-353303号爿>才艮
专利文献3:日本特开2005-243477号7>才艮
专利文献4:日本特开平9-312167号>^才艮
然而，在上述以往的系统中，当打开了排气阀时，不仅杂质就连阳 极侧气体流路内的燃料气体也被一起排出。考虑到提高燃料效率，应抑 制燃料气体的无用排出。

发明内容
本发明是为解决上述那样的问题而完成的，其目的在于提供一种可 以抑制燃料气体向系统外无用排出的同时排出阳极侧气体流路内的杂 质的燃料电池系统。
为实现上述目的，本发明第一方案是一种燃料电池系统，其特征在
5于，具备燃料电池，通过阳极接受燃料气体的供给，阴极接受空气的 供给而进行发电；排气机构，与上述阳极侧的气体流路的下游侧端部连 接，具备将与上述阳极侧气体流路内的燃料气体的消耗量相比微量的气 体向系统外排出的排气模式；输出控制单元，在存在上述燃料电池的发 电停止要求之后，使该燃料电池的输出电流值增大至规定值；和排气控 制单元，最迟在上述输出控制单元控制的输出电流值增大时之前，将上 述排气机构设为上述排气模式。
另外，本发明第二方案是在第一方案的基础上，其特征在于，上述 排气机构的排气流量是可变的，上述排气控制单元与由上述输出控制单 元控制的输出电流值的增大相应来增加上述排气机构的排气流量。
另外，本发明第三方案是在上述第一或第二方案的基础上，其特征 在于，具备与上述燃料电池连接的蓄电装置，将由上述输出控制单元使 输出电流值增大而产生的输出功率的增加量的至少一部分蓄电到上述 蓄电装置中。
另外，本发明第四方案是一种燃料电池系统，其特征在于，具备 燃料电池，通过阳极接受燃料气体的供给，阴极接受空气的供给而进行 发电；排气机构，与上述阳极側的气体流路的下游侧端部连接，具备将 与上述阳极侧气体流路内的燃料气体的消耗量相比微量的气体向系统 外排出的排气模式；清洗要求判别单元，判别上述燃料电池的清洗执行 要求的有无；输出控制单元，在判别为有上述清洗执行要求之后，将该 燃料电池的输出电流值增大至规定值；和排气控制单元，最迟在由上述 输出控制单元控制的输出电流值增大时之前，将上述排气机构设为上述 排气模式。
另外，本发明第五方案是在第四方案的基础上，其特征在于，上述 清洗要求判别单元包括间歇运行时清洗要求判别单元，该间歇运行时清 洗要求判别单元，若有将上述燃料电池的运行向间歇地停止该燃料电池 的发电的间歇运行切换的要求时，判别为形成了上述燃料电池的清洗执 行要求。
另外，本发明第六方案是在第四或第五方案的基础上，其特征在于， 上述排气机构的排气流量是可变的，上述排气控制单元与由上述输出控另外，本发明第七方案是一种燃料电池系统，其特征在于，具备 燃料电池，通过阳极接受燃料气体的供给，阴极接受空气的供给而进行 发电；排气机构，与上述阳极侧的气体流路的下游侧端部连接，具备将 与上述阳极侧气体流路内的燃料气体的消耗量相比微量的气体向系统 外排出的排气模式；第一计量单元，计量与上述阳极侧气体流路内的燃 料气体的流速相关联的物理量；第二计量单元，计量与上述阳极侧气体 流路内的杂质的扩散速度相关联的物理量；流速控制单元，在存在上述 燃料电池的发电停止要求之后，增大该燃料气体的流速，以使上述阳极 侧气体流路内的燃料气体的流速比该阳极侧气体流路内的上述杂质的 扩散速度还大；和排气控制单元，最迟在由上述流速控制单元控制的燃 料气体的流速增大时之前，将上述排气机构设为上述排气模式。
另外，本发明第八方案是一种燃料电池系统，其特征在于，具备 燃料电池，通过阳极接受燃料气体的供给，阴极接受空气的供给而进行 发电；排气机构，与上述阳极侧的气体流路的下游侧端部连接；清洗要 求判别单元，判别上述燃料电池的清洗执行要求的有无；输出控制单元， 在判别为有上述清洗执行要求之后，将该燃料电池的输出电流值增大至 规定值；和排气控制单元，在判别为有上述燃料电池的清洗执行要求之 后，至少在由上述输出控制单元控制的输出电流值增大之前，关闭上述 排气机构，在该输出电流值增大以后，进行上述排气机构向开放状态的 切换。
根据本发明第一方案，通过将与阳极侧气体流路内的燃料气体的消 耗量相比微量的气体向系统外排出，可以抑制燃料气体的无用排出，同 时，可以一点一点将滞留在阳极侧气体流路的下游侧端部的杂质向系统 外排出。由此，可以抑制燃料气体向系统外无用排出的同时排出阳极侧 气体流路内的杂质。并且，在将排气机构设为排气模式的运行中，燃料 气体的流速越大，阳极侧气体流路内的杂质则越少。根据第一方案，可 以在存在运行停止要求之后有意造成这样的状态，所以，可以在抑制燃 料气体的无用排出的同时减少阳极侧气体流路内的杂质，然后停止燃料 电池。
根据本发明第二方案，可以与由燃料电池的输出电流值的增大引起的阳极侧气体流路下游侧的杂质量的增加相应来增加排气流量。由此， 可以在抑制氢气的无用排出的同时排出杂质之时，抑制阳极侧气体流路 下游的杂质浓度过度上升。
根据本发明第三方案，可以不使在将杂质聚集到阳极侧气体流路的 下游侧之时所增加的发电功率浪费而进行利用。
根据本发明第四方案，通过将与阳极侧气体流路内的燃料气体的消 耗量相比微量的气体向系统外排出，可以抑制燃料气体的无用排出的同 时一点一点将滞留在阳极侧气体流路的下游侧端部的杂质向系统外排 出。由此，可以抑制燃料气体向系统外的无用排出的同时排出阳极侧气 体流路内的杂质。并且，在将排气机构设为排气模式的运行中，燃料气 体的流速越大，阳极侧气体流路内的杂质量则越少。根据第四方案，可 以在存在清洗执行要求之后有意造成这样的状态，所以可以抑制燃料气 体的无用排出的同时将阳极侧气体流路内的杂质排出。
根据本发明第五方案，可以在存在开始间歇运行的要求之后，抑制
根据本发明第六方案，可以与由燃料电池的输出电流值的增大引起 的阳极侧气体流路下游侧的杂质量的增加相应来增加排气流量。由此， 可以在抑制氢气的无用排出的同时排出杂质之时，抑制阳极侧气体流路 下游的杂质浓度过度上升。
根据本发明第七方案，与第一方案同样地，可以抑制燃料气体的无 用排出的同时一点一点将滞留在阳极侧气体流路的下游侧端部的杂质 向系统外排出。而且，与第一方案同样地，可以在抑制燃料气体的无用 排出的同时减少阳极侧气体流路内的杂质，然后停止燃料电池。
根据本发明第八方案，可以在存在燃料电池的清洗执行要求之后， 在使输出电流值增大而将杂质聚集在阳极侧气体流路的下游侧的状态 下进行排气。由此，可以在抑制燃料气体向系统外的无用排出的同时排 出阳极侧气体流路内的杂质。
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图l是用于说明本发明实施方式l的燃料电池系统的构成的图。
图2是示意地表示单体燃料电池的内部构造和发生在此的现象的图。
图3是表示阳极侧气体流路内的氢气浓度的分布与电流值的关系 的图。
图4是反映基于本发明的实施方式的排气控制的阳极侧气体流路 内的排气的图。
图5是表示用于在本发明的实施方式中所实施的排气控制的程序 的流程图。
图6是表示在本发明的实施方式1的连续少量排气运行中的、燃料 电池的输出与阳极侧气体流路内的杂质量的关系的MAP图。
图7是表示用于在实施方式2中所实施的排气阀控制的程序的流程图。
图8是表示用于在实施方式3中所实施的排气阀控制的程序的流程图。
图9是表示用于在实施方式4中所实施的排气阀控制的程序的流程
符号说明2-燃料电池堆；4-高压氢气罐；6-氢气供给管；8-氢气调 压阀；10-氢气入口阀；12-排气管；14-排气阀；20-控制装置；22-电流 计；24-温度传感器；26-压力传感器；30-空气供给管；32-空气泵；34-排气管；40-膜电极接合体；42-阳极侧气体流路；44-阴极侧气体流路； 50-负载；52-转换器；54-蓄电装置。
具体实施方式
实施方式1.
(实施方式1的构成)图l是示意地表示应用本发明的燃料电池系统的构成的图。燃料电
池系统是由燃料电池2发电并将其功率供给到电机等负载中的系统。通 常的燃料电池2是以将多个单体燃料电池层叠而成的燃料电池堆的形式 来使用的。虽然省略图示，但单体燃料电池是以一对集电板来夹着膜电 极接合体的构成。膜电极接合体是在固体高分子电解质膜的两面一体地 形成了催化剂的部件，并且在其各面一体地形成有用碳片等制成的气体 扩散层。集电板还起到将两张邻接的膜电极接合体之间隔开的分离器 (separator)的作用。各单体燃料电池，通过阳极接受作为燃料气体的 氢气的供给，阴极接受空气的供给而进行发电。此外，关于各单体燃料 电池的构成的详细内容，将在后述的实施方式l的动作说明中与单体燃 料电池内所发生的物理现象一起说明。
燃料电池2上连接有氢气供给管6，且该氢气供给管6用于将氢气 从高压氢气罐4供给到燃料电池2。在氢气供给管6的中途，从其上游 按照顺序配置有氢气调压阀8和氢气入口岡10。氢气被调压阀8减压并 且在调整到所需的压力后被供给到燃料电池2中。供给到燃料电池2的 氢气，通过形成在燃料电池2内的供给歧管(未图示)被分配给各单体 燃料电池的阳极。
本实施方式的燃料电池系统具备用于将阳极气体从燃料电池2内抽 出的排气管12。该排气管12经由形成在燃料电池2内的排气歧管(未 图示)与各单体燃料电池的阳极侧气体流路的下游侧端部连接。阳极侧 气体流路内的气体(阳极气体)聚集在排气歧管并被排出到排气管12。 排气管12的前端向大气开放或连接于稀释器。
在排气管12中，作为用于切换排气管12的连通状态的排气机构， 设置有可进行占空比控制的电磁式排气阀14。优选地，排气阀14釆用 流量控制性能优良的喷射式阀门。作为排气阀14的动作，可择一地选 择为完全封闭状态(即占空比为零)的闭塞模式和以规定的占空比进行 打开控制的排气模式。当选择了闭塞模式时，切断燃料电池2的阳极侧 气体流路与系统外的连通。
另一方面，当选择了排气模式时，实现阳极侧气体流路与系统外的 连通，能够使阳极气体向系统外排气。然而，排气模式下的占空比小， 将向系统外排气的阳极气体的流量，调整为与阳极侧气体流路内的氢气的消耗量相比极微小的数值。下面，将选择闭塞模式时的燃料电池系统 的运行称为"阳极终端运行"，将选择排气模式时的燃料电池系统的运 行称为"少量排气运行"。另外，在以下的说明中，将每单位时间从排
气阀14向系统外排出的气体量称为"排气流量"。
燃料电池2连接有用于供给空气的空气供给管30。空气供给管30 上配置有空气泵32。通过空气泵32的动作将空气吸入空气供给管30 中并供给燃料电池2。已经供给燃料电池2的空气，通过形成在燃料电 池2中的供给歧管分配给各单体燃料电池的阴极。已通过各单体燃料电 池的阴极的空气，聚集在形成在燃料电池2内的排气歧管并被排出到排 气管34中。
实施方式1的系统具备ECU (Electronic control Unit)20。 ECU20 连接有与燃料电池2连接的电流计22、温度传感器24。另外，在氢气 供给管6中具有压力传感器26。压力传感器26与ECU20连接。另夕卜， 排气阀14与ECU20连接。ECU20,为了实现包括上述的闭塞模式和 排气模式的排气流量控制，向排气阀14发送控制信号。
在实施方式l的系统中，燃料电池2连接有负载50。另外，燃料电 池2也经由转换器52与蓄电装置54连接。可以将负载50例如设为消 耗由燃料电池2供给的功率的电机等。在本实施方式系统中，可以将来 自燃料电池2的功率适当地供给到负载50和蓄电装置54。此外，构成 这样的燃料电池系统的技术已经公知，所以省略其详细说明。
(实施方式1的通常运行时的动作)
下面，将基于图2说明本实施方式的系统的通常运行时的动作，及 在该通常运行时在燃料电池2内部发生的现象。在以下的说明中，首先， 说明在阳极终端型系统中，随着运行时间的经过在燃料电池的阳极侧气 体流路内逐渐蓄积起杂质的情况。接着，作为本实施方式的通常运行时 控制，分别说明连续少量排气运行和阳极终端运行，针对这两个运行状 态的切换方法进行叙述。
图2是示意地表示构成燃料电池2的单体燃料电池的内部构造及在 此发生的现象的图。在图2中，表示与本发明的特征特别相关的部分，
ii对集电体和歧管等本发明的特征以外的部分省略图示。下面，参照图1
和图2进行说明。
如图2所示，沿着膜电极接合体40的各个面形成有气体流路42、 44。在通常运行时，对膜电极接合体40的阳极侧的气体流路42供给氢 气。对膜电极接合体40的阴极侧的气体流路44供给空气。其结果是， 通过借助于膜电极接合体40的电化学反应进行发电。此外，这些气体 流路42、 44的形状和构成没有特别的限定。例如，也可以在集电体(分 分离器(separator))的表面上形成沟，并将该沟作为气体流路42、 44。 另外，也可以在集电体和膜电极接合体40之间设置由导电性材料形成 的多孔体层，并由多孔体层内的连续的气孔形成气体流路42、 44。
在供给到阴极侧气体流路44的空气中，除发电所用的氧气(02) 之外还包括氮气(NJ。氮气作为惰性气体无法用于发电，将其保持不 变从阴极侧气体流路44排出到系统外。然而，如图2中箭头所示意性 地表示那样， 一部分的氮气透过膜电极接合体40而侵入到了阳极侧气 体流路42中。此时，氮气的在阴极侧气体流路44与阳极侧气体流路42 之间的分压差成为使氮气向阳极侧气体流路42侧移动的驱动力。已透 过膜电极接合体40的氮气(N2)，随着阳极侧气体流路4内的氢气(H2) 的流动，如图2中箭头所示意性地表示那样，流向阳极侧气体流路42 的下游。
此外，空气中除氮气之外还含有无法供发电所用的水蒸气和二氧化 碳等杂质。然而，它们在空气中的浓度与氮气相比极微小，因而，这里 作为杂质仅考虑氮气。但是，本发明并非意味着从所假定的杂质中将氮 气之外的物质排除。
若因分压差而透过来的氮气覆盖了膜电极接合体40的表面，则， 阻碍催化剂中发生的起电反应。因此，可能会引起输出电压的降低和由 异常电位所引起的膜电极接合体40的恶化，因此，在本实施方式中， 通过将排气阀12设为排气模式的连续少量排气运行，防止氮气向阳极 侧气体流路42的下游端部蓄积。
通过将排气岡14设为排气模式，可以向系统外排出与阳极侧气体 流路42内的氢气的消耗量相比微量的气体。由此，可以一点一点地向系统外排出，滞留在阳极侧气体流路42的下游侧端部的氮气。其结果 是，可以抑制氢气的无用排气的同时防止蓄积导致燃料电池性能降低程 度的氮气。
阳极侧气体流路内的杂质的分布，因各种原因而变化。图3是表示 阳极终端运行时的阳极侧气体流路42内的氢气浓度分布的图。与氢气 浓度100%的差，表示氮气浓度。若阳极侧气体流路42的下游端部蓄积 了氮气，氢气浓度分布则如图3中实线所示那样。由上述连续少量排气 运行所带来的效果，是在氮气能够如此蓄积在阳极侧气体流路42的下 游端部的状况下所获得的效果。
氮气在阳极侧气体流路42的分布，由阳极侧气体流路42内的氮气 的流动状态决定。如图2中箭头所示意性地表示那样，当氮气在阳极侧 气体流路42中向下游方向流动时，必然形成氮气能够蓄积在下游端部 的状态。阳极侧气体流路42内的氮气的流动，由阳极侧气体流路42内 的氮气的扩散速度和阳极侧气体流路42内的氢气的流速决定。如果氢 气的流速比氮气的扩散速度大，已经透过了膜电极接合体40的氮气不 向阳极侧气体流路42的上游扩散而向下游流动。其结果是，能够形成 图3中实线所示的氢气浓度分布。
如果氢气的流速比氮气的扩散速度小，则氮气扩散到阳极侧气体流 路42的上游，得到例如图3中虚线所示的氢气浓度分布。当氢气浓度 分布为图3中虚线所示的情况下，即，当在阳极侧气体流路42中已分 散有氮气的状况下，若进行排气，则会将氢气无用地排出。这是因为在 阳极侧气体流路42的下游端部没有蓄积氮气。在这样的状况下，可以 通过选择阳极终端运行来抑制氢气的排出。
选择阳极终端运行和连续少量排气运行的哪一个运行方式，需要根 据是否是能够使氮气蓄积在阳极侧气体流路42的下游端部的状况判断。 因此，在本实施方式的燃料电池系统中，通过下面将说明的方法，间接 地检测氮气在阳极侧气体流路42内向下游方向的流动。
首先，阳极侧气体流路42内的氮气的流动，由阳极侧气体流路42 内的氮气的扩散速度和阳极侧气体流路42内的氢气的流速决定。如果 氢气的流速比氮气的扩散速度大，透过膜电极接合体40而来的氮气则不向阳极侧气体流路42的上游扩散而向下游流动。其结果是，可以得 到如图3中实线所示的氢气浓度分布。另一方面，如果氢气的流速比氮 气的扩散速度小，则氮气逐渐扩散到阳极侧气体流路42的上游，可以 得到如图3中虚线所示的氢气浓度分布。
在本实施方式的燃料电池系统中，不直接测量阳极侧气体流路42 内的氢气流速，而是计量与氢气的流速相关联的物理量的燃料电池2的 输出电流的值。如果阳极侧气体流路42的流路形状固定，则流入到阳 极侧气体流路42的氢气流速，由燃料电池2的输出电流唯一决定。通 过安装在燃料电池2上的电流计22计量燃料电池2的电流值。
另外，在本实施方式的燃料电池系统中，不是直接测量阳极侧气体 流路42内的氮气的扩散速度，而是计量与氮气的扩散速度相关联的物 理量的阳极侧气体流路42内的气体压力和气体温度的各个值。氮气的 扩散速度可以表示为阳极侧气体流路42内的气体温度和气体压力的函 数。可以由安装在氢气供给管6的燃料电池2的入口处的压力传感器26 计量阳极侧气体流路42内的气体压力。阳极侧气体流路42内的气体温 度与燃料电池2的整体温度大致相等，因此，可以由安装在燃料电池2 上的温度传感器24间接计量。当然，也可以直接计量阳极侧气体流路 42内的气体温度。
在本实施方式燃料电池系统中，ECU20根据压力传感器26及温度 传感器24的各计量值计算参考值，根据电流计22的计量值计算用于与 参考值比较的比较对象值(与参考值同量纲)。而且，设成，通过将参 考值与比较对象值相比较，正确地判定是否是氮气能够滞留在阳极侧气 体流路42的下游侧端部的状况，基于该判定结果切换排气阀14的动作 模式。
(实施方式1的系统停止时的动作)
接着，对本实施方式的系统中的停止时的动作进行说明。如上所述， 在本实施方式的系统中，在阳极侧气体流路内存在氮气(杂质)。若在 氮气的蓄积量较多的状态下停止了燃料电池系统，则在下次启动系统 时，成为阳极侧气体流路内的氢气浓度较低的状态。因此，有可能使启 动性恶化。
14考虑到防止发生上述的问题，作为系统的停止处理，将杂质积极地 排出(清洗)是有效的。然而，当在阳极侧气体流路内氮气与氢气混合 存在的状况下，若打开了排气岡，则不仅杂质就连氢气也一起排出。特
别是，如图3的点线所示，当氢气广泛地分布在阳极侧气体流路内的状 况下，增多了被无用地排出的氢气的量。与通常运行时所述的相同，考 虑到提高燃料效率，应抑制氢气的无用排出。
但是，如图3所示，阳极侧气体流路内的氮气的分布随着氢气的流 速改变。如果阳极侧气体流路42的流路形状固定，氢气流速则由燃料 电池2的输出电流唯一决定。而且，氢气流速比氮气的扩散速度大并且 其差值越大，则氮气的浓度梯度越急。
根据连续少量排气运行，氮气被挤向阳极侧气体流路下游而使氮气 浓度梯度变急，随着该状态阳极侧气体流路内的氮气量变少。因此，在 本实施方式中，活用这样的连续少量排气运行的特点，通过以下方法进 行氮气的排出。首先，控制负载50或者转换器52，增大针对燃料电池 2的负载，增大输出电流值。由此，氢气流速增大，氮气浓度梯度变急。 其结果是，能够有意地造成阳极侧气体流路内的杂质量减小的状态。由 此，可以在停止燃料电池2时，抑制氩气的无用排出的同时减少阳极侧 气体流路42内的氮气。
另外，若氢气流速增加而使氮气浓度梯度变急，则在阳极侧气体流 路下游侧，氮气浓度上升的同时氢气浓度降低。如上所述，阳极侧气体 流路下游的氮气浓度变得过大不是希望的。因此，在本实施方式中，与 氢气流速的增加相应来增加排气流量。通过这样做，可以增加排气流量， 以使与下游侧的氮气量的增加量相抵消。其结果是，可以获得优良的排 气控制，能够防止阳极侧气体流路下游的氮气浓度变得过大并且同时抑 制氢气的无用排出。
图4是用于说明本实施方式中的杂质排气控制的反映的图。图4中 点线所示的分布表示阳极侧气体流路内广泛地分布有氮气的状态。在本 实施方式中，从这样的状态，增加输出电流，据此增加排气阀的排气流 量。其结果是，如图4箭头所示，氮气一边被挤向阳极侧气体流路下游 一边被排出。图4中标注符号60的区域，相当于排出前氮气所存在的 区域。由于与下游侧的氮气量的增加相应排气流量也增加，因此可以在将阳极侧气体流路下游的氢气浓度确保为规定值的状态下将氮气排出。
最终结果是，如图4的实线所示，减少阳极侧气体流路内的氮气量。
如上所述，根据本实施方式的方法，在存在燃料电池的发电停止要 求之后，可以通过增大输出电流值来减少阳极侧气体流路内的杂质量。
流路内^杂质的基^上，停i燃,料电池。其结果是:可以在开始下次的 运行时确保良好的起动性。
另外，以往，考虑到降低向系统外排出的气体中的氢气浓度，在燃 料电池系统中设置有稀释器。在本实施方式中，可以通过抑制氢气的排 出来抑制向系统外排出的排出气体中的氢气浓度。因而，可以将这样的 稀释器小型化或将其省略。
另外，通过与燃料电池2的输出电流值的增大相应而增加排气流 可以在抑制氢气的无用排出的同时排出氮气之时，有效地防止阳极侧气 体流路下游的氮气浓度变得过大。
(实施方式l的具体处理)
下面，将基于图5说明本实施方式1的系统进行的具体处理。图5 是在实施方式1中所执行的程序的流程图。可以在实施方式1的系统的 运行中执行该流程。此外，虽然图5的程序中没有表示，但直到插入该 程序的特别控制之前，按照上述说明的通常运行时的动作来控制本实施 方式的系统。
另外，在本实施方式中，预先将图6所示那样的MAP图存储在 ECU20中。图6是预先通过试验等所求出的燃料电池2的输出电流值 与阳极侧气体流路42内的杂质量(不纯气体量)的对应关系的MAP 图。图6的MAP图是通过在排气流量一定的排气模式下改变输出电流 值的同时在实验上求得阳极侧气体流路42内存在的杂质量所得到的。 如图6的MAP图所示，才艮据连续少量排气运行，燃料电池2的输出电 流值越大，阳极侧气体流路内存在的杂质量则越少。在本实施方式中， 利用这样的连续少量排气运行的特点，将杂质进行有效地排出。在图5 的程序执行中，可以适当参照图6的MAP图。在图5所示的程序中，首先，判别点火系是否是OFF(步骤S100)。 该步骤用于判别燃料电池2的停止要求的有无。在不能认为步骤S100 的条件成立的情况下，判断为系统还处于要执行通常的运行控制的状 况，等待该条件的成立。
在认为步骤S100的条件成立的情况下，作出已获得了系统的停止 要求的判断。此时，图5的程序中，为了排出燃料电池2的阳极侧气体 流路42内的杂质，执行步骤102之后的处理。在步骤S102的处理中， 计算出当前负载状态下的燃料电池2内的杂质量V。i。具体而言，首先， 可以参照图6的MAP图取得与当前的输出电流值Ii对应的杂质量V。i。 接着，同样参照图6的MAP图，计算出与对当前的输出电流值Ii增加 了规定的增大量AI后的输出电流值(Ii+Al)对应的杂质量V。i+i。
接下来，进行如下的处理增加排气流量以使进行与杂质量的增加 量AVo(即V。i-V。i+D相应而增多的排气的同时，将输出电流值增加到 Ii+Al (步骤S106)。具体而言，首先，使排气岡14处于排气模式，然 后，控制排气阀14,以使除了由当前的排气流量所预计的排气量(稳态 排气量)以外，还增加与AVo相应的排气量。可以通过控制负载50和 转换器52进行输出电流值的增加。
在将输出电流增加了规定量AI的情况下，可以预计到由于氢气流 速增大阳极侧气体流路42的下游侧的杂质浓度上升。可以根据步骤 S106的处理，增加排气流量来抑制这样的浓度上升。此外，虽然图5 的流程图中没有表示，但在本实施方式中，设成将由步骤S106的输出 电流值的增加而产生的剩余功率蓄存到蓄电装置54中。
接下来，判别当前的输出电流值是否是规定的停止时目标值以上 (步骤S108)。具体而言，判别输出电流值Ii+Al是否是停止时目标值 Ia以上。停止时目标值IA是在图6的MAP图内规定的数值，是成为杂 质的排气是否已完成的判断的基础的数值。
根据步骤S102 S106的处理，阳极侧气体流路42内的杂质量根据 输出电流的变化如图6所示那样变化。其结果是，输出电流变得越大， 阳极侧气体流路42的杂质量则变得越少。因此，将杂质量的目标值VA 设成足够小的数值而进行规定，预先求出与该目标值VA对应的停止时目标值IA。直到输出电流值成为目标值lA以上为止，反复进行从步骤
S102开始的处理，由此，可以可靠地降低杂质。
在不能认为步骤S108的条件成立的情况下，判断为当前阳极侧气 体流路42内的杂质尚未被充分减少。此时，再次执4亍从步骤S102开始 的处理。当认为步骤S108的条件成立的情况下，可以判断为充分地进 行了杂质的排出。因此，转向系统停止处理SllO,结束本次的程序。
根据以上的处理，可以在抑制氢气向系统外的无用排出的同时排出 杂质的基础上，停止燃料电池2。另外，通过与燃料电池2的输出流量 值的增大相应增加排气流量，可以有效地防止阳极侧气体流路下游的氮 气浓度变得过大。另外，通过将由步骤S106的输出电流值的增大产生 的剩余功率蓄存到蓄电装置54中，可以不浪费地利用发电功率。
此外，在实施方式l中，说明了在步骤S106内将排气阀14切换至 排气模式的情况。然而，根据本实施方式的通常运行时控制，排气阀14 处于排气模式还是闭塞模式，决定于燃料电池2的输出。因此，在步骤 S106中进行确认排气阀14的状态处理，在排气阀14已经处于排气模 式的情况下，只要继续保持排气模式即可。另外，当在排气阀14处于 闭塞模式的状态下开始了步骤S102以后的处理的情况下，只要最迟在 步骤S106的输出电流增大之前向排气模式切换即可。
此外，在上述的实施方式l中，燃料电池2相当于上述第一方案中 的"燃料电池，，，排气阀14相当于上述第一方案中的"排气机构"。另 外，在实施方式1的具体处理的步骤S102 S108中，输出电流值的控制 相当于上述第一方案中的"输出控制单元"，排气阀14的控制相当于上 述第一方案中的"排气控制单元"，停止时目标值lA相当于上述第一方 案中的"规定值"。
(实施方式l的变形例)
(第一变形例)
在实施方式l中，采用以规定条件切换阳极终端运行与连续少量排 气运行的方法作为系统的通常运行时的控制方法，然而，本发明并不限 定于此。即，也可以将本实施方式所涉及的运行停止时的排气控制例如应用于在通常运行时经常进行连续少量排气的系统中。如果是能够发生 杂质向阳极侧气体流路透过，在阳极侧气体流路内产生杂质浓度梯度的 系统(即阳极终端型系统)，则可以使用实施方式1的运行停止时的排 气控制。
(第二变形例)
在实施方式l中，在存在燃料电池的发电停止要求之后，使输出电
流值增大至规定值，并且，与燃料电池2的输出电流值的增大相应增加 排气流量。然而，本发明并不限定于此。即，在存在燃料电池的发电停 止要求之后，使输出电流值增大至规定值时，也可以不必进行与输出电 流值的增大相应的排气流量的增加。具体而言，也可以在图5的程序的 步骤S106中，仅进行输出电流值的增加(基于负载50的负载的增大)。 此时，也不一定将排气阀14限定为是排气流量可变的阀。
(其他的变形例)
在实施方式l中，设成，将由步骤S106的输出电流值的增大而产 生的剩余功率蓄存到蓄电装置54中。然而，也可以不必向蓄电装置54 供给。例如也可以用构成系统的其他设备等来消耗功率的增大量。
此外，停止时目标值Ia是受到阳极侧气体流路42内的氢气流速与 氮气扩散速度的关系的影响的数值。将氢气流速与氮气扩散速度均衡的 输出电流值作为基准值，停止时目标值IA比该基准值越大，阳极侧气体 流路42内的杂质量则越低。考虑到氮气的扩散速度的变动，优选地， 基于阳极侧气体流路42内的气体温度和气体压力来设定、校正图6的 MAP图和停止时目标值IA。
实施方式2.
在实施方式l中，在系统的停止处理时进行了杂质的排出。与此相 对，在实施方式2中，当针对系统形成间歇运行的执行要求时，进行同 样的排气控制。此外，实施方式2的系统的构成与实施方式1的系统的 构成相同。在以下的说明中，实施方式2的系统是以图1的构成作为前 提的，并且省略对重复的事项的说明。作为燃料电池2的运行方法，具有通常进行燃料电池2的发电的连 续运行和间歇地停止燃料电池2的发电的间歇运行。当由负载50侧所 要求的功率量较小的情况下，可以通过间歇地停止燃料电池2的发电， 抑制氢气的消耗，提高燃料效率。在实施方式2中，根据需要，为了将 这些运行状态相互切换，ECU20向各构成设备发送控制信号。此外， 与间歇运行相关的技术已经公知，因此省略其详细的说明。
优选地，在已将阳极侧气体流路42内清洗的基础上开始这样的间 歇运行。因此，在实施方式2的系统中，判定间歇运行执行要求的有无 的同时进行通常运行。而且，设成，在具有间歇运行要求的情况下，在 进行实施方式1中的杂质的排气后开始间歇运行。
下面，将基于图7的流程图说明实施方式2的具体处理。图7是将 图5的流程图的步骤S100、 S108、 S110分别置换为步骤S200、 S208、 S210的图。此外，在实施方式2中，ECU20也预先存储如图6所示的 那样的MAP图。而且，当执行图7的程序时，与实施方式l同样，设 成参照该MAP图。另外，在实施方式2中，也基于与在实施方式l中 确定目标值lA同样的思路，作为成为判断的基础的数值，而预先决定输 出电流的目标值，且该判断是为了开始间歇运行是否已充分地降低了杂 质的判断。
图7的程序中，首先判别是否有开始间歇运行的要求(步骤S200)。 在并未得到间歇运行要求的情况下继续连续运行。当认为步骤S200的 条件成立的情况下，与实施方式l同样地执行步骤S102 S106的处理。
若执行了步骤S106的处理，则，接下来，判别当前的负载是否是 目标值以上(步骤S208)。在实施方式2中，也基于与在实施方式l中 确定目标值Ia同祥的思路，预先决定输出电流目标值。通过该步骤可以 在间歇运行开始之前判断是否充分地降低了杂质。反复执行从步骤S102 开始的处理直到认为步骤S208的条件成立为止。在认为步骤S208的条 件成立的情况下，处理转到间歇运行的开始处理(步骤S210)，结束本 次的程序。
如上述说明的那样，根据实施方式2,可以在存在间歇运行开始的 要求之后，抑制氢气向系统外的无用排出的同时排出阳极侧气体流路42
20内的杂质。由此，可以在抑制氢气的无用排出的同时降低杂质量的基础
上，将燃料电池2的运行向间歇运行切换。
此外，也可以将实施方式2与实施方式1组合使用。另外，可以对 实施方式2，实施与实施方式l相同的变形。即，可以从以规定条件切 换阳极终端运行与连续少量排气运行的方法和仅进行连续少量排气的 方法等中适当选择通常运行的方法。另外，同样可以将实施方式l中所 述的变形例应用到实施方式2的系统中。
实施方式3.
如上所述，分别地，在实施方式l中是在运行停止时，在实施方式 2中是在间歇运行开始时，进行将杂质聚集到阳极侧气体流路42的下游 侧的状态下的排气(清洗)。在实施方式3中，考虑到将该排气控制应 用更宽范围，判定清洗执行要求的有无，在已具有该要求时进行上述的 排气控制处理。此外，实施方式3的系统的构成与实施方式1的系统的 构成相同。在以下的说明中，以实施方式3的系统构成是图1的构成为 前提，并且省略对重复的事项的说明。
图8是实施方式3的系统所执行的程序的流程图。图8的程序是将 图5的流程图的步骤S100、 S108、 S110分别置换为步骤S300、 S308、 S310的图。在实施方式3的系统中，也与实施方式l、 2同样，已决定 图6所示的MAP图以及输出电流的目标值。
图8的程序中，首先判别清洗执行要求的有无(步骤S300)。在判 定为尚未获得清洗执行要求的情况下，维持当前的状态不变等待清洗执 行要求。当在步骤S300中i^为清洗执行要求成立的情况下，与实施方 式1同样地执行步骤S102-S106的处理。
若执行了步骤S106的处理，则，接下来，判别当前的输出是否是 目标值以上(步骤S308)。通过该步骤，可以判断是否充分地降低了杂 质。反复执行从步骤S102开始的处理直到认为步骤S308的条件成立为 止。当认为步骤S308的条件成立的情况下，完成清洗(步骤S310), 结束本次的程序。
根据上述说明的实施方式3的方法，可以在存在燃料电池的清洗执流路,内的杂质。 、 。J 5 、
此外，在实施方式3中，步骤S300的处理相当于上述第4方案中 的"清洗要求判别单元"。
此外，在实施方式3中，如果设成，当存在燃料电池2的停止要求 时，判别为形成了上述燃料电池的清洗执行要求，则实现与实施方式l 同样的控制。另外，在实施方式3中，如果设成，当存在燃料电池2的 间歇运行停止要求时，判别为形成了上述燃料电池的清洗执行要求，则 实现与实施方式2同样的控制。即，可以将实施方式3应用到各种基于 燃料电池的控制内容、运行状态来判别清洗要求的有无的系统中。另夕卜， 实施方式3中也与实施方式1、 2同样可以适当变更燃料电池通常运行 的方法。另外，可以进行与实施方式l、 2中所述同样的变形。
实施方式4.
在实施方式1至3中，在将设置在阳极侧气体流路42的下游端部 的排气阀14设为排气模式的状态下增大了燃料电池2的输出电流。实 施方式4，在存在针对燃料电池2的发电停止要求之后进行燃料电池2 的输出电流值的增大的方面与实施方式1至3相同，但在排气阀14的 控制方面与这些实施方式不同。此外，在以下的i兑明中，实施方式4的 系统采用与实施方式1的系统(图1)同样的构成，避免重复的说明。
图9是实施方式4的系统所执行的程序的流程图。在实施方式4的 系统中，排气阀14在通常运行时被设为闭塞模式，可以在这样的通常 运行中执行图9的程序。在图9的程序中，首先判别清洗要求的有无(步 骤S400)。该步骤中，与上述实施方式3的处理的步骤S300同样，判 别是否存在燃料电池2的清洗执行要求。对于清洗执行要求的判别，与 实施方式3中所述相同，例如可以与燃料电池2的停止要求相关联地进 行、或者与燃料电池2的间歇运行的执行要求相关联地进行。
在已存在清洗执行要求的情况下，在增大燃料电池2的输出电流之 后打开排气阀414。可以将打开排气阀414的时机设为在输出电流值增 大以后(与增大同时或增大以后)。如上所述，通过增大输出电流值杂
22质聚集到阳极侧气体流路42的下游端部。根据实施方式4，可以在由此 将杂质聚集到了阳极侧气体流路42的下游侧的状态下进行排气。由此， 可以抑制氢气向系统外的无用排出的同时排出阳极侧气体流路42内的 杂质。
此外，也可以将实施方式4的排气阀14设成仅简单进行开闭的清 洗阀。此时，系统的通常运行与实施方式1至3不同，是不包含排气模 式的运行。即，成为进行阳极终端运行的同时执行上述清洗的系统。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备燃料电池，通过阳极接受燃料气体的供给，阴极接受空气的供给而进行发电；排气机构，与上述阳极侧的气体流路的下游侧端部连接，具备将与上述阳极侧气体流路内的燃料气体的消耗量相比微量的气体向系统外排出的排气模式；输出控制单元，在存在上述燃料电池的发电停止要求之后，使该燃料电池的输出电流值增大至规定值；和排气控制单元，最迟在上述输出控制单元控制的输出电流值增大时之前，将上述排气机构设为上述排气模式。
2. 根据权利要求l所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述排气机构的排气流量是可变的，上述排气控制单元与由上述输出控制单元控制的输出电流值的增 大相应来增加上述排气机构的排气流量。
3. 根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于， 具备与上述燃料电池连接的蓄电装置，将由上述输出控制单元使输出电流值增大而产生的输出功率的增 加量的至少一部分蓄电到上述蓄电装置中。
4. 一种燃料电池系统，其特征在于，具备燃料电池，通过阳极接受燃料气体的供给，阴极接受空气的供给而 进行发电；排气机构，与上述阳极侧的气体流路的下游侧端部连接，具备将与 该阳极侧气体流路内的燃料气体的消耗量相比微量的气体向系统外排 出的排气模式；清洗要求判别单元，判别上述燃料电池的清洗执行要求的有无；输出控制单元，在判别为有上述清洗执行要求之后，将该燃料电池 的输出电流值增大至规定值；和排气控制单元，最迟在由上述输出控制单元控制的输出电流值增 大时之前，将上述排气机构设为上述排气模式。
5. 根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，上述清洗要求判别单元包括间歇运行时清洗要求判别单元，该间歇 运行时清洗要求判别单元，若有将上述燃料电池的运行向间歇地停止该 燃料电池的发电的间歇运行切换的要求时，判别为形成了上述燃料电池 的清洗执行要求。
6. 根据权利要求4或5所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述排气机构的排气流量是可变的，上述排气控制单元，与由上述输出控制单元控制的输出电流值的增 大相应来增加上述排气机构的排气流量。
7. —种燃料电池系统，其特征在于，具备燃料电池，通过阳极接受燃料气体的供给，阴极接受空气的供给而 进行发电；排气机构，与上述阳极侧的气体流路的下游侧端部连接，具备将与 上述阳极侧气体流路内的燃料气体的消耗量相比微量的气体向系统外 排出的排气模式；第一计量单元，计量与上述阳极侧气体流路内的燃料气体的流速相 关联的物理量；第二计量单元，计量与上述阳极侧气体流路内的杂质的扩散速度相 关联的物理量；流速控制单元，在存在上述燃料电池的发电停止要求之后，增大该 燃料气体的流速，以使上述阳极侧气体流路内的燃料气体的流速比该阳 极侧气体流路内的上述杂质的扩散速度还大；和排气控制单元，最迟在由上述流速控制单元控制的燃料气体的流 速增大时之前，将上述排气机构设为上述排气模式。
8. —种燃料电池系统，其特征在于，具备燃料电池，通过阳极接受燃料气体的供给，阴极接受空气的供给而 进行发电；排气机构，与上述阳极侧的气体流路的下游侧端部连接； 清洗要求判别单元，判别上述燃料电池的清洗执行要求的有无； 输出控制单元，在判别为有上述清洗执行要求之后，将该燃料电池 的输出电流值增大至规定值；和排气控制单元，在判别为有上述燃料电池的清洗执行要求之后， 至少在由上述输出控制单元控制的输出电流值增大之前，关闭上述排气 机构，在该输出电流值增大以后，进行上述排气机构向开放状态的切换。
全文摘要
本发明是为了解决所述问题而完成的，其目的在于提供一种可以抑制燃料气体向系统外无用排出的同时排出阳极侧气体流路内的杂质的燃料电池系统。将排气阀与燃料电池的阳极侧气体流路的下游侧端部连接。排气阀具备将与阳极侧气体流路内的燃料气体的消耗量相比微量的气体向系统外排出的排气模式。在存在燃料电池的发电停止要求之后，将燃料电池的输出电流值增大至规定值。而且，最迟在上述输出电流值增大时之前，将排气阀设为排气模式，与该输出电流值的增大相应来增加排气阀的排气流量。
文档编号H01M8/04GK101542808SQ20088000022
公开日2009年9月23日 申请日期2008年2月18日 优先权日2007年2月21日
发明者菅野善仁 申请人:丰田自动车株式会社