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：
本发明涉及一种具有接收燃料气体和氧化气体的供给而发电的燃 料电池的燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池组具有串联地层积多个单体电池而构成的堆叠构造，各 单体电池具有在电解质膜的一侧面上配置阳极，在另一侧面上配置阴 极而成的膜-电极配件。通过向膜-电极配件供给燃料气体和氧化气体产 生电化学反应，化学能转换为电能。其中，将固体高分子膜作为电解 质使用的固体高分子电解质型燃料电池组是低成本且易紧凑化，并且 具有较高输出密度，因此作为车载电力源的用途被期待。
在运转燃料电池系统时，仔细地进行燃料电池组内部的水分管理 和温度管理等，检测出由溢流引起的反应气体供给不足、由电解质膜 的干燥引起的电阻增加等的发电异常，为了取出充分的输出，需要管
理单体电池的发电状态。在日本特公平7-63020号公报中提及进行运转 控制以使电极电位不超过上限电压并且单体电池电压不低于下限电压 的方式(所谓电极电位是指阳极及阴极各自的电位，所谓单体电池电 压是指以阳极为基准时的阴极的电位。)。如果使燃料电池组在电极 电位变为氧化区域的高电位持续运转，则担心催化剂离子化并溶出， 因此设定上限电压，以使电极电位不会达到引起催化剂恶化的高电位。 另外，如果以一部分的单体电池变为逆电位(阳极电位比阴极电位高 的现象)的状态持续发电，则担心由催化剂恶化等引起发电性能降低， 因此设定下限电压以使单体电池不会变为逆电位。
专利文献日本特开平7-63020号公报
5但是，在以往的运转方式中，由于下限电压是预先设定的固定值， 因此具有不能根据单体电池电压降低原因灵活地改变发电允许范围， 发电允许范围是固定性的这样的难点。
另外，在使串联地层积多个单体电池而成的燃料电池组运转的情 况下，很难使全部的单体电池的发电性能、情况完全一致，因为由干
燥(dryup)现象引起的质子导电性的降低、反应气体供给不足等的原 因运转条件变严时，在发电性能较低的单体电池、情况恶劣的单体电 池中可见单体电池电压降低。单体电池电压降低的原因中，燃料电池 组受到电化学损坏是燃料气体不足，在单体电池电压降低的原因是氧 化气体不足时，燃料电池组不会受到电化学损坏。
但是，在现有技术中，由于很难判断单体电池电压降低原因是燃 料气体不足还是氧化气体不足，因此检测出单体电池电压降低时，即 使单体电池电压降低原因是氧化气体不足也一律地限制输出，因此使
驾驶性能恶化。

发明内容
本发明为了解决上述问题，以提供一种根据运转状态灵活地改变 发电允许范围的燃料电池系统为课题。另外，本发明以提供一种判断 单体电池电压降低的原因是燃料气体不足还是氧化气体不足，并能够 根据单体电池电压降低原因适当地管理单体电池电压的燃料电池系统。
为了解决上述问题，本发明的燃料电池系统具有燃料电池，接 收燃料气体和氧化气体的供给而发电；判断装置，判断燃料电池的运 转状态是燃料气体不足还是氧化气体不足；下限电压设定装置，当由 判断装置判断是燃料气体不足时将下限电压设定为比判断是氧化气体 不足时高；和控制装置，控制燃料电池的输出电压以使其不低于由上述下限电压设定装置设定的下限电压。
在单体电池电压降低的原因是燃料气体不足的情况下，在单体电 池变为逆电位的状态下的持续发电给予单体电池的损坏较大，因此优 选将下限电压设定得较高，严格地限制单体电池电压下降以不产生逆 电位。另一方面，在单体电池电压降低的原因是氧化气体不足的情况 下，在单体电池变为逆电位的状态下的持续发电给予单体电池的损坏 与燃料气体不足的情况下相比较较小，因此优选将氧化气体不足时的 下限电压设定为比燃料气体不足时的下限电压低以允许逆电位的产 生，使单体电池电压降低的限制相对放宽。
基于本发明的其他的观点的燃料电池系统具有燃料电池，接收 燃料气体和氧化气体的供给而发电；下限电压设定装置，将低效率运
转时的下限电压设定为比通常运转时的下限电压低；和控制装置，控 制燃料电池的输出电压以使其不低于由上述下限电压设定装置设定的 下限电压。
在燃料电池的温度较低时，由于给予燃料电池损坏的电化学反应 的活性降低，因此优选燃料电池的温度越低，将下限电压设定得越低， 使单体电池电压降低的限制放宽。例如，优选将低效率运转时的下限 电压设定为比通常运转时的下限电压低。
在此，控制装置优选在起动燃料电池系统时的温度为规定值以下 时实施低效率运转。通过实施低效率运转能够控制燃料电池的热损失， 早期地预热燃料电池。
下限电压设定装置优选在低效率运转时产生燃料气体不足时将下 限电压设定为比在通常运转时产生燃料气体不足时低。
期望的是，控制装置在燃料电池的输出电压低于下限电压时，实施以下处理中的任意一个处理增加向燃料电池的燃料气体供给量或 氧化气体供给量的处理；限制燃料电池的输出电流的处理；和发电停 止处理，尝试单体电池电压恢复处理。
在存在负载变动的过渡的发电状态中，设燃料电池的输出电压的 变化为AV、设燃料电池的输出电流的变化为AI时，判断装置计算出 I AV/AI I ，并在I AV/AI I为第一阈值以上时，判断为燃料气体不 足，在| AV/AI I低于第一阈值时，判断为氧化气体不足。
在燃料气体不足时，将不足的质子由水的电分解补偿，因此I A V/AI|比第一阈值大。在氧化气体不足时，电解质膜的欧姆电阻变为 支配性的，I AV/AI I比第一阈值小。通过比较I AV/厶I I和第一阈 值，能够区别燃料气体不足和氧化气体不足。
在没有负载变动的稳定的发电状态中，设燃料电池的输出电压的 变化为AV、设时间变化为At时，判断装置计算出I AV/Atl ，并在 I AV/At I为第二阈值以上时，判断为燃料气体不足，在| AV/At| 低于上述第二阈值时，判断为氧化气体不足。
在燃料气体不足时，将不足的质子由水的电分解补偿，因此I △ V/At|比第二阈值大。在氧化气体不足时，电解质膜的欧姆电阻是支 配性的，I AV/Atl比第二阈值小。通过比较l AV/Atl和第二阈值， 能够区别燃料气体不足和氧化气体不足。
在本发明的优选实施方式中，判断装置实测燃料电池的阳极电位， 并在燃料电池的阳极电位超过规定的阈值电位时，判断为产生燃料气 体不足，在阳极电位低于上述阈值电位时，判断产生氧化气体不足。 如果产生燃料气体不足，则燃料电池通过水的电分解产生质子，补充 燃料气体不足。此时，阳极电位高于某一一定的阈值电位，因此通过
比较阳极电位和所述阈值电位，能够判断是燃料气体不足还是氧化气
8体不足。在判断为氧化气体不足时，由于允许单体电池电压低于负电 压，因此不需要燃料电池组的输出限制，能够抑制驾驶性能的恶化。
判断装置计算出在水电解时的燃料电池的阳极电位的上升为最小 的条件下作成的电流对电压特性映射上的单体电池电压，并在实际的 单体电池电压比电流对电压特性映射上的单体电池电压高时，判断未 产生燃料气体不足。水电解时的燃料电池的阳极电位的上升变为最小 的条件例如是生成质子所需的充分的水分存在于燃料电池内部的条 件。即使由于任何的原因单体电池电压落入负电压，只要此时的单体 电池电压属于上述的电流对电压特性映射的上侧的区域，单体电池电 压降低的原因至少保证不是燃料气体不足。在单体电池电压降低的原 因至少不是燃料气体不足的情况下，允许单体电池电压低于负电压， 因此不需要燃料电池组的输出限制，能够抑制驾驶性能的恶化。
在此，电流对电压特性映射可以是如下映射数据(l)具有温度 特性的映射数据、(2)考虑单体电池电压控制所需的控制延迟时间而 预先校正的映射数据、或(3)与单体电池电流无关的具有一定的电压 值的映射数据。通过使用考虑温度特性、控制延迟时间的映射数据， 能够进行更细的单体电池电压控制。另一方面，通过使用与单体电池 电流无关的由一定的电压值构成的映射数据，能够简化单体电池电压 控制。


图1是本实施方式的燃料电池系统10的系统构成图。 图2是构成燃料电池组的单体电池的分解透视图。
图3是表示通常运转时的单体电池电压管理程序的流程图。
图4是表示在存在负载变动的过渡的发电状态中产生反应气体不
足时的燃料电池组的I-V特性的图表。
图5是表示在没有负载变动的稳定的发电状态中产生反应气体不
足时的燃料电池组的V -1特性的图表。图6是表示低温起动程序的流程图。
图7是基于单体电池电位的单体电池电压管理的说明图。
图8是基于I-V特性的单体电池电压管理的说明图。 图9是基于I-V特性的单体电池电压管理的说明图。 图IO是基于I-V特性的单体电池电压管理的说明图。 图11是基于I-V特性的单体电池电压管理的说明图。
具体实施例方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本实施方式的燃料电池系统10的系统构成。
燃料电池系统10作为搭载在燃料电池车辆上的车载电源系统起
作用，具有接收反应气体(燃料气体、氧化气体)的供给而发电的
燃料电池组20;用于将作为氧化气体的空气供给到燃料电池组20的氧 化气体供给系统30;用于将作为燃料气体的氢气供给到燃料电池组20
的燃料气体供给系统40;用于控制电力的充放电的电力系统50;用于
冷却燃料电池组20的冷却系统60;控制燃料电池系统10整体的控制 器(ECU) 70。
燃料电池组20是将多个单体电池串联地层积而构成的固体高分 子电解质型单体电池组。在燃料电池组20中，在阳极产生(1)式的 氧化反应，在阴极产生(2)式的还原反应。作为燃料电池组20整体 产生(3)式的起电反应。
H2—2H十+2e、" (1)
(1/2) 02+2H++2e-—H20" (2) H2+ (1/2) 02—H20- (3)
在燃料电池组20上安装有用于检测燃料电池组20的输出电压的电压传感器71、用于检测发电电流的电流传感器72、用于检测各单体
电池电压的单体电池监视器(单体电池检测器)73。单体电池监视器 73可以以一个单体电池为单位检测单体电池电压，也可以以多个单体 电池(单体电池模块)为单位检测单体电池电压。
氧化气体供给系统30具有供给到燃料电池组20的阴极的氧化 气体所流过的氧化气体通路34;和从燃料电池组20排出的氧化废气所 流过的氧化废气通路36。在氧化气体通路34上设有经由过滤器31从 大气中取入氧化气体的空气压縮机32;用于加湿供给到燃料电池组20 的阴极的氧化气体的加湿器33;和用于调整氧化气体供给量的节流阀 35。在氧化废气通路36上设有用于调整氧化气体供给压力的背压调整 阔37和用于在氧化气体(干气)和氧化废气(湿气)之间进行水分交 换的加湿器33。
燃料气体供给系统40具有燃料气体供给源41;从燃料气体供 给源41向燃料电池组20的阳极供给的燃料气体所流过的燃料气体通 路45;用于使从燃料电池组20排出的燃料废气返回到燃料气体通路 45的循环通路46;将循环通路46内的燃料废气压送到燃料气体通路 43的循环泵47;和与循环通路47分支连接的排气排水通路48。
燃料气体供给源41例如由高压氢罐、氢贮存合金等构成，存储高 压(例如35MPa至70MPa)的氢气。打开截止阀42后，燃料气体从 燃料气体供给源41向燃料气体通路45流出。燃料气体由调节器43、 喷射器44例如减压到200kPa左右，并供给到燃料电池组20。
燃料气体供给源41可以由从烃类燃料生成富氢的改性气体的改 性器和使在所述改性器生成的改性气体成为高压状态而蓄压的高压气 体罐构成。
调节器43是将其上游侧压力(一次压力)调压为预先设定的二次压力，例如，由减压一次压力的机械式的减压阀等构成。机械式减压 阀具有隔着隔膜形成背压室和调压室的壳体，具有由背压室内的背压 在调压室内将一次压力减压为规定的压力作为二次压力的构成。
喷射器44是电磁驱动式开关阀，其可通过利用电磁驱动力直接地 以规定的驱动周期驱动阀芯远离阀座来调整气体流量、气体压力。喷
射器44具有阀座，该阔座具有喷射燃料气体等的气体燃料的喷射孔， 并且具有喷嘴体，将所述气体燃料供给导向至喷射孔；和阀芯，相 对于所述喷嘴体可沿轴线方向(气体流动方向)移动地被收容保持， 并对喷射孔进行开关。
在排气排水通路48上设有排气排水阀49。排气排水阀49通过来 自控制器70的指令动作，将循环通路46内的包含杂质的燃料废气和 水分排出到外部。通过排气排水阀49的开阀，循环通路46内的燃料 废气中的杂质的浓度降低，能够使在循环系统内循环的燃料废气中的 氢浓度上升。
经由排气排水阀49排出的燃料废气与流过氧化废气通路34的氧 化废气混合，由稀释器(未图示)稀释。循环泵47通过马达驱动将循 环系统内的燃料废气循环供给到燃料电池组20。
电力系统50具有DC/DC转换器51、蓄电池52、牵引变换器53、 牵引电动机54及辅机类55。 DC/DC转换器51具有如下功能使从蓄 电池52供给的直流电压升压并输出到牵引变换器53的功能；和使燃 料电池组20发电的直流电力或牵引电动机54通过再生制动所回收的 再生电力降压并向蓄电池52充电的功能。通过DC/DC转换器51的这 些功能控制蓄电池52的充放电。另外，通过基于DC/DC转换器51的 电压变换控制，控制燃料电池组20的运转要素(输出电压、输出电流)。
蓄电池52作为剩余电力的贮存源、再生制动时的再生能源贮存
12源、伴随燃料电池车辆的加速或减速的负载变动时的能量缓冲器起作 用。作为蓄电池52优选例如镍/镉蓄电池、镍/氢蓄电池、锂二次电池 等的二次电池。
牵引变换器53是例如由脉冲宽度调制方式驱动的PWM变换器， 根据来自控制器70的控制指令，将从燃料电池组20或蓄电池52输出 的直流电压变换为三相交流电压，控制牵引电动机54的旋转转矩。牵 引电动机54例如是三相交流电动机，构成燃料电池车辆的动力源。
辅机类55是如下装置的统称配置于燃料电池系统10内的各部 中的各马达(例如泵类等的动力源)、用于驱动这些马达的变换器类 还有各种车载辅机类(例如空气压縮机、喷射器、冷却水循环泵、散
热器等)。
冷却系统60具有用于使在燃料电池组20的内部循环的致冷剂 流过的致冷剂通路61、 62、 63、 64;用于压送致冷剂的循环泵65;用 于在致冷剂和外部气体之间进行热交换的散热器66;用于切换致冷剂 的循环路径的三通阀67;及用于检测致冷剂温度的温度传感器74。在 预热运转结束后的通常运转时，三通闽67进行开关控制以使从燃料电 池组20流出的致冷剂流过致冷剂通路61、 64并在散热器66冷却后流 过致冷剂通路63而再次流入燃料电池组20。另一方面，在系统起动后 的预热运转时，三通阀67进行开关控制以使从燃料电池组20流出的 致冷剂流过致冷剂通路61、 62、 63而再次流入燃料电池组20。
致冷剂温度代表燃料电池组20的温度(催化剂温度)，作为用于 使电池运转控制最优化的指标之一被利用。
控制器70是具有CPU、 ROM、 RAM及输入输出接口等的计算机 系统，作为用于控制燃料电池系统IO的各部(氧化气体供给系统30、 燃料气体供给系统40、电力系统50及冷却系统60)的控制装置起作
13用。例如，控制器70接收从点火开关输出的起动信号IG后，开始燃 料电池系统IO的运转，基于从油门传感器输出的油门开度信号ACC、 从车速传感器输出的车速信号VC等求出系统整体的要求电力。
系统整体的要求电力是车辆行驶电力和辅机电力的总计值。在辅 机电力中包含有车载辅机类(加湿器、空气压縮机、氢泵及冷却水循 环泵等)所消耗的电力、车辆行驶需要的装置(变速器、车轮控制装 置、转向装置及悬架装置等)所消耗的电力、设置于乘客空间内的装 置(空调装置、照明设备及音响等)所消耗的电力等。
并且，控制器70决定燃料电池组20和蓄电池52各自的输出电力 的分配，控制氧化气体供给系统30及燃料气体供给系统40以使燃料 电池组20的发电量与目标电力一致，并且控制DC/DC转换器51，通 过调整燃料电池组20的输出电压来控制燃料电池组20的运转要素(输 出电压、输出电流)。进而，控制器70为了获得对应于油门开度的目 标车速，例如，作为开关指令，将U相、V相及W相的各交流电压指 令值输出到牵引变换器53，并控制牵引电动机54的输出转矩及转速。
图2是构成燃料电池组20的单体电池21的分解透视图。
单体电池21由电解质膜22、阳极23、阴极24和隔板26、 27构 成。阳极23及阴极24是从两侧夹持电解质膜22而形成夹层构造的扩 散电极。由不透过气的导电性部件构成的隔板26、 27进一步从两侧夹 持所述夹层构造，在阳极23及阴极24之间分别形成燃料气体及氧化 气体的流路。在隔板26上形成有剖面凹状的肋26a。阳极23抵接到肋 26a上，从而封闭肋26a的开口部，形成燃料气体流路。在隔板27上 形成有剖面凹状的肋27a。阴极24抵接到肋27a上，从而封闭肋27a 的开口部，形成氧化气体流路。
阳极23以担载铂类的金属催化剂的碳粉末为主要成分，具有与电
14解质膜22相连的催化剂层23a和形成于催化剂层23a的表面、同时具 有通气性和电子导电性的气体扩散层23b。同样地，阴极24具有催化 剂层24a和气体扩散层24b。更详细地，催化剂层23a、 24a是使担载 铂或由铂和其他的金属构成的合金的碳粉分散到适当的有机溶剂中， 适量地添加电解质溶液来胶化，并在电解质膜22上形成的层。气体扩 散层23b、 24b通过由碳纤维构成的纱线织成的碳布、碳纸或石墨毡形 成。电解质膜22是固体高分子材料，例如使由氟类树脂形成的质子传 导性的离子交换膜，在湿润的状态发挥良好的电传导性。由电解质膜 22、阳极23及阴极24形成膜-电极组件25。
(实施例1)
接着，对实施例1的单体电池电压管理的概要进行说明。
控制器70以使单体电池电压不低于下限电压Vth的方式进行运转 限制，同时进行运转控制，并根据燃料电池组20的运转状态改变运转 限制的条件。所谓运转状态是统称与单体电池电压降低原因(反应气 体供给不足、组温度降低等)相关的物理量的概念。所谓运转限制的 条件是指用于限制电池运转的条件(例如表示发电允许范围的下限的 下限电压Vth)。希望电池组温度越低运转限制的条件越放宽。例如， 希望将低温起动时的下限电压Vth设定为比通常运转时的下限电压Vth 低(所谓通常运转是指预热运转结束后的在适于电池运转的温度范围 内的电池运转。通常运转与通常发电是相同的意思。所谓低温起动是 指由于起动时的温度在规定的温度以下，需要预热运转的起动)。另 外，也可以使下限电压Vth具有温度特性以使下限电压Vth随着温度 降低逐渐减低。
在单体电池电压减低的原因是向阳极23的燃料气体不足的情况 下，单体电池21变为逆电位的状态下的持续发电给予单体电池21的 损坏较大，因此将下限电压Vth设定得较高，并严格地限制单体电池 电压降低，以使逆电位不会产生。希望相对于不会过多或不足地与氧反应所需的氢(理论值)的供给氢的不足量越多，将下限电压Vth设 定得越高。
另一方面，在单体电池电压降低的原因是向阴极24的氧化气体不
足的情况下，单体电池21变为逆电位的状态下的持续发电给予单体电 池21的损坏比燃料气体不足时小，因此优选为了允许逆电位的产生， 将氧化气体不足时的下限电压Vth设定为比燃料气体不足时的下限电 压低，相对放宽单体电池电压降低的限制。希望相对于与氢不会过多 或不足地反应所需的氧(理论值)的供给氢的不足量较多时的下限电 压Vth设定为比供给氢的不足量较少时的下限电压Vth更高。
对单体电池电压减低的原因和下限电压Vth之间的关系进行概 述，在燃料气体不足时的温度和氧化气体不足时的温度相同的条件下， 燃料气体不足给予燃料电池组20的损坏比氧化气体不足给予燃料电池 组20的损坏大，因此希望将燃料气体不足时的下限电压Vth设定为比 氧化气体不足时的下限电压Vth高。
图3是表示通常运转时的单体电池电压管理程序的流程图。
所述程序在通常运转时以一定周期间隔调出，由控制器70反复执 行。并且，在所述程序中，将下限电压Vth作为变量变量、将VthO作 为由温度决定的常数(反应气体不会不足地进行供给时的下限电压)、 将Vh作为根据相对于与氢不会不足地反应所需的氢(理论值)的供给 氢的不足量所决定的常数(下限电压增加量)、将Va作为根据相对于 与氢不会过多或不足地反应所需的氢(理论值)的供给氢的不足量所 决定的常数(下限电压增加量)来处理，在每个运算周期更新下限电 压Vth的值。
控制器70判断燃料气体是否不足(步骤301)。在燃料气体不足 的情况下(步骤301;是)，控制器70将下限电压Vth的值更新为在VthO上加上Vh后的值(步骤305)。此时，相对于与氧不会过多或不 足地反应所需的氢(理论值)的供给氢的不足量越多，Vh的值越大。 作为本发明的一个优选实施方式，优选进行使Vh的值与供给氢的不足 量成比例地变大的比例控制。
在此，在燃料气体不足时的温度和氧化气体不足时的温度相同的 条件下，使Vh的值比Va的值大。
在燃料气体没有不足的情况下(步骤301;否)，控制器70判断 氧化气体是否不足(步骤302)。在氧化气体不足的情况下(步骤302; 是)，控制器70将下限电压Vth的值更新为在VthO上加上Va后的值 (步骤304)。此时，相对于与氢不会过多或不足地反应所需的氧(理 论值)的供给氧的不足量越多，使Va的值越大。作为本发明的一个优 选实施方式，优选进行使Va的值与供给氢的不足量成比例地变大的比 例控制。
在氧化气体没有不足的情况下(步骤302;否)，控制器70将下 限电压Vth的值更新为VthO (步骤303)。
并且，控制器70判断单体电池电压是否低于下限电压Vth (步骤 306)。在单体电池电压在下限电压Vth以上的情况下(步骤306;否)， 控制器70跳出单体电池电压管理程序而结束。在单体电池电压低于下 限电压Vth的情况下(步骤306;是)，控制器70实施单体电池电压 恢复处理(步骤307)。
作为单体电池电压恢复处理，希望实施如下处理中的任意一个
用于解除反应气体不足的处理(例如，作为用于解除燃料气体不足的 处理执行如下的处理通过控制喷射器44，使向燃料电池组20供给的 燃料气体供给压力上升，或通过控制循环泵47的转速，使流入燃料电 池组20的燃料气体流量增加等。作为用于解除氧化气体不足的处理执行例如如下的处理控制空气压縮机32的转速，并增加流入燃料电池
组20的氧化气体供给量等。)；限制燃料电池组20的输出电流的处 理(例如，控制DC/DC转换器51以限制从燃料电池组20输出的电流 的处理)；和发电停止的处理，以尝试单体电池电压恢复。
存在由于限制燃料电池组20的输出，燃料电池组20的输出不满 足系统要求电力的情况。在这样的情况下，从蓄电池52补充不足电力。
接着，参照图4及图5，对判断反应气体不足的处理进行说明。 所述判断处理在上述的步骤301、 302中实施。
图4是表示在存在负载变动的过渡的发电状态下产生反应气体不 足时的燃料电池组20的I-V特性(电流对电压特性)。实线表示产生 燃料气体不足时的I-V特性，虚线是表示产生氧化气体不足时的I-V特 性。如本图表所示，可知产生燃料气体不足时的I AV/AII比产生氧 化气体不足时的I AV/AI I大。其理由能够如下所述进行说明。
如果燃料气体不足，则由于仅由阳极23的氧化反应(H2—2H++2e—) 获得的质子不能维持发电电流，因此单体电池21通过水电解产生质子， 以补偿燃料气体不足。此时，单体电池21从其他的单体电池21获得
能量，使阳极电位急速升压到水电解进行的电位，从而电解水。其结 果是阳极电位相比阴极电位急速升高，单体电池电压急速地变为负数 (逆电位)。这是指产生燃料气体不足时的I AV/AII比未产生燃料 气体不足时的I AV/All大。在此，需要注意在V降低的情况下，△ V/AI变为负值。
优选检测在OV附近的电压变化并判断是由燃料气体不足造成的 逆电位还是由氧化气体不足造成的逆电位。例如，能够通过检测0.6V 以下的电压变化判断作为绝对值较大的电压变化的逆电位是由燃料气 体不足造成的还是由氧化气体不足造成的。然而，阳极电位变为高电位后，担心铂催化剂离子化并溶出，或 担载铂催化剂的碳氧化。由于这些现象变为使催化剂性能降低的原因， 因此需要避免逆电位。
另一方面，如果氧化气体不足，则从阳极23通过电解质膜22到 达阴极24的质子不能和氧反应，因此与流过外部回路(电力系统50) 的电子结合而产生氢(2H++2e'—H2)。此时的I AV/AI | ，由于电解 质膜22的欧姆电阻是支配性的，因此在产生氧化气体的不足的情况下 的I AV/AI I和未产生氧化气体不足的情况下的I A V/AI I之间很 难看到较大的差异。
总结以上的考察，在存在负载变动的过渡的发电状态下，在燃料 气体不足时(4)成立，在氧化气体不足时(5)式成立。在此，阈值X (T)是温度T的函数。
I A V/AI I》X(T)…(4) I A V/AI I <X(T)." (5)
图5表示在没有负载变动的稳定的发电状态中产生反应气体不足 时的燃料电池组20的V-t特性(电压对时间特性)。即使负载(负载 电流) 一定，由于在燃料电池组20内部的气体流路中不断地有包含水 分的气体流过，因此存在由于较大的水滴覆盖电极表面等的理由偶发 性地产生溢流，引起暂时性的反应气体不足的情况。实线是表示产生 燃料气体不足时的V-t特性，虚线是表示产生氧化气体不足时的V-t特 性。如本图表所示，可知产生燃料气体不足时的I AV/At|比产生氧 气不足时的I AV/At|大。其理由能够以与存在负载变动的过渡的发 电状态下产生反应气体不足时的燃料电池组20的I-V特性的变化相同 的理由进行说明。在此，在V降低的情况下，注意AV/At变为负值。
总结以上的考察，在没有负载变动的稳定的发电状态下，在燃料
19气体不足时(6)成立，在氧化气体不足时(7)式成立。在此阈值Y
(T)是温度T的函数。
I A V/At I ^Y(T)…(6) I A V/At I <Y(T)". (7)
从上述的说明可知，控制器70作为如下装置起作用判断单体电 池电压降低的原因是燃料气体不足还是氧化气体不足的判断装置；根 据单体电池电压降低原因设定下限电压的下限电压设定装置；及控制
燃料电池组20的输出电压以使单体电池电压不低于下限电压的控制装置。
(实施例2)
接着，对实施例2的低温环境下的单体电池电压管理进行说明。
图6是表示低温起动过程的流程图。所述过程在低效率运转时调 出，由控制器70执行。所谓低效率运转是指通过将空气过剩比设定在 1.0左右来控制向燃料电池组20的反应气体供给量，使电力损失变高 并以较低的发电效率运转。所谓空气过剩比是指氧剩余率，表示相对 于与氢不会过多或不足地反应所需的氧的供给氧剩余多少。如果将空 气过剩比设定得较低并实施低效率运转后，浓度过电压变大，因此通 过氢和氧的反应取出的能量中热损失(电力损失)增大。低效率运转 是为了例如在低温起动时等的情况下有意地增大热损失，从而迅速地 预热燃料电池组20而被利用。
控制器70接收来自点火开关输出的起动信号IG后(步骤601; 是)，读取温度传感器74的检测值，判断致冷剂温度T是否低于阈值 温度T0(步骤602)。阈值温度TO是判断是否实施低效率运转的基准
的温度，例如设定在ot:附近的温度。
在致冷剂温度T低于TO的情况下(步骤602;否)，不需要实施
20低效率运转，因此控制器70跳出低温起动过程，实施通常起动处理程 序(未图示)。
另一方面，在致冷剂温度T低于阈值温度T0的情况下(步骤602; 是)，控制器70通过縮小节流阀35的阀开度而将空气过剩比设定在 1.0左右，实施低效率运转(步骤603)。通过由实施低效率运转产生 的热损失(热能)预热燃料电池组20。
控制器70将Vth0减去Va后的值作为下限电压Vth更新(步骤
604) 。此时，温度越低Va的值越大。
并且，控制器70判断单体电池电压是否低于下限电压Vth (步骤
605) 。在单体电池电压低于下限电压Vth的情况下(步骤605;是)， 控制器70实施单体电池电压恢复处理(步骤606)。在单体电池电压 为下限电压Vth以上的情况下(步骤605;否)，控制器70跳过单体 电池电压恢复处理。
控制器70读取温度传感器74的检测值，判断致冷剂温度T是否 超过阈值温度T1 (步骤607)。阈值温度T1是作为判断预热处理是否 结束的基准的温度。
在致冷剂温度T未超过阈值温度T1的情况下(步骤607;是)， 控制器70返回步骤603的处理。在致冷剂温度T超过阈值温度Tl的 情况下(步骤607;否)，控制器70跳出低温起动程序。
这样，在低温环境下有意地作出氧化气体不足的低效率运转时， 在单体电池21变为逆电位的状态下的持续发电给予单体电池21的损 坏比通常运转时的氧化气体不足给予单体电池21的损坏小，因此为了 允许逆电位的产生，将低效率运转时设定的下限电压Vth调整为比通 常运转时设定的下限电压低，放宽单体电池电压降低的限制。
21在实施方式1中，对将燃料气体不足时设定的下限电压Vth调整 为比氧化气体不足时设定的下限电压Vth高的情况进行了说明(步骤
304、 305)，这是以燃料气体不足时的温度和氧化气体不足时的温度 相同为前提的。在温度一定的条件下，燃料气体不足给予燃料电池组 20的损坏比氧化气体不足给予燃料电池组20的损坏大，因此需要根据 单体电池电压降低的原因调整下限电压Vth。与此相对地，在实施方式 2中，将低效运转时设定的下限电压Vth调整为比通常运转时设定的下 限电压Vth低(步骤604)。其理由是低效运转时的燃料电池组20的 温度比通常运转时的燃料电池组20的温度低，因此给予燃料电池组20 损坏的电化学反应的活性降低。
因此，将低效率运转时设定的下限电压Vth调整为比通常运转时 设定的下限电压Vth低的情况(步骤604)在燃料气体不足时的温度和 氧化气体不足时的温度相同的条件下，与将燃料气体不足时设定的下 限电压Vth调整为比氧化气体不足时设定的下限电压Vth高的情况(步 骤304、 305)不矛盾。
在实施例1及实施例2中，单体电池是否低于下限电压Vth的判 断(步骤306、 606)可以以一个单体电池21的单体电池电压为单位进 行判断，也可以以多个单体电池21的单体电池电压的总计值为单位进 行判断。
根据实施例1及实施例2的燃料电池系统10，由于对应于单体电 池电压降低原因地改变下限电压，因此能够灵活地改变发电允许范围。
(实施方式3)
接着，对实施例3的单体电池电压管理进行说明。在此说明的单 体电池电压管理主要是假想通常运转时被使用的情况，但是由于原理 上没有温度限制，因此也能够适用于低温环境下(例如，低效率运转时)。
(1)基于单体电池电极电位的单体电池电压管理 图7是表示起动时、通常运转时、氧化气体不足时及燃料气体不 足时的各时点的电极电位的变化。在起动时，燃料电池组20的输出电
压设定为开放端电压，因此输出电流为零。此时，在阴极电位CA1看
不到由直流电阻成分的影响引起的电压下降，设定为开放端电位。另
夕卜，阳极电位AN1为原来的零电位。起动时的单体电池电压VC1与从 起动时的阴极电位CA1减去起动时的阳极电位AN1所得到的电压值 (开放端电压)相等。单位单体电池的单体电池电压VC1约为l.OV。
在通常运转时，阳极电位AN2升压至由电化学反应决定的规定的 正电位，另一方面，在阴极电位CA2受到直流电阻成分引起的影响， 从而可见电压降低IR2。通常运转时的单体电池电压VC2与从通常运 转时的阴极电位CA2减去通常运转时的阳极电位AN2所得的电压值 VC2相等。单位单体电池的单体电池电压VC2大约为0.6V。
在氧化气体不足时，阳极电位AN3与通常运转时的阳极电位AN2 相比较几乎看不到电位变动。另一方面，阴极电位CA3降低到比通常 运转时的阴极电位CA2低的电位，进而由于受到直流电阻成分引起的 影响而可见电压降低IR3，因此阴极电位CA3降低到比阳极电位AN3 低的电位。氧化气体不足时的单体电池电压VC3与从氧化气体不足时 的阴极电位CA3减去氧化气体不足时的阳极电位AN3所得的电压值 VC3相等。阴极电位CA3比阳极电位AN3电位低，因此单体电池电压 VC3是负电压。
在燃料气体不足时，阴极电位CA4受到直流电阻成分引起的影响 而可见电压降低IR4，但是与通常运转时的阴极电位CA2相比较几乎 看不到电位变动。另一方面，阳极电位AN4升到比通常运转时的阳极 电位AN2高的电位，并且通过电解水产生质子，从而补充燃料气体不
23足。燃料气体不足时的单体电池电压VC4与从燃料气体不足时的阴极
电位CA4减去燃料气体不足时的阳极电位AN4所得的电压值VC4相 等。由于阴极电位CA4比阳极电位AN4低，因此单体电池电压VC4 是负电压。
在此，应注意的一点是，在氧化气体不足时，阳极电位AN3未超 过规定的阈值电位Van，与此相对，在燃料气体不足时，阳极电位AN4 由于通过电解水产生质子，因此超过阈值电位Van。作为阈值电位Van 可以设定在电解水时阳极电位到达的电位范围中、包含于膜-电极组件 25的催化剂层的铂催化剂开始离子化的电位附近(例如，1.3V)。将 用于测定阳极电位的测定回路(未图示)封装在燃料电池组20内，从 而控制器70能够基于阳极电位判断反应气体不足。
例如，控制器70以规定的运算周期间隔监视来自单体电池监视器 73的输出信号，并在检测出单体电池电压落入负电压时比较阳极电位 和阈值电位Van。该比较的结果，在阳极电位超过阈值电位Van时判 断为燃料气体不足，在阳极电位低于阈值电位Van时判断为氧化气体 不足。所述判断处理能够适用于实施例1的燃料气体不足判断处理(步 骤301)及氧化气体不足判断处理(步骤302)。并且，在判断为燃料 气体不足时实施实施例1的步骤305、 306、 307的处理，在判断为氧 化气体不足时实施实施例1的步骤304、 306、 307的处理。但是，在 氧化气体不足的情况下，由于没有给予单体电池21电化学性的损坏， 因此也可以省略输出限制处理等的单体电池电压恢复处理(步骤307)， 允许单体电池电压低于负电压。
根据基于上述单体电池的电极电位的单体电池电压管理，由于能 够区别单体电池电压降低的原因是燃料气体不足还是氧化气体不足， 因此能够在判断产生氧化气体不足时，不进行输出限制，允许单体电 池电压降低，避免驾驶性能恶化。(2)基于I-V特性映射的单体电池电压管理
图8是表示单体电池21的I-V特性的映射，横轴表示单体电池电 流，纵轴表示单体电池电压。I-V特性的映射801表示设想不会过多或 不足地向单体电池21供给反应气体的状况的通常运转时的I-V特性。 I-V特性映射802是表示设想向单体电池21的燃料气体供给不足的状 况、且生成用于补充燃料气体不足的质子所需的充分的水分蓄积在燃 料电池组20内部的状况的I-V特性。在这样的状况下，由于生成质子 所需的水分充分地存在，因此水电解时的单体电池电压的降低变为最 小。在此应该注意的一点是，即使由于任何原因电压落入负电压，只 要此时的单体电池电压属于允许范围803，至少保证单体电池电压降低 的原因不是燃料气体不足。在此，允许范围803是单体电池电压变为 负电压的范围，且是I-V特性映射802的上侧的范围。但是，希望注意 的是即使单体电池电压低于I-V特性映射802，也未必一定产生燃料气 体不足。通过利用所述特性能够判断有无燃料气体不足。
例如，控制器70以规定的运算周期间隔监视来自单体电池控制器 73输出的信号，检测出单体电池电压落入负电压后，对I-V特性映射 802的电压值(对应于单体电池电压落入负电压时的单体电池电流的 I-V特性映射802上的单体电池电压)和实际的单体电池电压进行比较。 该比较的结果，在实际的单体电池电压高于I-V特性映射802的电压值 的情况下(实际的单体电池电压属于允许范围803的情况)，判断未 产生燃料气体不足。所述判断处理能够适用于实施例1的燃料气体不 足判断处理(步骤301)。并且，在判断为燃料气体不足时实施实施例 l的步骤305、 306、 307。在未产生燃料气体不足时的单体电池电压降 低由于未给予单体电池21损坏，因此这样的单体电池电压降低可被允 许。进而不需要燃料电池组20的输出限制。I-V特性映射802保持于 可从控制器7访问的存储器即可。
接着，参照图9至图11，对基于I-V特性的单体电池电压管理的 各种变形例进行说明。图9表示考虑了温度特性的I-V特性映射802。I-V特性映射802A、 802B、 802C表示设想分别在不同的温度环境下，向单体电池21的燃 料气体供给不足，并且生成用于补充燃料气体不足的质子所需的充分 的水分蓄积在燃料电池组20内部的状况的I-V特性。由于活性化过电 压的绝对值伴随着温度降低而变大，因此在低电流域的单体电池电压 降低的程度变大。另外，由于质子输送电阻伴随着温度降低变大，因 此I-V特性的线形区域的倾斜变大。根据这样的理由，I-V特性映射802B 表示比I-V特性映射802A更低温的环境下的I-V特性，I-V特性映射 802C表示比I-V特性映射802B更低温的环境下的I-V特性。如这些的 I-V特性映射802A、 802B、 802C所示，可知伴随着温度降低单体电池 电压降低的允许范围803逐渐扩大。通过使用考虑温度特性的I-V特性 映射802，可进行更细的单体电池电压管理。
图IO是表示考虑了将控制延迟时间换算为电压值的裕度805而校 正的I-V特性映射804。如果在燃料气体不足时实施水的电分解，则单 体电池电压比较急速地降低。因此，即使在落入到单体电池电压允许 范围803中比较靠近的I-V特性映射802部位的阶段判断为未产生燃料 气体不足，在产生燃料气体不足的情况下，其后，单体电池电压也会 在短时间内大幅低于I-V特性映射802。单体电池电压大幅降低时，阳 极电位超过上述阈值电位Van而升压，担心包含于膜-电极组件25的 催化剂层的铂催化剂离子化。通过考虑了将控制延迟时间换算为电压 值的裕度805而校正I-V特性映射802，使用通过这样的校正获得的I-V 特性映射804来判断反应气体不足，能够解除控制延迟。作为控制延 迟时间使用将单体电池电压管理所需的各种处理的所需时间(单体电 池电压取样时间、反应气体不足判断时间等)和控制系统的机械性的 响应延迟时间等相加后的时间即可。
图11表示简化的I-V特性映射806。 I-V特性映射806是与单体 电池电流没有关系地具有一定值VO的映射数据。 一定值VO能够作为与I-V特性映射802的单体电池电流=0对应的单体电池电压求出。作
为判断有无燃料气体不足的基准的阈值电压，通过设定i-v特性映射
802上的最高的电压值V0，能够在全部的单体电池电流范围中基于电 压VO判断有无燃料气体不足，因此能够简化单体电池电压管理。在这 种情况下，可以预先算出与各不同温度对应的电压值V0，并基于考虑 了温度特性的I-V特性映射806实施单体电池电压管理，或也可以在电 池运转中假想的全部的温度范围内，预先计算出作为判断有无燃料气 体不足的基准的电压值，并将该电压值作为I-V特性映射806。
使用考虑了温度特性的I-V特性映射802A、 802B、 802C (图9)、 考虑了控制时间延迟的I-V特性映射804 (图10)、或简化了的I-V特 性映射806 (图11)的燃料气体不足的判断处理与使用I-V特性映射 802 (图8)的燃料气体不足的判断处理相同。另外，如图9至图11所 示的I-V特性映射802 (802A、 802B、 802C) 、 804、 806不需要一定 单独使用，也可以组合各特征使用。
根据基于上述I-V特性映射的单体电池电压管理，通过使用水电 解时的单体电池电压的降低为最小的I-V特性映射802、 804、 806，可 以确定能够可靠地保证不产生燃料气体不足的单体电池电压的允许范 围803。在判断为未产生燃料气体不足时，能够允许单体电池电压降低， 因此不需要输出限制，能够避免驾驶性能的恶化。
在上述实施例1至实施例3中，例示了将燃料电池系统IO作为车 载电源系统使用的利用方式，但是燃料电池系统10的利用方式不限于 此。例如，也可以将燃料电池系统IO作为燃料电池车辆以外的移动体 (机器人、船舶、飞机等)的电力源搭载。另外，也可以将燃料电池 系统10作为住宅、大厦等的发电设备(定置用发电系统)使用。
根据本发明，与燃料电池的运转状态对应地改变下限电压，从而 能够灵活地改变发电允许范围。另外，根据本发明，能够判断单体电池电压降低的原因是燃料气体不足还是氧化气体不足，并与单体电池 电压降低的原因对应地适当地管理单体电池电压。
权利要求
1.一种燃料电池系统，具有燃料电池，接收燃料气体和氧化气体的供给而发电；判断装置，判断上述燃料电池的运转状态是燃料气体不足还是氧化气体不足；下限电压设定装置，当由上述判断装置判断是燃料气体不足时将下限电压设定为比判断是氧化气体不足时高；和控制装置，控制上述燃料电池的输出电压以使其不低于由上述下限电压设定装置设定的下限电压。
2. —种燃料电池系统，具有燃料电池，接收燃料气体和氧化气体的供给而发电； 下限电压设定装置，将低效率运转时的下限电压设定为比通常运转时的下限电压低；和控制装置，控制上述燃料电池的输出电压以使其不低于由上述下限电压设定装置设定的下限电压。
3. 如权利要求2所述的燃料电池系统，上述控制装置在起动上述燃料电池系统时的温度为规定值以下时 实施上述低效率运转。
4. 如权利要求2所述的燃料电池系统，上述下限电压设定装置在低效率运转时产生燃料气体不足时将下 限电压设定为比在通常运转时产生燃料气体不足时低。
5. 如权利要求1所述的燃料电池系统，上述燃料电池的温度越低，上述下限电压设定装置将上述下限电 压设定得越低。
6. 如权利要求1所述的燃料电池系统，上述控制装置在上述燃料电池的输出电压低于上述下限电压时， 实施如下处理中的任意一种处理增加向上述燃料电池的燃料气体供 给量或氧化气体供给量的处理；限制上述燃料电池的输出电流的处理; 和停止发电的处理。
7. 如权利要求1所述的燃料电池系统，在存在负载变动的过渡的发电状态中，设上述燃料电池的输出电 压的变化为AV、上述燃料电池的输出电流的变化为AI时，上述判断 装置计算出I AV/AI I ，并在上述I AV/AI I为第一阈值以上时判断 为燃料气体不足，在上述I AV/AI I低于上述第一阈值时判断为氧化 气体不足。
8. 如权利要求1所述的燃料电池系统，在没有负载变动的稳定的发电状态中，设上述燃料电池的输出电 压的变化为AV、时间变化为At时，上述判断装置计算出I AV/At| ， 并在上述I AV/At I为第二阈值以上时判断为燃料气体不足，在上述 I AV/At I低于上述第二阈值时判断为氧化气体不足。
9. 如权利要求1所述的燃料电池系统，上述判断装置在上述燃料电池的阳极电位超过规定的阈值电位 时，判断为产生燃料气体不足，在上述阳极电位低于上述阈值电位时， 判断为产生氧化气体不足。
10. 如权利要求1所述的燃料电池系统，上述判断装置计算出在水电解时上述燃料电池的阳极电位的下降为最小的条件下作成的电流对电压特性映射上的单体电池电压，并在 实际的单体电池电压比上述电流对电压特性映射上的单体电池电压高时，判断为未产生燃料气体不足。
11. 如权利要求io所述的燃料电池系统，上述电流对电压特性映射是具有温度特性的映射数据。
12. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，上述电流对电压特性映射是在考虑单体电池电压控制所需的控制 延迟时间的基础上预先进行了校正的映射数据。
13. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，上述电流对电压特性映射是与单体电池电流无关地具有一定电压 值的映射数据。
全文摘要
一种燃料电池系统，判断燃料电池的运转状态是燃料气体不足还是氧化气体不足(步骤301、302)，当判断是燃料气体不足时(步骤301；是)将下限电压设定为比判断是氧化气体不足时高(步骤305)，控制燃料电池的输出电压以使燃料电池的输出电压不低于下限电压(步骤306、307)。
文档编号H01M8/04GK101558524SQ20088000108
公开日2009年10月14日 申请日期2008年5月26日 优先权日2007年5月29日
发明者滨田仁, 窪英树, 能登博则 申请人:丰田自动车株式会社