燃料电池系统以及对燃料电池的控制方法

专利名称：燃料电池系统以及对燃料电池的控制方法
技术领域：
本发明一般涉及燃料电池系统以及对在该燃料电池系统中设置的燃料电池的控 制方法。
背景技术：
作为能量源，通过燃料气体(例如氢)和氧化剂气体(例如氧)之间的电化学反 应发电的燃料电池引人注目。燃料电池设置有通过将阳极和阴极接合到电解质膜(例如， 具有质子传导性的固体聚合物膜)的两个相反侧而形成的发电体(例如，膜电极组件)。从 发电体的阳极被供给来自燃料气体通道的燃料气体，并且阴极被供给来自氧化剂气体通道 的氧化剂气体。在通过将阳极和阴极接合到具有质子传导性的电解质膜的两个相反表面而形成 的膜电极组件被用作上述发电体的情况下，被供给到膜电极组件的阴极的氧化剂气体通常 为包含氧的空气。在空气被用作氧化剂气体的情况下，包含在空气中且对发电没有贡献的 杂质气体(例如氮气等)穿过电解质膜从阴极侧渗透到阳极侧。由于即使在发电停止期间杂质气体从阴极侧到阳极侧的渗透也继续发生，在长时 间停止发电的情况下，杂质气体充满阳极。于是，在所谓的阳极封闭端(dead-end)型燃料 电池中，不能执行阳极废气向燃料电池外部排出，在该阳极封闭端型燃料电池中，被供给到 阳极的基本上全量的燃料气体被用于发电，同时滞留在燃料电池内而不被排出到燃料电池 的外部。因此在阳极封闭端型燃料电池中，如果在启动燃料电池时将燃料气体供给到阳极， 则由于燃料气体的流动，阳极中的杂质气体逐渐局域地滞留在燃料气体的流动方向上的下 游区域中。于是，在处于该状态的燃料电池被连接到负载且导致发电的情况下，与在杂质气 体不在其中滞留的区域相比，在膜电极组件中的杂质气体滞留于其中的区域中，燃料气体 的浓度变得较低。结果，膜电极组件中的发电的分布变得不均勻，导致发电效率降低。考虑将包括上述燃料电池的燃料电池系统安装作为电动车辆的电源。在该情况 下，如果在杂质气体滞留于阳极的一部分中的条件下发电且将电力供给到负载，则电池电 压降低，影响车辆(系统)的操作。在其中多个膜电极组件层叠而其间设置有隔离体的燃料电池叠层中，如果在任何 一个膜电极组件中燃料气体的浓度降低，则该膜电极组件的电动势降低，从而在该膜电极 组件的阳极与阴极之间发生反向电压。通常，膜电极组件的阳极和阴极均由催化剂层和气 体扩散层构成。在许多情况下，在催化剂层中使用负载催化剂金属的碳。因此，如果在膜电 极组件的阳极与阴极之间发生反向电压，则出现由于碳的氧化而使该膜电极组件的阳极侧 催化剂层劣化的问题。该碳氧化以下的式(1)表示。C+2H20 — C02+4e>4H+. · · (1)

发明内容
本发明提供一种燃料电池系统以及对该系统的控制方法，该燃料电池系统包括阳
5极封闭端型燃料电池，其中在燃料电池启动时发电体的阳极中的杂质气体的局域滞留所引 起的问题受到抑制。本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括燃料电池，其 包括通过将阳极接合到电解质膜的一个表面且将阴极接合到所述电解质膜的另一表面而 形成的发电体，并且其在供给到所述阳极的燃料气体不向外部排出而滞留在内部时发电； 燃料气体供给部分，其将所述燃料气体供给到所述阳极；氧化剂气体供给部分，其将氧化剂 气体供给到所述阴极，所述氧化剂气体包含氧和除了氧之外的杂质气体；阴极废气排出部 分，其将阴极废气排出到所述燃料电池的外部，所述阴极废气是在所述阴极中未用于发电 而剩下的氧化剂气体；要求输出的输入部分，其输入负载所要求的要求输出；以及输出控 制部分，其基于输入的要求输出而控制所述燃料电池的输出。所述输出控制部分基于输入 的要求输出而控制所述燃料气体供给部分、所述氧化剂气体供给部分和所述阴极废气排出 部分，并且使得所述燃料气体被供给到所述阳极，且使得所述氧化剂气体被供给到所述阴 极，且使得所述阴极废气从所述阴极排出，并且在所述燃料电池的启动时，所述输出控制部 分将所述燃料电池的输出限制为小于所述要求输出的输出。在根据本发明的第一方面的燃料电池系统中，在阳极封闭端型燃料电池的启动 时，输出控制部分将燃料电池的输出限制为小于负载所要求的输出的输出。因此，可以限制 在燃料电池的启动时由发电体的阳极中的杂质气体的局域滞留而引起的上述问题。此外， 在使用膜电极组件作为发电体的情况下，为了防止膜电极组件的阳极的催化剂层的碳氧 化，输出控制部分对燃料电池的输出的限制可以是禁止燃料电池的输出。所述燃料电池系统还包括电存储装置，并且，在燃料电池的输出限制(启动)时， 所述输出控制部分使得所述电存储装置供给全量的由所述负载所要求的所述要求输出，或 者使得从所述燃料电池向所述负载供给的电力的量少于所要求的量的电量。利用该结构， 该燃料电池系统可快速地向负载供给电力。此外，在解除了对燃料电池的输出限制之后，可 以将由燃料电池产生的电力存储到电存储装置中。顺便提及，“负载所要求的要求输出”意味着“负载要求燃料电池系统的要求输 出”，并且“要求燃料电池的要求输出”包括“要求燃料电池的要求输出”和“要求电存储装 置(在燃料电池系统中设置有电存储装置的情况下)的要求输出”。这里，阳极封闭端操作意味着当燃料气体继续被供给到阳极侧但不从阳极侧排出 时继续发电。结果，当供给的基本上全量的燃料气体至少在稳定发电时滞留在阳极侧时，执 行发电。在发电体包括通过将阳极和阴极接合到电解质膜的两个相反侧而形成的膜电极组 件且当燃料气体(通常为氢气或含氢气体)被供给到阳极侧时发电的情况下，被供给到阳 极的基本上全量的燃料气体被容纳在内部，且被用于发电而不被排出到外部。结果，被供给 燃料气体的阳极侧通常具有不将燃料气体排出或放出到外部的封闭结构。在该说明书中，将基本上全量的燃料气体被供给到燃料气体消耗层(阳极)的操 作方式称为封闭端操作。如果增加了其中从燃料气体消耗层抽取燃料气体且使用该燃料气 体而不旨在使来自燃料气体消耗层的燃料气体循环的设置时，不将这样的结构从封闭端操 作中排除。例如，可以设想这样的结构，其中设置有用于从燃料消耗层或从其上游抽取少量 燃料气体的通道，并且被抽取的燃料气体被燃烧以使附件等等预热。如果从燃料气体消耗 层或从其上游抽取的燃料气体不具有特殊意义，则燃料气体的这种消耗不在从本发明中的构思“在燃料气体消耗层中消耗了基本上全量的燃料气体”排除的结构之内。所述燃料电池还可被理解为这样的结构，该结构实现了其中在阳极电极(氢电 极)中的杂质(例如，氮)分压与阴极电极(空气电极)中的杂质(例如，氮)分压均衡的 均衡状态下连续地发电的操作状态。“均衡状态”在此意味着例如平衡状态，且不必意味着 其中两个分压相等的状态。所述燃料电池系统还包括判断部分，所述判断部分判断所述阳极中的所述杂质气 体的分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压之差是否小于预定值。如果在所述燃料电池 的启动之后的预定时刻，所述判断部分判断所述阳极中的所述杂质气体的分压与所述阴极 中的所述杂质气体的分压之差小于所述预定值，则所述输出控制部分根据所述输入的要求 输出而控制所述燃料电池的输出。所述阳极中的所述杂质气体的分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压之差小 于所述预定值包括所述各分压处于平衡状态。在阳极封闭端型燃料电池启动之后，S卩，在开始将燃料气体供给到发电体的阳极 之后，随着时间的流逝，由于所供给的燃料气体的浓度梯度或压力，已局域滞留在阳极的一 部分中的杂质气体经过电解质膜而渗透到阴极侧。因此，阳极中的杂质气体的分压与阴极 中的杂质气体的分压趋近于平衡状态。也就是，阳极中的燃料气体的分压与阴极中的氧的 分压趋近于平衡。在该燃料电池系统中，当判断部分判断出阳极中的杂质气体的分压与阴极中的杂 质气体的分压之差小于预定值时，即，当判断出阳极中的杂质气体的分压与阴极中的杂质 气体的分压趋近于平衡状态时，输出控制部分解除对燃料电池的输出限制，并且根据所述 输入的要求输出而控制燃料电池的输出。因此，可以抑制上述问题，并且可以开始根据要求 输出而从燃料电池输出。所述燃料电池系统还包括操作条件输入部分，其输入所述燃料电池的操作条件， 所述操作条件包括在所述燃料电池的启动时供给所述燃料气体的条件；表存储部分，其存 储这样的表，在该表中，记录所述操作条件和从所述燃料电池的启动直到所述阳极中的所 述杂质气体的分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压之差变为小于所述预定值所经过 的时间之间的对应关系；以及计时器，其测量在所述燃料电池的启动之后经过的时间。所述 判断部分通过设定所述直到所述阳极中的所述杂质气体的分压与所述阴极中的所述杂质 气体的分压之差变为小于所述预定值所经过的时间且通过参照所述计时器，判断所述阳极 中的所述杂质气体的分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压之差是否小于所述预定值。所述判断部分参照所述计时器包括比较所述计时器所测量的所述经过时间与所 述直到所述各分压之差变为小于所述预定值所经过的时间。从阳极封闭端型燃料电池的启动直到阳极中的杂质气体的分压与阴极中的杂质 气体的分压之差变为小于预定值所经过的时间，即，直到解除了对燃料电池的输出限制所 经过的时间，与燃料电池的操作条件有关，该操作条件包括燃料电池的启动时间操作条件。 它们之间的对应关系可以根据经验或通过分析而预先已知。在上述燃料电池系统中，可以通过基于上述表而设定直到阳极中的杂质气体的分 压与阴极中的杂质气体的分压之差变为小于预定值所经过的时间且通过参照上述计时器， 解除对燃料电池的输出限制。
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在所述燃料电池系统中，所述燃料气体的供给的条件包括所供给的所述燃料气体 的压力和所述发电体的温度中的至少一者。此外，所述燃料电池系统还包括检测所供给的 所述燃料气体的压力的压力传感器和检测所述发电体的温度的温度传感器中的至少一者。从阳极封闭端型燃料电池的启动直到阳极中的杂质气体的分压与阴极中的杂质 气体的分压之差变为小于预定值所经过的时间根据所供给的燃料气体的压力、发电体的温 度等等而变化。在该燃料电池系统中，可以基于所述表以及所供给的燃料气体的压力和发电体的 温度中的至少一者来设定直到阳极中的杂质气体的分压与阴极中的杂质气体的分压之差 变为小于预定值所经过的时间。在上述燃料电池系统中，所述操作条件还包括所述燃料电池的发电停止持续时 间，并且所述计时器还测量所述发电停止持续时间，并且所述判断部分通过考虑所述计时 器所测量的所述发电停止持续时间而设定所述直到所述阳极中的所述杂质气体的分压与 所述阴极中的所述杂质气体的分压之差变为小于所述预定值所经过的时间。例如，在燃料电池系统被安装在电动车辆中作为用于驱动电动机的电源的情况 下，负载在运行(包括红灯停止和相对短时间的停止)期间一直变化，从而在燃料电池系统 中，执行对执行燃料电池的发电和停止发电等等的控制。在发电的相对短时间的停止期间， 发生杂质气体的上述渗透，但与在发电的相对长时间的停止期间的渗透相比，其渗透量较 小。在上述燃料电池系统中，由于可以考虑燃料电池的发电停止持续时间而设定直到 阳极中的杂质气体的分压与阴极中的杂质气体的分压之差变为小于预定值所经过的时间， 因此可以更具体地设定直到对燃料电池的输出限制解除的时间。所述燃料电池系统还包括检测所述阳极中的所述杂质气体或所述燃料气体的浓 度的浓度传感器。所述判断部分基于所述浓度传感器所检测的所述杂质气体或所述燃料气 体的浓度而判断所述阳极中的所述杂质气体的分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压 之差是否小于所述预定值。在该燃料电池中，可通过浓度传感器直接检测杂质气体或燃料气体的浓度，并且 可以判断是否允许解除对燃料电池的输出限制。所述浓度传感器被设置在所述燃料电池的启动时所述杂质气体可能滞留的区域 中。所述浓度传感器被设置在所述阳极中的在所述燃料气体的流动方向上的下游区 域中。所述燃料电池系统还包括检测所述阳极与所述阴极之间的电压的电压检测部分。 所述判断部分基于所述电压检测部分所检测的电压而判断所述阳极中的所述杂质气体的 分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压之差是否小于所述预定值。在杂质气体局域地滞留在燃料电池中的情况下，阳极与阴极之间的电压(所谓的 电池电压)低于杂质气体不局域地滞留的情况。在上述燃料电池系统中，可以基于电压检测部分所检测的电压(所谓的电池电 压)而判断是否允许解除对燃料电池的输出限制。本发明的第二方面涉及一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括燃料电池，其包括通过将阳极接合到电解质膜的一个表面且将阴极接合到所述电解质膜的另一表面而形 成的发电体，并且其在供给到所述阳极的燃料气体不向外部排出而滞留在内部时发电；燃 料气体供给部分，其向所述阳极供给所述燃料气体；以及输出控制部分，其在所述燃料电池 的启动时，控制在开始从所述燃料气体供给部分供给所述燃料气体之后直到满足预定条件 时所述燃料电池的输出。在根据本发明的第二方面的燃料电池系统中，与在根据本发明的第一方面的上述 燃料电池系统中不同地，与负载所要求的要求输出无关地在燃料电池的启动时限制燃料电 池的输出。该第二方面的结构也能够抑制由燃料电池启动时发电体的阳极中的杂质气体的 局域滞留引起的上述问题。顺便提及，允许采用其中在燃料电池的启动时向阴极供给氧化剂气体的结构或者 其中不向阴极供给氧化剂气体的结构。此外，可以任意地设定在燃料电池的启动时向阳极 供给的燃料气体的量。此外，在该方面中的“预定条件”的实例包括各种条件，例如关于阳 极和阴极中的杂质气体的分压之差、从燃料气体的供给的开始的时间、发电停止持续时间、 阳极中的杂质气体或燃料气体的浓度、电池电压等等的条件。在根据本发明的这些方面的燃料电池系统中，在所述燃料电池的启动时，在向所 述阴极供给所述氧化剂气体之前执行向所述阳极供给所述燃料气体。本发明的第三方面涉及一种对燃料电池系统的控制方法。所述燃料电池系统包 括电池，所述电池包括通过将阳极接合到电解质膜的一个表面且将阴极接合到所述电解质 膜的另一表面而形成的发电体，并且所述电池在供给到所述阳极的燃料气体不向外部排出 而滞留在内部时发电。所述控制方法包括获得所述燃料电池所要求的要求输出；以及基 于所获得的要求输出而向所述阳极供给所述燃料气体且向所述阴极供给包含氧和除了氧 之外的杂质气体的氧化剂气体，并且将阴极废气从所述阴极排出到所述燃料电池的外部， 并且控制所述燃料电池的输出，其中所述阴极废气是在所述阴极中未用于发电的氧化剂气 体。控制所述燃料电池的输出包括在所述燃料电池的启动时，将所述燃料电池的输出限制 为小于所述要求输出的输出。根据本发明的第四方面涉及一种对燃料电池系统的控制方法。所述燃料电池系统 包括电池，所述电池包括通过将阳极接合到电解质膜的一个表面且将阴极接合到所述电解 质膜的另一表面而形成的发电体，并且所述电池在供给到所述阳极的燃料气体不向外部排 出而滞留在内部时发电。所述控制方法包括在所述燃料电池的启动时，向所述阳极供给所 述燃料气体；以及在开始供给所述燃料气体之后直到满足预定条件时，限制所述燃料电池 的输出。本发明不需要包括以上所有的各种特征，而是可以忽略或组合它们中的一者或多 者，以提供根据本发明的结构。除了如上所述的燃料电池系统之外，本发明可被构造为对燃 料电池系统的控制方法。可以以各种形式，例如实现上述特征的计算机程序、记录该程序的 记录介质、包括该程序且在载波中具体化的数据信号等等，实现本发明。另外，在每一种形 式中，可以应用上述各种附加特征。在本发明被构造为计算机程序、记录该程序的记录介质等等的情况下，本发明可 以被构造为控制燃料电池系统的操作的整个程序，或者还可被构造为执行本发明的功能的 程序的一部分。此外，在本发明中利用的记录介质是可通过计算机读取的各种记录介质中的任何记录介质，包括软盘、CD-ROM、DVD-ROM、磁-光盘、IC卡、ROM卡盘、穿孔卡、其中印 刷有代码(例如条形码等等)的印刷物、计算机的内部存储装置(诸如RAM、ROM等的存储 器)、外部存储装置，等等。


通过参考附图对示例性实施例的以下描述，本发明的上述和其他特征和优点将变 得明显，其中使用相同的标号来表示相同的不仅，并且其中图1是示出本发明的第一实施例的燃料电池系统1000的概略结构的示例图；图2是示出用于执行第一实施例中的控制单元80内的启动控制处理的功能框的 示例图；图3是示出第一实施例的启动控制处理的流程的流程图；图4是示出本发明的第二实施例的燃料电池系统1000A的概略结构的示例图；图5是示出用于执行第二实施例中的控制单元80A内的启动控制处理的功能框的 示例图；图6是示出第二实施例的启动控制处理的流程的流程图；图7是示出本发明的第三实施例的燃料电池系统1000B的概略结构的示例图；图8是示出用于执行第三实施例中的控制单元80B内的启动控制处理的功能框的 示例图；图9是示出第三实施例的启动控制处理的流程的流程图；图10是示出第一变形例的结构的示例图；图11是示出分散板2100的功能的示例图；图12是示出第二变形例的结构的示例图；图13是示出通过使用压制金属而构造的分散板2102的示例图；图14是示出在图13中所示的平面C-C上截取的截面的截面图的示意图；图15是示出其中在分散板2014hm内形成通道的示例性结构的示例图；图16是示出其中通过使用管道而形成分散板2014hp的实例的示例图；图17是示出采用分支通道型的燃料气体通道的示例性结构的示意图；图18是示意性示出设置有具有Z字形的蛇形通道的通道形成构件的示例性结构 的示意图；图19是示意性示出作为供给燃料气体的形式的变形例的循环型燃料电池6000的 内部结构的示例图；图20是示例出在变形例12中的燃料气体的流动的示例图；图21是示例出在变形例13中的燃料气体的流动的示例图；图22是示出燃料电池的示例性结构的示例图；以及图23是示出燃料电池的示例性结构的示例图。
具体实施例方式将描述本发明的第一实施例的燃料电池系统1000。图1是示出本发明的第一实施 例的燃料电池系统1000的概略结构的示例图。该实施例的燃料电池系统1000被安装作为
10由电动机驱动的电动车辆中的电源。燃料电池叠层100具有这样的叠层结构，其中构造有通过氢和氧之间的电化学反 应而发电的多个电池单元40。通常通过在隔离体之间夹入膜电极组件而构造每个燃料电池 单元40，其中膜电极组件是通过将阳极和阴极接合到具有质子传导性的电解质膜的两个相 反侧而形成的。在膜电极组件中，阳极和阴极中的每一者都具有催化剂层和气体扩散层，其 中催化剂层接合到电解质膜的相邻表面，气体扩散层接合到催化剂层的表面。在该实施例 中使用的电解质膜是Nafion (注册商标)等等的固体聚合物膜。在此使用的电解质膜也可 以为其他电解质膜，例如固体氧化物等等的电解质膜。在每一个隔离体中，形成用于作为向 阳极供给的燃料气体的氢的通道、用于作为向阴极供给的氧化剂气体的空气的通道、以及 用于冷却水的通道。顺便提及，可以根据燃料电池叠层100的要求输出来任意设定层叠的 燃料电池单元40的数目。如图中所示，通过从一端依次层叠端板10a、绝缘板20a、集电板30a、多个燃料电 池单元40、集电板30b、绝缘板20b和端板10b，构造燃料电池底层100。这些板等等中的每 一个具有用于使氢气、空气或冷却水在燃料电池叠层100中流动的供给口或排出口(未示 出)。此外，在燃料电池叠层100中，形成用于分别向每一个燃料电池单元40分配和供给氢 气、空气和冷却水的供给歧管(氢气供给歧管、空气供给歧管和冷却水供给歧管)以及用于 分别收集从每一个燃料电池单元40的阴极排出的阴极废气和冷却水且将该气体和冷却水 排出到燃料电池叠层100的外部的排出歧管(阴极废气排出歧管和冷却水排出歧管)(未 示出)。该实施例的燃料电池叠层100是所谓的阳极封闭端型燃料电池，其中向每个燃料 电池单元40的阳极供给的基本上全量的氢气都用于发电而滞留在燃料电池叠层100内，而 不排出到燃料电池叠层100的外部。因此，在燃料电池叠层100内，没有形成用于集合从每 一个燃料电池单元40的阳极排出的阳极废气且将该阳极废气排出到燃料电池叠层100的 外部的阳极废气排出歧管。此外，燃料电池叠层100具有用于检测燃料电池单元40的温度的温度传感器42。 在该实施例中，温度传感器42设置在这样的一个燃料电池单元40上，在燃料电池叠层100 的各燃料电池单元40当中，该燃料电池单元40被设置在燃料电池单元40的最外端且因此 而易于经受最大的温度降低。通过检测该燃料电池单元40的温度，温度传感器42能够间 接地检测该燃料电池单元40的膜电极组件的温度。为了确保刚性，端板10a、10b由金属(例如钢等)形成。绝缘板20a、20b均由橡 胶、树脂等的绝缘构件形成。集电板30a、30b均由致密的碳、铜等的不透气的导电构件形 成。集电板30a、30b中的每一个具有输出端子(未示出)，以便可以输出由燃料电池层叠 100产生的电力。虽然在该图中未示出，但燃料电池叠层100在层叠结构的层叠方向上具有压紧 力，以便抑制气体的泄露或者抑制由层叠结构中的某些位置处的接触电阻的增加引起的电 池性能的降低。经由管道53，从存储高压氢气的氢气罐50向燃料电池叠层100的阳极供给作为燃 料气体的氢气。管道53设置有压力传感器54。该压力传感器54用于控制向阳极供给的氢 气的压力和量。替代氢气罐50的设置，可以通过使用醇、烃、醛等作为原材料的重整反应，
11制造富氢气体，并且向阳极供给该富氢气体。通过设置在氢气罐50的出口处的关断阀51且还通过调节器52，调整氢气罐50中 存储的高压氢气的压力和供给量，并经由氢供给歧管将该高压氢气供给到每个燃料电池单 元40的阳极。氢气罐50、关断阀51、调节器52、管道53以及氢供给歧管可以视为本发明中 的燃料气体供给部分。顺便提及，由于该燃料电池系统1000包含如上所述的阳极封闭端型 燃料电池叠层100，因此在该实施例中不设置用于从阳极向外部排出废气的管道。经由管道61，向燃料电池叠层100的阴极供给通过压缩机60产生的作为包含氧的 氧化剂气体的压缩的空气。接着，经由连接到管道61的空气供给歧管，向每个燃料电池单 元40的阴极供给该压缩的空气。经由连接到阴极废气排出歧管的排出管道62，将从每个燃 料电池单元40的阴极排出的阴极废气排出到燃料电池叠层100的外部。排出管道62设置 有用于控制所供给的空气的压力和量的压力传感器63和压力调节阀64。将通过氢气与氧 气之间的电化学反应而在燃料电池叠层100的阴极处产生的产物水与来自排出管道62的 阴极废气一起排出。压缩机60、管道61、以及空气供给歧管可以被视为本发明中的氧化剂 气体供给部分。此外，阴极废气排出歧管、排出管道62、以及压力调节阀64可以被视为本发 明中的阴极废气排出部分。由于燃料电池叠层100产生由上述电化学反应引起的热，因此还向燃料电池叠层 100供给用于冷却燃料电池叠层100的冷却水。通过泵70使冷却水在管道72中流动，并通 过散热器71使其冷却，然后将其供给到燃料电池叠层100。通过控制单元80来控制燃料电池系统1000的操作。控制单元80是包括CPU、RAM、 ROM、计时器等的微型计算机。控制单元80从加速器操作量传感器(未示出)获取通过负 载要求燃料电池系统1000的要求输出，并且遵照存储在ROM中的程序来控制系统的操作， 例如，各种阀或泵的驱动，等等。顺便提及，在燃料电池叠层100的启动时，即，在开始向燃 料电池叠层100供给氢气和空气时，控制单元80执行下述启动控制处理。控制单元可被视 为本发明中的要求输出的输入部分和输出控制部分。顺便提及，该实施例的燃料电池系统1000包括蓄电池(未示出)，控制单元80也 可执行对从燃料电池叠层100输出电力或从蓄电池输出电力或将燃料电池叠层100产生的 电力存储到蓄电池中的控制。图2是示出用于在第一实施例的控制单元80中执行启动控制处理的功能框的示 例图。如图2所示，控制单元80包括要求输出的输入部分81、操作条件输入部分82、判断 部分83、表存储部分84、计时器85、以及输出控制信号产生部分86。要求输出的输入部分81获取由负载要求燃料电池系统1000的要求输出。输出控 制信号产生部分86在燃料电池叠层100的启动时产生禁止从燃料电池叠层100输出的输 出控制信号。在经过由判断部分83设定的时间之后，输出控制信号产生部分86产生用于根 据所述要求输出而执行输出的输出控制信号。计时器85测量燃料电池叠层100的发电停 止持续时间以及在启动燃料电池叠层100之后经过的时间。操作条件输入部分82获取在 燃料电池叠层100启动时由温度传感器42检测的燃料电池单元40的温度、在启动时由压 力传感器54检测的燃料电池单元40的氢供给压力、以及由计时器85测量的燃料电池叠层 100的发电停止持续时间，来作为燃料电池叠层100的操作条件。判断部分83基于由要求 输出的输入部分81获取的要求输出、由操作条件输入部分82获取的燃料电池40的温度、
12向燃料电池单元40的氢供给压力、燃料电池叠层100的发电停止持续时间、以及存储在表 存储部分84中的表，来设定直到解除对燃料电池叠层100的启动时输出限制所经过的时间 (下文中，称为输出限制时间)。接着，参照计时器85，判断部分83判断是否已经过了输出 限制时间。表存储部分84存储这样的表，在该表中，预先记录上述操作条件与输出限制时间
之间的关系。在该实施例中，表存储部分84存储多个表Tal、Ta2、Ta3.......为燃料电池
叠层100的各发电停止持续时间单独地准备这些表。在图2所示的实例中，例如，表Tal用 于燃料电池叠层100的发电停止持续时间为0至tl的情况。表Tal表明，如果燃料电池叠 层100启动时的氢供给压力为Pl至P2且燃料电池单元40的温度(燃料电池温度)为Tl 至T2，则输出限制时间为Xll秒。图3是示出第一实施例的启动控制处理的流程的流程图。在燃料电池叠层100的 启动时由控制单元80的CPU执行该处理。顺便提及，当开始该处理时，计时器85正在测量 在燃料电池叠层100的上一次发电的停止之后的发电停止持续时间。首先，CPU经由要求输出的输入部分81获取负载要求燃料电池系统1000的要求输 出(步骤S100)。基于所获取的要求输出，CPU执行向燃料电池叠层100的阳极供给氢气、 向燃料电池叠层100的阴极供给空气、以及禁止从燃料电池叠层100输出(步骤S110)。在 该实施例中，在执行启动控制处理期间，不执行从燃料电池叠层100向负载的电力供给，而 是从蓄电池向负载供给电力。另外，在该实施例中，同时执行向燃料电池叠层100的阳极供 给氢气和向其阴极供给空气。此时，计时器85开始测量从燃料电池叠层100启动开始所经 过的时间。接着，CPU经由操作条件输入部分82获取燃料电池叠层100的启动时操作条件 (步骤S120)。在该实施例中，如上所述，CPU获取在燃料电池叠层100启动时由温度传感 器42检测的燃料电池单元40的温度、在启动时由压力传感器54检测的氢供给压力、以及 由计时器85测量的燃料电池叠层100的发电停止持续时间，来作为燃料电池叠层100的操 作条件。接着，CPU经由判断部分83设定输出限制时间(步骤S130)。在该实施例中，如上 所述，基于由要求输出的输入部分81在步骤SlOO中获取的要求输出、燃料电池基元40的 温度、由操作条件输入部分82在步骤S120中获取的氢供给压力和发电停止持续时间、以及 存储在表存储部分84中的表，设定输出限制时间。接着，CPU参照计时器85 (步骤S140)，并且经由判断部分83判断是否已经过了燃 料电池叠层100的输出限制时间(步骤S150)。在此，对计时器85的参照意味着使从燃料 电池叠层100启动开始经过的时间与上述输出限制时间相比较。如果没有经过输出限制时 间(步骤S150中的否)，则处理返回到步骤S140。另一方面，如果已经经过了输出限制时间 (步骤S150中的是)，则CPU经由输出控制信号产生部分86产生用于根据所述要求输出而 执行输出的输出控制信号，并由此根据所述要求输出而控制输出(步骤S160)。具体而言， CPU将负载连接到燃料电池叠层100，并且根据所述要求输出而执行对燃料电池叠层100的 操作控制。接着，结束启动控制处理。如上所述，该实施例的燃料电池系统1000使用空气作为氧化剂气体。因此，在设 置于每个燃料电池单元40中的膜电极组件中，包含在空气中且对发电没有贡献的杂质气体(例如氮气等)经过电解质膜而从阴极侧渗透到阳极侧。即使在燃料电池叠层100的发 电停止期间，杂质气体(氮气)从阴极侧向阳极侧的渗透也继续发生，结果，杂质气体滞留 在阳极侧。该实施例的燃料电池叠层100是阳极封闭端型燃料电池，并且不将阳极废气排出 到燃料电池叠层100的外部。因此，当在燃料电池叠层100启动时向阳极供给氢气时，氢气 的流动使得滞留在每个阳极处的杂质气体局域地滞留在氢气的流动方向上的下游区域中。 接着，如果在该状态下进行发电，则与杂质气体不滞留于其中的区域相比，氢浓度在膜电极 组件中的杂质气体滞留于其中的区域中变得较低。结果，膜电极组件中的发电分布变得不 均勻，导致发电效率的降低。此外，如果使燃料电池系统1000在杂质气体局域地滞留于阳极的部分中的状态 下发电且因此向负载供给电力，则存在电池电压降低和车辆(系统)的操作受影响的可能性。此外，在燃料电池叠层100中，如果在膜电极组件中氢浓度降低，则该膜电极组件 中的电动力降低，并且膜电极组件的阳极与阴极之间发生反向电压。膜电极组件的阳极和 阴极均由催化剂层和气体扩散层构造。通常，在该催化剂层中使用支持催化剂金属的碳。因 此，如果在膜电极组件的阳极与阴极之间发生反向电压，则存在由于碳氧化而使膜电极组 件的阳极侧的催化剂层劣化的可能性。根据第一实施例的上述燃料电池系统1000，在上述启动控制处理中，在燃料电池 叠层100的启动时禁止从燃料电池叠层100输出(图3中的步骤S110)。因此，可以抑制由 燃料电池叠层100的启动时在膜电极组件的阳极中杂质气体的局域滞留引起的问题。此外，在启动控制处理中，第一实施例的燃料电池系统1000基于燃料电池叠层 100的启动时操作条件和上述表(参见图1)而设定输出限制时间。在经过了输出限制之间 之后，燃料电池系统1000解除输出限制，以开始从燃料电池叠层100输出(图3中的步骤 S120至S160)。因此，可以开始根据所述要求输出的输出，同时抑制了上述问题。顺便提及，在上述表中，将输出限制时间设定在这样的值，该值使得可以确定膜电 极组件的阳极中的杂质气体的分压与膜电极组件的阴极中的杂质气体的分压之差小于预 定值并且可以执行根据所述要求输出的输出。这是因为，随着在开始向每个膜电极组件的 阳极供给氢气之后时间的流逝，由于氢的浓度梯度或供给压力，已局域地滞留在阳极的一 部分中的杂质气体经过电解质膜而渗透到阴极侧。因此，阳极中的杂质气体的分压与阴极 中的杂质气体的分压趋近于平衡状态，即，阳极中的氢的分压与阴极中的氧的分压趋近于 平衡状态。燃料电池叠层100的输出限制时间，即，使阳极中的杂质气体的分压与阴极中的 杂质气体的分压趋近于平衡状态所花费的时间，与燃料电池叠层100的启动时操作条件有 关。它们之间的对应关系可以根据经验或通过分析而预先已知。图4是示出本发明的第二实施例的燃料电池系统1000A的概略结构的示例图。第 二实施例的燃料电池系统1000A与第一实施例的燃料电池叠层100的区别在于燃料电池叠 层100A的结构。具体而言，在该实施例的燃料电池叠层100A中，在每个燃料电池单元40A 中设置氢浓度传感器44，以检测膜电极组件的阳极中的氢浓度。氢浓度传感器44可以被视 为本发明中的浓度传感器。此外，由控制单元80A执行的启动控制处理的内容与由在第一 实施例中设置的控制单元80执行的启动控制处理的内容不同。在其他方面，第二实施例的燃料电池系统1000A与第一实施例的上述燃料电池系统1000相同。另外，在每个燃料电池 单元40A中，氢浓度传感器44被设置在上述杂质气体可能滞留的沿氢的流动方向的下游区 域中。图5是示出用于在第二实施例的控制单元80A中执行启动控制处理的功能框的示 例图。如图5所示，控制单元80A包括要求输出的输入部分81、氢浓度输入部分87、判断部 分83A、以及输出控制信号产生部分86。要求输出的输入部分81获取负载要求应燃料电池系统1000A的要求输出。输出 控制信号产生部分86在燃料电池叠层100A的启动时产生禁止从燃料电池叠层100A输出 的输出控制信号。在判断部分83A判断允许解除对燃料电池叠层100A的输出限制之后，输 出控制信号产生部分86产生用于根据所述要求输出而执行输出的输出控制信号。氢浓度 输入部分87获取由在每个燃料电池单元40A中设置的氢浓度传感器44检测的氢浓度。基 于经由氢浓度输入部分87获取的氢浓度，判断部分83A判断是否允许解除对燃料电池叠层 100A的启动时输出限制。图6是示出第二实施例的启动控制处理的流程的流程图。在燃料电池叠层100A 的启动时由控制单元80A的CPU执行该处理。首先，CPU经由要求输出的输入部分81获取负载要求燃料电池系统1000A的要求 输出(步骤S200)。基于所获取的要求输出，CPU使氢气和空气分别被供给到燃料电池叠层 100A的阳极和阴极，并且禁止从燃料电池叠层100A输出(步骤S210)。在该实施例中，同 样地，在执行启动控制处理期间，不从燃料电池叠层100A向负载供给电力，而是从蓄电池 向负载供给电力。顺便提及，在该实施例中，与第一实施例相同地，同时执行向燃料电池叠 层100A的阳极供给氢气和向其阴极供给空气。接着，CPU经由氢浓度输入部分87获取由每个燃料电池单元40的阳极中的氢浓度 传感器44检测的氢浓度(步骤S220)。紧接着在启动控制处理开始之后，所供给的氢的流 动使得已滞留在每个膜电极组件的阳极中的杂质气体局域地滞留在氢气流的下游区域中， 因此由氢浓度传感器44检测的氢浓度相对低。接着，随着时间的流逝，由于浓度梯度，局域 滞留的杂质气体经过电解质膜而渗透到阴极侧。因此，每个氢浓度传感器44所检测的氢浓 度逐渐增大。接着，CPU经由判断部分83判断是否在所有的燃料电池单元40A中氢浓度都高于 或等于预定值，即，判断是否允许解除对燃料电池叠层100A的输出限制(步骤S230)。如 果任何燃料电池单元40A中的氢浓度低于预定值(步骤S230中的否)，则处理返回到步骤 S220。另一方面，如果每个燃料电池单元40A中的氢浓度都高于或等于预定值，则CPU经 由输出控制信号产生部分86产生用于根据所述要求输出而执行输出的输出控制信号，并 根据所述要求输出而控制输出(步骤S240)。具体而言，CPU将负载连接到燃料电池叠层 100A，并且根据所述要求输出而执行对燃料电池叠层100A的操作控制。接着，结束启动控 制处理。第二实施例的燃料电池系统1000A可以实现与上述第一实施例的系统基本相同 的效果。具体而言，在启动控制处理中，在燃料电池叠层100A的启动时禁止燃料电池叠层 100A的输出(图6中的步骤S210)。因此，可以抑制由在上述燃料电池叠层100A的启动时 局域地滞留在膜电极组件的阳极中的杂质气体引起的问题。
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此外，在第二实施例的燃料电池系统1000A中，可以通过每个氢浓度传感器44直 接检测每个膜电极组件的阳极中的氢浓度，并且可以判断是否允许解除对燃料电池叠层 100A的输出限制。图7是示出本发明的第三实施例的燃料电池系统1000B的概略结构的示例图。第 三实施例的燃料电池系统1000B与第一实施例的燃料电池叠层100的区别在于燃料电池叠 层100B的结构。具体而言，在该实施例的燃料电池叠层100B中，在每个燃料电池单元40B 中设置电压传感器45，以检测膜电极组件的阳极与阴极之间的电压(电池电压)。电压传 感器45可以被视为本发明中的电压检测部分。此外，由控制单元80B执行的启动控制处理 的内容与由第一实施例的控制单元80执行的启动控制处理的内容不同。在其他方面，第三 实施例的燃料电池系统1000B与第一实施例的上述燃料电池系统1000相同。图8是示出用于在第三实施例的控制单元80B中执行启动控制处理的功能框的示 例图。如图8所示，控制单元80B包括要求输出的输入部分81、电池电压输入部分88、判断 部分83B、计时器85、输出控制信号产生部分86、以及警报处理部分89。要求输出的输入部分81获取通过负载要求燃料电池系统1000B的要求输出。输 出控制信号产生部分86在燃料电池叠层100B的启动时产生禁止从燃料电池叠层100B输 出的输出控制信号。在判断部分83B判断允许解除对燃料电池叠层100B的输出限制之后， 输出控制信号产生部分86产生用于根据所述要求输出而执行输出的输出控制信号。计时 器85测量在燃料电池叠层100启动之后所经过的时间。电池电压输入部分88获取由在每 个燃料电池单元40B中设置的电压传感器45检测的电池电压。基于由计时器85检测的经 过时间和经由电压传感器45获取的电池电压，判断部分83B判断是否允许解除对燃料电池 叠层100B的启动时输出限制。图9是示出第三实施例的启动控制处理的流程的流程图。在燃料电池叠层100A 的启动时由控制单元80B的CPU执行该处理。首先，CPU经由要求输出的输入部分81获取负载要求燃料电池系统1000B的要求 输出(步骤S300)。基于所获取的要求输出，CPU使氢气和空气分别被供给到燃料电池叠层 100B的阳极和阴极，并且禁止从燃料电池叠层100B输出(步骤S310)。在该实施例中，同 样地，在执行启动控制处理期间，不从燃料电池叠层100B向负载供给电力，而是从蓄电池 向负载供给电力。顺便提及，在该实施例中，与第一实施例相同地，同时执行向燃料电池叠 层100B的阳极供给氢气和向其阴极供给空气。此时，计时器85开始测量从燃料电池叠层 100B的启动之后所经过的时间。接着，CPU参照计时器85(步骤S320)，并且判断是否已经经过了预定时间(步骤 S330)。紧接着在启动控制处理开始之后，所供给的氢气的流动使得滞留在每个阳极中的杂 质气体局域地滞留在氢气流的下游区域中。因此，如果在该时点执行电池电压检测，则发电 的性能导致杂质气体滞留和氢气缺乏的区域会经历氧化，且因此使形成每个膜电极组件的 阳极的催化剂层的碳劣化。因此，预定时间被设定为这样的时间长度，其使得可以估计已局 域地滞留的杂质气体已经过电解质膜而渗透到阴极侧且每个膜电极组件的阳极中的杂质 气体的分压与其阴极中的杂质气体的分压之差已变为小于预定值。如果在步骤S330中判断未经过预定时间(步骤S330中的否)，则处理返回到步骤 S320。另一方面，如果已经过了预定时间(步骤S330中的是)，则CPU经由每个电压传感器45检测电池电压，并经由电池电压输入部分88获取每个检测的电池电压(步骤S340)。接着，CPU经由判断部分83B判断是否在所有的燃料电池单元40B中电池电压都 高于或等于预定值，即，判断是否允许解除对燃料电池叠层100B的输出限制(步骤S350)。 如果每个燃料电池单元40B中的电池电压都高于或等于预定值，则CPU经由输出控制信号 产生部分86产生用于根据所述要求输出而执行输出的输出控制信号，并根据所述要求输 出而执行输出(步骤S360)。具体而言，CPU将负载连接到燃料电池叠层100B，并且根据所 述要求输出而控制燃料电池叠层100B的操作。另一方面，如果任何燃料电池单元40B中的 电池电压低于预定值(步骤S350中的否)，则CPU判断燃料电池叠层100B有异常，并且经 由警报处理部分89执行警报处理(步骤S370)。警报处理的实例包括点亮警报灯的处理、 产生警报声的处理等等。接着，结束启动控制处理。根据第三实施例的燃料电池系统1000B，在启动控制处理中，与在上述第一实施 例相同地，在燃料电池叠层100B的启动时禁止燃料电池叠层100B的输出(图9中的步骤 S310)。因此，可以抑制由在上述燃料电池叠层100B的启动时局域地滞留在膜电极组件的 阳极中的杂质气体引起的问题。此外，在第二实施例的燃料电池系统1000B中，可以基于通过每个电压传感器45 检测的电池电压来判断是否允许解除对燃料电池的输出限制。虽然以上描述了本发明的实施例，但本发明根本不受上述实施例的限制，而是可 以以各种其他方式且不脱离本发明的精神地实施本发明。例如，以下变形例是可能的。变形例1 在第一实施例中，控制单元80的操作条件输入部分82获取在燃料电池 叠层100启动时由温度传感器42检测的燃料电池单元40的温度、在其启动时由压力传感 器54检测的氢供给压力、以及由计时器85测量的燃料电池叠层100的发电停止持续时间， 来作为燃料电池叠层100的操作条件。然而，本发明不限于该结构。允许操作条件不包括燃 料电池叠层100的发电停止持续时间。此外，还允许操作条件不包括由温度传感器42检测 的燃料电池单元40的温度和由压力传感器54检测的氢供给压力中的一者。在该情况下， 根据操作条件输入部分82获取的操作条件的种类来制备示于图2中的表就足够了。此外，可以省略控制单元80的表存储部分84。在该情况下，在启动控制处理中，在 启动燃料电池叠层100之后经过了预定时间之后解除对燃料电池叠层100的输出限制就足 够了。变形例2 在第一实施例的燃料电池叠层100中，温度传感器42设置在这样的一 个燃料电池单元40中，该燃料电池单元40被设置在燃料电池叠层100的最外端部且因此 易于具有最大的温降。然而，本发明不限于该结构。例如，可以为燃料电池叠层100的每个 燃料电池单元40设置温度传感器42。此外，还可以为管道72设置温度传感器，并且可以基 于在管道72中流动的冷却水的温度来估计燃料电池单元40的温度。变形例3 虽然在第二实施例中，为燃料电池叠层100A的燃料电池单元40A设置 氢浓度传感器44，但本发明不限于该结构。替代氢浓度传感器44，可以设置能够检测杂质 浓度的传感器，例如氮气浓度传感器。变形例4 虽然在第二实施例中，为燃料电池叠层100A的所有燃料电池单元40A 设置氢浓度传感器44，但本发明不限于该结构。例如，可以在燃料电池叠层100A中有意 地设置倾向于具有杂质的局域滞留的燃料电池单元40A，并且可以仅仅在该燃料电池单元40A中设置氢浓度传感器44。变形例5 虽然在第三实施例中，为控制单元80B设置警报处理部分89，但该警报 处理部分89可以省略。变形例6 虽然在第一至第三实施例中的启动控制处理中，紧接在向燃料电池叠 层开始供给氢气和氧气之后禁止输出，但本发明不限于该结构。例如，可以将燃料电池叠层 的输出限制为小于所要求输出的输出(非零)。变形例7 虽然在第一至第三实施例中的启动控制处理中，同时执行向燃料电池 叠层的阳极供给氢气和向其阴极供给空气，但可以不同时执行氢气的供给和空气的供给。 例如，如果在向阴极供给空气之前执行向燃料电池叠层的阳极供给氢气，可以促进阳极滞 留的杂质气体经过电解质膜向阴极侧的渗透(扩散)。变形例8 在第一实施例的启动控制处理中，基于负载要求燃料电池系统1000的 要求输出向燃料电池叠层100的阳极和阴极分别供给氢气和空气，并且禁止从燃料电池叠 层100输出(图3中的步骤SlOO和S110)。然而，本发明不限于该结构。在启动控制处理 中，还可以与通过负载要求的要求输出无关地限制燃料电池叠层100的输出。在该情况下， 可以任意地设定向燃料电池叠层100供给的氢气的量。这也适用于第二实施例和第三实施 例中的启动控制处理。变形例9 在以上实施例中，采用这样的结构，其中向阳极供给的燃料气体在阳极 中基本上被全部消耗。对于在该结构中执行的操作所允许的用于向阳极供给燃料的通道结 构，可以采用各种结构。除了以上结构(下文中称为“簇射(shower)通道型结构”)之外， 通道结构的代表性实例还包括梳齿型结构、循环型结构等等。首先，将描述簇射通道型结构 的变形例。图10是示出第一变形例的结构的示例图。第一变形例具有这样的结构，其中，与 上述实施例中的片状构件对应的分散板2100被形成为与膜电极组件2000成一体。膜电极 组件2000具有氢气侧电极2200和电解质膜2300。此外，分散板2100被设置有具有预定间 隔的许多个孔(开口)。图11是示例分散板2100的功能的示例图。通过上游侧通道分配燃料气体，其中 通过分散板2100使该上游侧通道与消耗氢气的氢气侧电极2200隔离。通过上游侧通道分 配的燃料气体穿过形成在分散板2100中的孔2110，并且被局域地供给到作为燃料气体消 耗层的氢气侧电极2200。也就是，在该变形例中，燃料气体被直接供给到与孔2110的存在 位置对应的氢气侧电极2200中的部位。实现局域供给燃料气体的这种方式的可采用结构 的实例包括具有这样的通道的结构，燃料气体穿过该通道被直接供给到燃料气体的消耗 部位，而不穿过氢气侧电极2200的其他区域；从与氢气侧电极2200的平面分开的方向(优 选从氢气侧电极2200隔离的通道)朝向氢气侧电极2200主要沿垂直方向供给燃料气体 的结构；等等。另一方面，氢气侧电极2200具有不容易发生氮气滞留的形状就足够了。例 如，氢气侧电极2200具有这样的形状，该形状通过平滑表面(平坦表面)形成且在电解质 膜2300侧不具有凹部等。可以根据经验确定分散板2100的孔2110的直径和间距，并且还可将分散板2100 的孔2110的直径和间距设定为例如在预定操作状态(例如，额定操作状态)下使燃料气体 穿过穿透孔2110的流速可充分抑制扩散引起的氮气的反向流动。将孔2110的间距和通道截面积设定为能够产生在孔2110中的充分流速或充分压力就足够了。例如，对于固体聚合 物型燃料电池，已经确认，如果分散板2100的开口面积比率被设定为约以下，则产生充 分流速或充分压力。开口面积比率是通过将分散板2100的开口面积除以分散板2100的 总面积而获得的比例。由于该开口面积比率比循环型燃料气体通道低一至两个数量级，因 此第一变形例实质上不同于其中通过在循环型燃料气体通道中采用压缩机来确保燃料气 体的特定量的流动的结构。在实施例和变形例中，通过将高压氢气从燃料罐直接引导至燃 料电池(或引导至具有通过压力调节阀已被调整至预定高压的高压氢气的压力的燃料电 池)，即使在低开口面积比率的结构中，也可确保充分量的燃料气体。接下来，将描述上述簇射通道型结构的其他示例性结构。图12是示出第二变形 例的结构的示例图。在该变形例中，通过使用紧密堆积的多孔体来实现在具有氢气侧电极 2200和电解质膜2300的膜电极组件2201上设置的分散板2101。将分散板2101的多孔体 的开口面积比率选择为能够产生充分的流速或充分的压力损耗。在使用孔结构的情况下， 向每个孔，即，离散地，局域地供给燃料气体，而在使用多孔体的情况下，具有能够连续地供 给燃料气体的优点。此外，可以获得使燃料气体向氢气侧电极2200的供给更均勻的另一优 点。紧密堆积的多孔体可以通过烧结碳粉末制成，或者还可通过使用接合剂而使碳粉末或 金属粉末硬化而制成。多孔体为连续的多孔体就足够了。多孔体还可具有各向异性，其中 确保厚度方向上的连续性，而不确保平面方向上的连续性。可以以与变形例1相同的方式 确定多孔体的开口面积比率。接下来，将描述第三变形例。图13是示出通过使用压制金属而构造的分散板2102 的示例图，图14是示出在图13中所示的平面C-C上截取的截面的图示示例。分散板2102 设置有用于在分散板2102的上游侧形成通道的突起部2102t，并且在每一个突起部2102t 的侧表面中形成孔2112。分散板2102设置在膜电极组件2202的氢气侧电极2200侧，该膜 电极组件2202在电解质膜2300的两侧包括氢气侧电极2200和氧气侧电极2400。如图14 所示，使用突起部2102t，一体地形成分散板2102的上游侧上的通道。经由在突起部2102t 的侧表面中形成的孔2112，向氢气侧电极2200供给燃料气体。根据该结构，可以容易地通过压制加工而形成分散板2102，并且还具有能够简单 地形成分散板2102的通道上游的优点。已穿过孔2112的燃料气体经由突起部2102t内的 空间而到达氢气侧电极2200。因此，可以确保充分的可分散性。孔2112可通过压制加工 而形成，或者还可通过在形成突起部2102t之前的加工步骤或之后的加工步骤中的其他技 术(例如放电加工等等)而形成。可以以与第一实施例基本相同的方式确定由孔2112提 供的开口面积比率。接下来，将描述第四变形例。图15是示出其中在分散板2014hm内形成通道的示例 性结构的示例图。该变形例的分散板2014hm具有沿矩形分散板2014hm的短边方向形成的 多个通道2142η以及沿分散板2014hm的厚度方向从通道2142η延伸且向氢气电极侧(未 示出)开口的许多孔2143η。分散板2014hm设置在膜电极组件2203的氢气侧电极侧，该 膜电极组件2203在电解质膜2300的两侧包括氢气侧电极(未示出)和氧气侧电极2400。 经由分散板2014hm供给燃料气体。根据该结构，可以获得能够独立地制备至独立孔2143η 的通道的优点。顺便提及，虽然图15中所示的孔2143η的设置为Z字形，但其设置可以为 点阵形，或者可以在一定程度上随机设置。
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接下来，将描述第五变形例。图16是示出其中通过使用管道而形成分散板2014hp 的实例的示例图。分散板2014hp被设置有如图16所示的矩形框架2140，并且还被设置有 沿矩形框架2140的短边方向延伸的许多中空管道2130。在管道2130的表面中形成多个 孔2141η。将该分散板2014hp置于膜电极组件2204的氢气侧电极2200上，该膜电极组件 2204包括氢气侧电极2200和电解质膜2300。当通过在分散板2014hp的框架2140中形成 的气体流入开口供给燃料气体时，燃料气体穿过分散板2014hp的每个管道2130的内部，并 穿过孔2141η而被分配到氢气侧电极2200。根据该结构，除了能够使燃料气体均勻分散的 优点之外，还可以获得不需要在除了孔2141η之外的构件等中进行孔形成加工以构造分散 板2014hp的优点。还可以将孔2141η设置为朝向氢气侧电极2200侧，或者朝向相反侧。在 后一情况下，可以进一步改善燃料气体的可分散性。如上所述，只要可以提供其中在分散在氢气侧电极2200中的燃料气体的同时引 导燃料气体的结构，则可以采用各种结构。分散板不限于多孔体或压制金属，而是可以由 任何材料制成，只要分散板被构造为在分配燃料气体的同时将燃料气体引导至氢气侧电极 2200即可。变形例10 虽然结合上述实施例省略了对燃料气体通道的详细描述，但燃料气体 的通道的形式可以具有各种结构。图17是示出采用所谓的分支通道型的燃料气体通道的示例性结构的示意图。所 示出的燃料气体通道以梳状形成在通道形成构件5000中，其中使用构件5000来替代上述 实施例的阳极侧金属多孔体。具体而言，该气体通道由引入燃料气体的主通道5010、从主 通道5010分支且沿与主通道5010交叉的方向形成的多个次通道5020、以及以梳状从次通 道5020进一步分支的梳齿状通道5030形成。与末端梳齿通道5030相比，主通道5010和 次通道5020具有充分的通道截面积。因此，在通道形成构件5000的平面中的压力分布与 阳极侧金属多孔体中的压力分布基本相同或低于阳极侧金属多孔体中的压力分布。可以通过使用碳、金属等形成该通道形成构件5000。在使用碳的情况下，可以通 过在高温或低温下在模具中烧结碳粉末而获得具有如图17所示的通道的通道形成构件 5000。在使用金属的情况下，可以通过在金属板中切割出槽而获得具有类似通道的通道 形成构件5000，或者还可通过压制加工而获得具有如图17中所示的通道的通道形成构件 5000。另外，通道形成构件5000不需要被设置为单独的工件，而是还可以与另一构件(例 如隔离体等)一体地形成。顺便提及，可使用该通道形成构件5000替代每个阳极侧金属多孔体，且还可替代 阳极侧金属多孔体和片状构件中的每一者。在该情况下，梳齿通道5030为充分窄的通道且 大量梳齿通道5030被从次通道5020精细地(S卩，以毛细管的方式)被分支就足够了。此 外，在图17中，沿着通道形成构件5000的一个侧边缘部分而设置主通道5010。然而，为了 减小燃料气体在通道形成构件5000的平面中的压力差，可以沿着多个边缘部分设置主通 道5010且可以缩短次通道5020的长度，或者，在通道形成构件的中部设置主通道5010且 在主通道5010的左右两侧设置次通道5020。同样地，也可以在次通道5020的两个相反侧 设置梳齿通道5030。接下来，将参考图18描述蛇形通道结构。图18Α和18Β是示意性示出设置有具有 Z字形的蛇形通道的通道形成构件的示例性结构的示意图。图18Α示出具有用于燃料气体
20的单个通道的通道形成构件5100，并且，作为实例，图18B示出其中多个燃料气体通道整合 的通道形成构件5200。如图18A所示，通道形成构件5100具有从围绕燃料气体通道的外壁的两个相反外 壁5110、5115交替向内延伸的多个通道壁5120。通过通道壁5120分开的部分形成连续的 通道。在通道的端部，形成入流开口 5150，并且经由入流开口 5150向通道中供给燃料气体。 与图17中示出的通道形成构件5000类似地，使用该通道形成构件5100来替代上述实施例 的阳极侧金属多孔体。图18B示出其中蛇形通道被构造为通道束的实例。在该情况下，在从两个相反外 壁5210、5215交替向内延伸的多个通道壁5220之间设置未连接到外壁5210、5215的分隔 壁5230、5240。此外，在通道的入口处形成入流开口 5250。已经由入流开口 5250流入的燃 料气体流过宽的蛇形通道，该蛇形通道设置有分隔壁5230、5240，沿平面方向扩散到通道形 成构件5200的每个部分。与图18A中所示的通道形成构件5000类似地，使用该通道形成 构件5200来替代上述实施例的阳极侧金属多孔体。与图17中所示的具有梳状通道的通道形成构件5000类似地，图18A和18B中所 示的通道形成构件5100、5200由碳或金属形成。通道形成构件5100、5200的形成方法与通 道形成构件5000的形成方法基本相同。通道形成构件5100、5200不需要被设置为单独的 工件，而是还可以与另一构件(例如隔离体等)一体地形成。变形例11 图19是示意性示出作为供给燃料气体的形式的变形例的循环路径型 燃料电池6000的内部结构的示例图。如图19所示，在该变形例的燃料电池6000中，阳极 侧隔离体6200被设置有形成燃料气体通道的凹部6220、燃料气体入口 6210以及限制板 6230。形成燃料气体通道的凹部6220整个形成在阳极侧隔离体6200的与膜电极组件的阳 极6100面对的区域中。喷嘴6300被附接到阳极侧隔离体6200的燃料气体入口 6210，从 而喷嘴6300可以朝向凹部6200喷射燃料气体。随着燃料气体从喷嘴6300喷射，从燃料气 体入口 6210向凹部6220中供给燃料气体。限制板6230是这样的构件，其限制燃料气体的 流动方向，并且从凹部6220的底表面竖立，从喷嘴6300附近向凹部6220的中心附近延伸。 限制板6230的靠近喷嘴6300的端部相对于喷嘴6300的侧表面的形状适应性地弯曲，并且 过道A被限定在限制板6230的端部与喷嘴6300之间。在该燃料电池6000中，当将从燃料气体入口 6210供给的燃料气体从喷嘴6300的 注入孔6320注入燃料气体通道(凹部6220)中时，通过阳极侧隔离体6200的凹部6220的 内侧壁且通过限制板6230，将燃料气体限制在流动方向，从而使燃料气体沿着阳极6100的 表面从上游侧流动到下游侧，如图20中的中空箭头所示。此时，由于由从喷嘴6300喷射的 高速燃料气体产生的喷射器(ejector)效果，包含杂质气体和下游侧的燃料气体的流体被 汲取穿过设置在喷嘴6300与限制板6230的端部之间的间隙(过道A)，并且被循环到上游 侧。以这种方式，可以抑制流体在燃料气体通道中和在阳极6100的表面上的滞留。顺便提及，虽然在上述变形例的燃料电池6000中，通过利用喷射器效果，流体在 沿着阳极6100的表面的方向上循环，但还可以采用其他结构，只要该结构允许流体在沿着 燃料电池内的阳极的表面的方向上循环即可。例如，在燃料电池6000中，替代喷嘴6300 或限制板6230，在可以形成燃料气体通道的部位处，例如在阳极6100的表面、阳极侧隔离 体6200等内的部位处，设置整流导叶，并且通过该整流导叶和燃料气体的流动来在沿着阳
21极6100的表面的方向上使流体循环。可替代地，可以沿着气体通道的循环路径，例如凹部 6220等，并入小的致动器(例如微电机)，以形成使燃料气体循环的结构。此外，还可以设 想这样的结构，其中，在凹部6220内设置温差，并且将对流用于引起循环。变形例12、13 将参考图20和21描述上述实施例的变形例12和变形例13。图 20是示例出作为变形例12的燃料气体的流动的示例图。图21是示例出作为变形例13的 燃料气体的流动的示例图。首先，将描述这两个变形例之间共同的结构。在变形例12和13 的两种燃料电池中，发电体包括框架7550、膜电极气体扩散层组件(MEGA) 7510、以及多孔 体7540。框架7550的中央部分被设置有开口部分7555以将MEGA 7510装配于其中，并且 MEGA 7510被设置为覆盖开口部分7555。在MEGA 7510上设置多孔体7540。此外，与上述 实施例相同地，在框架7550的外周部分中设置多个穿透孔，燃料气体、空气或冷却水穿过 这些穿透孔。变形例12和变形例13的上述总体结构基本相同，并且在经由阳极朝向板(未示 出)供应燃料气体方面也相同。变形例12和变形例13的不同之处在于向多孔体7540供 应燃料的方向。在变形例12中，在框架7550的开口部分7555的外边缘部分当中，在长边 边缘部分附近设置用于向多孔体7540供给燃料气体的一排燃料气体供给开口 7417a，并且 在与上述长边边缘相对的另一长边边缘附近设置另一排燃料气体供给开口 7417b。另一方 面，如图21中所示，在变形例13中，燃料气体供给开口 7517a和燃料气体供给开口 7517b 被设置为分别邻近开口部分7555的两个相对的短边。在变形例12中，燃料气体经过燃料气体供给开口 7417a或燃料气体供给开口 7417b而进入多孔体7540中，并且在多孔体7540中从长边端部侧朝向多孔体7540的中部， 即，沿着箭头7600a的方向(图20中的从上到下)的方向或沿着箭头7600b的方向(图20 中的从下到上)的方向，供给燃料气体。由此，通过燃料气体供给开口 7417a向多孔体7540 中供给的燃料气体和通过燃料气体供给开口 7417b向多孔体7540中供给的燃料气体在模 块的中部附近相遇且彼此混合。另一方面，在变形例13中，燃料气体经过燃料气体供给开 口 7517a或燃料气体供给开口 7517b而进入多孔体7540中，并且从短边端部侧朝向多孔体 7540的中部，即，沿着箭头7700a (图21中的从左到右)的方向且沿着箭头7700b (图21中 的从右到左)的方向，燃料气体在多孔体7540中流动。在变形例13中，同样地，通过燃料 气体供给开口 7517a向多孔体7540中供给的燃料气体和通过燃料气体供给开口 7517b向 多孔体7540中供给的燃料气体在模块的中部附近相遇且彼此混合。根据上述变形例12、13，从在多孔体7540的两个相反侧端部附近设置的燃料气体 供给开口 7417a和燃料气体供给开口 7417b (或者燃料气体供给开口 7517a和燃料气体供 给开口 7517b)沿两个相反方向向多孔体7540供给燃料气体。由此供给的燃料气体的相反 流在多孔体7540的中部中相遇且彼此混合。因此，可以获得杂质(例如氮气等)不大可能 局域化的优点。因此，可以改善燃料电池的发电效率。并且，由于从两个相反侧供给燃料气 体，可以获得燃料气体的分布被限制为不从多孔体7540内的希望的分布偏离的优点。顺便 提及，虽然变形例12、13采用多孔体作为燃料气体通道，但燃料气体通道不限于多孔体，而 使可以使用下述各种其他供给方法。变形例14 虽然结合上述实施例的燃料电池省略了对其内部结构的详细描述，阳 极侧燃料气体供给通道和阴极侧氧化剂气体供给通道均由单层的金属多孔体形成。然而，
22燃料气体供给通道和氧化剂气体供给路径的结构不限于该形式。例如，燃料气体供给通道 或氧化剂气体供给通道还可通过使用在隔离体中形成的脊而形成为直形或蜿蜒形，或者还 可以通过使用多个凹陷而形成。这将允许以简单的结构形成燃料气体供给通道或氧化剂气 体供给通道。根据燃料电池的总体结构、使用条件等等，采用这些形式或结构中的合适的形 式或结构就足够了。 虽然已经参考其示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所述实施 例或结构。相反地，本发明旨在涵盖各种变形例和等同设置。另外，虽然以各种示例性组合 和配置示出了所公开的发明的各种要素，但包括更多、更少或仅仅一个要素的其他组合和 配置也在所附权利要求的范围内。
权利要求
一种燃料电池系统，包括燃料电池，其包括通过将阳极接合到电解质膜的一个表面且将阴极接合到所述电解质膜的另一表面而形成的发电体，并且其在供给到所述阳极的燃料气体不向外部排出而滞留在内部时发电；燃料气体供给部分，其将所述燃料气体供给到所述阳极；氧化剂气体供给部分，其将氧化剂气体供给到所述阴极，所述氧化剂气体包含氧和除了氧之外的杂质气体；阴极废气排出部分，其将阴极废气排出到所述燃料电池的外部，所述阴极废气是在所述阴极中未用于发电而剩下的氧化剂气体；要求输出的输入部分，其输入负载所要求的要求输出；以及输出控制部分，其基于输入的要求输出而控制所述燃料电池的输出，其中所述输出控制部分基于输入的要求输出而控制所述燃料气体供给部分、所述氧化剂气体供给部分和所述阴极废气排出部分，并且使得所述燃料气体被供给到所述阳极，且使得所述氧化剂气体被供给到所述阴极，且使得所述阴极废气从所述阴极排出，并且在所述燃料电池的启动时，所述输出控制部分将所述燃料电池的输出限制为小于所述要求输出的输出。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中在所述燃料电池的启动时，所述输出控制部 分禁止所述燃料电池的输出。
3.根据权利要求1或2的燃料电池系统，还包括判断部分，所述判断部分判断所述阳极 中的所述杂质气体的分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压之差是否小于预定值，其中如果在所述燃料电池的启动之后的预定时刻，所述判断部分判断所述阳极中的所 述杂质气体的分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压之差小于所述预定值，则所述输出 控制部分根据所述输入的要求输出而控制所述燃料电池的输出。
4.根据权利要求3的燃料电池系统，其中所述阳极中的所述杂质气体的分压与所述阴 极中的所述杂质气体的分压之差小于所述预定值包括所述各分压处于平衡状态。
5.根据权利要求3或4的燃料电池系统，还包括操作条件输入部分，其输入所述燃料电池的操作条件，所述操作条件包括在所述燃料 电池的启动时所述燃料电池的供给的条件；表存储部分，其存储这样的表，在该表中，记录所述操作条件和从所述燃料电池的启动 直到所述阳极中的所述杂质气体的分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压之差变为小 于所述预定值所经过的时间之间的对应关系；以及计时器，其测量在所述燃料电池的启动之后经过的时间，其中，所述判断部分通过设定所述直到所述阳极中的所述杂质气体的分压与所述阴极 中的所述杂质气体的分压之差变为小于所述预定值所经过的时间且通过参照所述计时器， 判断所述阳极中的所述杂质气体的分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压之差是否小 于所述预定值。
6.根据权利要求5的燃料电池系统，其中所述判断部分参照所述计时器是指比较所述 计时器所测量的所述经过时间与所述直到所述各分压之差变为小于所述预定值所经过的 时间。
7.根据权利要求5或6的燃料电池系统，其中所述燃料气体的供给的条件包括所供给的所述燃料气体的压力和所述发电体的温度中的至少一者。
8.根据权利要求5至7中任何一项的燃料电池系统，还包括检测所供给的所述燃料气 体的压力的压力传感器和检测所述发电体的温度的温度传感器中的至少一者。
9.根据权利要求5至8中任何一项的燃料电池系统，其中所述操作条件还包括所述燃 料电池的发电停止持续时间，并且所述计时器还测量所述发电停止持续时间，并且所述判 断部分通过考虑所述计时器所测量的所述发电停止持续时间而设定所述直到所述阳极中 的所述杂质气体的分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压之差变为小于所述预定值所 经过的时间。
10.根据权利要求3的燃料电池系统，还包括检测所述阳极中的所述杂质气体或所述 燃料气体的浓度的浓度传感器，其中所述判断部分基于所述浓度传感器所检测的所述杂质 气体或所述燃料气体的浓度而判断所述阳极中的所述杂质气体的分压与所述阴极中的所 述杂质气体的分压之差是否小于所述预定值。
11.根据权利要求10的燃料电池系统，其中所述浓度传感器设置在所述燃料电池的启 动时所述杂质气体可能滞留的区域中。
12.根据权利要求10或11的燃料电池系统，其中所述浓度传感器设置在所述阳极中的 在所述燃料气体的流动方向上的下游区域中。
13.根据权利要求3至12中任何一项的燃料电池系统，还包括检测所述阳极与所述阴 极之间的电压的电压检测部分，其中所述判断部分基于所述电压检测部分所检测的电压而 判断所述阳极中的所述杂质气体的分压与所述阴极中的所述杂质气体的分压之差是否小 于所述预定值。
14.一种燃料电池系统，包括燃料电池，其包括通过将阳极接合到电解质膜的一个表面且将阴极接合到所述电解质 膜的另一表面而形成的发电体，并且其在供给到所述阳极的燃料气体不向外部排出而滞留 在内部时发电；燃料气体供给部分，其向所述阳极供给所述燃料气体；以及输出控制部分，其在所述燃料电池的启动时，控制在开始从所述燃料气体供给部分供 给所述燃料气体之后直到满足预定条件时所述燃料电池的输出。
15.根据权利要求1至14中的任何一项的燃料电池系统，其中在所述燃料电池的启动 时，在所述氧化剂气体向所述阴极的供给之前执行所述燃料气体向所述阳极的供给。
16.一种对燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括电池，所述电池包括通过 将阳极接合到电解质膜的一个表面且将阴极接合到所述电解质膜的另一表面而形成的发 电体，并且所述电池在供给到所述阳极的燃料气体不向外部排出而滞留在内部时发电，所 述控制方法包括获得所述燃料电池所要求的要求输出；以及基于所获得的要求输出而向所述阳极供给所述燃料气体且向所述阴极供给包含氧和 除了氧之外的杂质气体的氧化剂气体，并且将阴极废气从所述阴极排出到所述燃料电池的 外部，并且控制所述燃料电池的输出，其中所述阴极废气是在所述阴极中未用于发电的氧 化剂气体，其中控制所述燃料电池的输出包括在所述燃料电池的启动时，将所述燃料电池 的输出限制为小于所述要求输出的输出。
17. 一种对燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括电池，所述电池包括通过 将阳极接合到电解质膜的一个表面且将阴极接合到所述电解质膜的另一表面而形成的发 电体，并且所述电池在供给到所述阳极的燃料气体不向外部排出而滞留在内部时发电，所 述控制方法包括在所述燃料电池的启动时，向所述阳极供给所述燃料气体；以及在开始供给所述燃料气体之后直到满足预定条件时，限制所述燃料电池的输出。
全文摘要
在启动燃料电池时，分别向阳极和阴极供给包含氢气的燃料气体和氧化剂气体(例如空气)，该氧化剂气体包含氧气和杂质气体，并且限制(例如，禁止)燃料电池的输出。在阳极中的杂质气体的分压与阴极中的杂质气体的分压之差变为小于预定值之后，解除对燃料电池的输出的限制，并且根据要求输出而控制燃料电池的输出。
文档编号H01M8/04GK101981736SQ200880025153
公开日2011年2月23日 申请日期2008年7月16日 优先权日2007年7月18日
发明者白川努 申请人:丰田自动车株式会社