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，具体而言，涉及一种诊断燃料电池内部的干燥状 态并将该诊断结果反映到系统控制上的燃料电池系统。
背景技术：
一直以来，日本特开2006-318784号公报、日本特开2005-100952号公报、日本特 开平9-259913号公报等各专利文献公开了，一种在平行于燃料电池发电面的平面内设置 多个电流传感器，并将由这些电流传感器测量出的局部电流的测量结果反映到系统控制上 的技术。在这些专利文献公开的技术中，将各测量点处的局部电流的测量值和规定的基准 值个别地进行比较，或者将集中各测量值而得到的电流分布的模型和规定的基准模型进行 比较。然后，从这些比较结果中检测干涸、溢流、燃料气体不足、氧化剂气体不足等异常。上述列举的异常中的干涸是指，燃料电池内的水分不足从而电解质膜干燥了的现 象。在燃料电池的电解质膜中，其内部的氢离子的移动需要水分子，只有在含有水分的状态 下才体现出较高的离子传导性。因此，如果燃料电池内的水分不足从而电解质膜干燥了的 话，那么伴随着离子传导率的降低，燃料电池的发电性能将大幅度降低。所以，对于燃料电 池而言，从维持较高的发电性能的角度出发，使燃料电池内保持适度的湿润状态是很重要 的。在日本特开2006-318784号公报中，公开有一种有关干涸(也称为干燥)检测的 技术(以下称为现有技术)。在该现有技术中，阴极气体(氧化剂气体)在入口一侧流道中 的电路密度的分布和出口一侧流道中的电流密度的分布被进行比较，并且在入口一侧流道 的电流密度降低了的情况下判断为发生干涸。
发明内容
发明所要解决的课题根据上述现有技术，能够检测到阴极入口侧的干涸的发生。但是，在现有技术中， 还无法诊断出干涸扩展到发电面的什么范围内。此外，现有技术也只是将阴极入口侧发生 的干涸作为检测对象，而干涸在阳极一侧也发生。虽然通过改变燃料电池的运转条件能够 消除干涸，但是，为此需要详细地把握干涸的发生状况、并选择对应于干涸的发生状况的适 当的控制方法。本发明是为了解决上述课题而实施的发明，其目的在于，提供一种能够详细地诊 断燃料内部的干燥状态的燃料电池系统。为了达成上述目的，本发明的第一发明的燃料电池系统的特征在于，具备燃料电 池，其通过阳极和阴极分别接受反应气体的供给而进行发电；测量单元，其测量所述燃料电 池的发电面上的电流密度的分布；诊断单元，其根据发电面上的电流密度的峰值位置的变 化，来诊断所述燃料电池内部的干燥状态。这里，所述测量单元测量的电流密度的分布，可以是对发电面的多个部位上的局部电流值进行测量，也可以将发电面划分成多个区域后并对各区域的电流密度(用代表电 流值除以该区域的面积后的值)进行测量。此外，可以求取表示平面内的电流密度分布中最高值的部分，以作为电流密度的 峰值位置。例如，可以将多个传感器中测量出最高的电流密度(或局部电流值)的传感器 的位置、或者将各传感器的值拟合之后得到的曲线(电流密度曲线)的顶点位置作为峰值 位置。关于峰值位置的变化，可以设定如下，即，如果是与需要检测的干涸范围相对应的 变化量，则作为峰值位置发生了变化。其基准变化量可以根据该范围而预先通过实验等来 确定。例如，可以在测量出最高的局部电流值的传感器转换至其他传感器的情况下、或在曲 线的峰值位置移动到了预先通过实验等而确定的规定值以上的情况下，认为峰值位置发生 了变化。在前者的例子中，既可以在测量出最高局部电流值的元件移动到邻接的传感器的 情况下认为峰值位置发生了变化，也可以在只有移动到远离规定距离以上的传感器的情况 下才认为峰值位置发生了变化。所谓基于峰值位置的变化的诊断是指，根据峰值位置的变化量、变化速度、或变化 方向、或其组合而进行的诊断。例如，从峰值位置的变化方向上，能够诊断出干燥发生在哪 个位置，从峰值位置的变化量或变化速度上，能够诊断出干燥的进展情况。但是，峰值位置 的变化方向和干燥的发生位置的关系，则依存于阳极侧的反应气体的流动方向和阴极侧的 反应气体的流动方向之间的关系。本发明第二发明的特征在于，在第一发明的燃料电池系统中，所述燃料电池为，阳 极侧的反应气体和阴极侧的反应气体隔着发电面而向相反方向流动的燃料电池，所述诊断 单元判断电流密度的峰值位置变化至阳极和阴极的哪一方的出口一侧，并根据该判断结果 来确定干燥部位。这里，峰值位置变化到了哪一侧，能够通过测量出最高局部电流值的传感器转换 至离阳极和阴极中的哪个出口侧近的传感器来进行诊断。或者，能够通过将各传感器的值 进行拟合而得到的曲线的峰值位置向阳极和阴极中的哪个出口侧移动来进行诊断。也可以 预先对各方向的峰值位置的变化量设定阈值，并仅在向某一个方向的峰值位置的变化量超 过了该方向的阈值的情况下，判断为产生了向该方向的峰值位置的变化。峰值位置的变化方向和干燥位置之间的对应关系，预先通过实验等来确定即可。 使用该对应关系，在电流密度的峰值位置变化到了阴极出口一侧的情况下，能够诊断出在 阴极入口一侧产生了干燥。相反，在电流密度的峰值位置变化到了阳极出口一侧的情况下， 就能诊断出在阳极入口一侧产生了干燥。本发明第三发明的特征在于，在第一发明的燃料电池系统中，所述燃料电池为，阳 极侧的反应气体和阴极侧的反应气体隔着发电面而并行流动的燃料电池，当电流密度的峰 值位置发生了变化时，所述诊断单元验证电流密度的峰值位置是否根据阳极侧反应气体的 供给条件的变化而发生变化，并根据该验证结果来确定干燥部位。这里，所谓峰值位置发生了变化的情况是指，例如，测量出最高的局部电流值的传 感器转换至其他传感器的情况，或者，将各传感器的值拟合而得到的曲线的峰值位置移动 了的情况。也可以对峰值位置的变化量设定阈值，并仅在峰值位置的变化量超过了阈值的 情况下判定峰值位置发生了变化。
此外，所谓阳极侧反应气体的供给条件，可以是例如阳极气体的供给压力、或供给 流量、或者上述两者。而且，峰值位置的变化与供给条件的变化相对应的情况，能够通过如 下状况来进行确认，例如，当改变供给条件时峰值位置发生了变化，当不改变供给条件时峰 值位置不发生变化、或者与改变供给条件时的情况相比基本不发生变化。对于电流密度的 峰值位置是否根据供给条件的变化而变化的验证，例如可以是，确认在改变供给条件时峰 值位置的变化量是否超过了阈值。改变供给条件时峰值位置变化的有无和干燥部位之间的对应关系，可以预先通过 实验等来确定。根据该对应关系，当改变供给条件时，能够在与之相对应地、电流密度的峰 值位置发生了变化时，诊断出在阳极入口一侧产生了干燥。相反地，在电流密度的峰值位置 不产生变化时，能够诊断出在阴极入口一侧产生了干燥。本发明第四发明的特征在于，在第一至第三的任意一项发明中，还具备控制单元， 当由所述诊断单元诊断出所述燃料电池的内部干燥时，所述控制单元根据诊断结果来控制 所述燃料电池的运行条件，以使电流密度的峰值位置返回至变化前的位置。这里，所谓燃料电池的内部，是指燃料电池的发电面及沿着发电面的反应气体的 流道。并且，所谓燃料电池的内部干燥的意思是指，其至少一部分是干燥的。作为成为控制对象的燃料电池的运转条件，有阴极化学计量比、阳极背压、空气加 湿量、制冷剂温度、阳极化学计量比、阳极背压等。只需根据干燥部位来控制上述这些中的 某一个或多个控制对象即可。至于在控制燃料电池的运转条件时峰值位置将如何变化，能 够预先通过试验等来确定。发明效果在燃料电池的内部产生了干燥部分的情况下，由于该部分处的发电性能降低，从 而发电面中的电流密度的分布将产生变化，电流密度的峰值位置将向未产生干燥的一侧变 化。如果产生干燥的区域扩大，则与之对应地，峰值位置的变化也将变大。这样，由于燃料 电池内部的干燥状态通过电流密度的峰值位置的变化来显现，因此根据第一发明，能够详 细地诊断出燃料电池内部的干燥状态。根据第二发明，能够在对流型的燃料电池中，确定干燥部位是在阴极入口侧还是 在阳极入口侧。根据第三发明，能够在并流型的燃料电池中，确定干燥部位是在阴极入口侧还是 在阳极入口侧。根据第四发明，能够通过控制燃料电池的运转条件而使电流密度的峰值位置返回 到变化前的位置，从而消除燃料电池内部产生的干燥，并恢复由于干燥而降低了的发电性 能。
图1是模式化地表示本发明的第一实施方式的燃料电池(燃料电池组)的结构的 图。图2是模式化地表示使用了图1所示的燃料电池组的燃料电池系统的结构的图。图3是在反应气体的流动为对流的燃料电池中，对发生了阴极干涸时的电流密度 分布、发生了阴极溢流时的电流密度分布以及通常的电流密度分布进行比较表示的图。
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图4是在反应气体的流动为对流的燃料电池中，对发生了阳极干涸时的电流密度 分布、发生了阳极溢流时的电流密度分布以及通常的电流密度分布进行比较表示的图。图5是表示在本发明第一实施方式中执行的、基于电流测量单元的测量信号的异 常诊断、和基于该诊断结果的恢复控制的程序的流程图。图6是用于说明在本发明第一实施方式中执行的、燃料电池系统的运转停止控制 方法的图。图7是用于说明在本发明第一实施方式中执行的、燃料电池系统的起动控制方法 的图。图8是在反应气体为并流的燃料电池中，对发生了干涸时的电流密度分布和通常 的电流密度的分布进行比较表示的图。图9是在反应气体为并流的燃料电池中，对发生了溢流时的电流密度分布和通常 的电流密度的分布进行比较表示的图。图10是表示在本发明第二实施方式中执行的、基于电流测量单元的测量信号的 异常诊断、和基于该诊断结果的恢复控制的程序的流程图。图11是表示发生了干涸时的电流密度变化率的分布的图。图12是表示发生了溢流时的电流密度变化率的分布的图。符号说明2燃料电池组4 高压氢气罐6氢气供给流道8可变调压阀10控制装置12阳极气体循环流道14循环泵18 负载20空气压缩机22空气供给流道24阴极气体排出流道26背压调节阀28加湿器30单位电池32电流测量单元34电流传感器40膜电极接合体42阴极气体流道44阳极气体流道46、48 集电板
具体实施例方式实施方式1以下，利用附图对本发明的实施方式1进行说明。图1是模式化地表示本实施方式中的燃料电池系统的结构的图。如图1所示，燃 料电池是将多个单位电池30层叠而构成燃料电池组2而使用的。单位电池30被构成为， 用一对集电板46、48夹持住膜电极接合体(MEA)40。集电板46、48也起到隔开邻接的两个 膜电极接合体的隔板的作用。在阴极侧集电板46的内侧形成有用于向膜电极接合体40提 供空气的阴极气体流道42。在阳极侧集电板48的内侧形成有用于向膜电极接合体40提供 氢气的阳极气体流道44。在燃料电池组2内，电流测量单元32和单位电池30被层叠在一起。在电流测量 单元32中埋入有多个电流传感器34，从而能够在多个测量点测量从与电流测量单元32邻 接的单位电池30流出、或流入单位电池30的电流(局部电流)。从各电流传感器34在发 电面上的坐标和其测量电流值，能够测量出与电流测量单元32邻接的单位电池(以下称为 检查对象电池)30的发电面上的电流密度的分布。图2是模式化地表示本实施方式中的燃料电池系统的结构的图。燃料电池系统为， 通过图1所示的燃料电池组2来发电，并将该电力提供给电动机等的电气负载18的电力供应 系统。在通过燃料电池组2发电时，需要连续地供应作为反应气体的氧化剂气体及燃料气体。 在本实施方式的燃料电池系统中，作为氧化剂气体使用了空气，作为燃料气体使用了氢气。在燃料电池组2上连接有用于供给空气的空气供给流道22。在空气供给流道22 中配置有空气压缩机20。通过空气压缩机20被引入空气供给流道22中的空气，在被加湿 器28适度地加湿后，被供给到燃料电池组2中。被供给到燃料电池组2中的空气，通过形 成在燃料电池组2内的供给岐管而被分配给各单位电池30的阴极。通过了各单位电池30 的阴极的气体(流过阴极的气体)，在形成于燃料电池组2内的排出岐管处汇集并被排出到 阴极气体排出流道24中。加湿器28在阴极气体排出流道24中回收流过阴极的气体中的 水分，并供给到流动于空气供给流道22内的空气中。此外，在阴极气体排出流道24中配置 有背压调节阀26。在燃料电池组2上连接有用于从高压氢气罐4向燃料电池组2供给氢气的氢气供 给流道6。在氢气供给流道6的途中配置有可变调压阀8。氢气在被可变调压阀8减压并 被调整到所需的压力后，被供给到燃料电池组2。被供给到燃料电池组2的氢气，通过形成 在燃料电池组2内的供给岐管而被分配到各单位电池30的阳极。通过了各单位电池30的 阳极的气体(流过阳极的气体)，在形成于燃料电池组2内的排出岐管处汇集并被排出到 阳极气体循环流道12中。阳极气体循环流道12的前端被连接在氢气供给流道6中可变调 压阀8的下游。并且，其途中设置有用于将流过阳极的气体送入氢气供给流道6的循环泵 14。另外，作为使阳极气体循环的装置，也可以不使用循环泵14而使用喷射器。本实施方式的燃料电池系统中具备控制装置10。在控制装置10的输入部上连接 有电流测量单元32。此外，在控制装置10的输出部上，连接有可变调压阀8、循环泵14、负 载18、空气压缩机20、加湿器28等设备。通过操作这些设备，能够控制燃料电池组2的运 转条件。控制装置10根据从电流测量单元32输入的测量信号而进行燃料电池组2的异常 诊断，并根据该诊断结果来控制燃料电池组2的运转条件。
以下，对基于电流测量单元32的测量信号的异常诊断的方法、和对应于该诊断结 果的运转条件的控制方法进行详细说明。图3及图4表示的是，将电流测量单元32中包含的各电流传感器34的信号排列 于反应气体的流动方向上时的状态，这些示了反应气体的流动方向上的电流密度的分 布。另外，本实施方式的燃料电池组2被构成为，使阴极气体流道42内的空气的流动方向 和阳极气体流道44内的氢气的流动方向相反，即，空气和氢气向相反方向流动。在图3及 图4中，将阴极气体流道42的入口、及阳极气体流道44的出口定为横轴的左端，将阴极气 体流道42的出口、及阳极气体流道44的入口定为横轴的右端。在图3及图4中用实线所示的电流分布为，电流内部的干燥状态或湿润状态为正 常、即通常时的电流分布。通过以这种通常时的电路分布为基准，并根据电流分布表现出何 种方式的变化，能够诊断出燃料电池组2内部产生的异常，具体而言，即能够诊断出干涸和溢流。首先，对基于电流分布的变化的干涸诊断方法进行说明。图3中虚线所示的电流 分布为，发电面的阴极侧产生了干涸(以下，称为阴极干涸)时的电流分布。在发电面的阴 极侧，越靠近阴极气体流道42的入口就越容易产生干燥。由于在发电面的发生干燥的部分 中，电解质膜的离子传导度将下降，因此电流密度将降低。但是由于在催化剂层发生发电反 应，因此在发电反应中产生的电流将集中到未产生干燥的部分。其结果为，如图3中虚线所 示，电流密度的峰值位置将向未发生干燥的阴极气体流道42的出口侧位移。因此，阴极干 涸的发生能够通过电流密度的峰值位置向阴极气体流道42的出口侧位移的现象来进行判 断。此外，电流密度的峰值位置的变化量越大，则能够判断出在阴极侧的越大的范围内发生 了干涸。图4中虚线所示的电流分布为，在发电面的阳极侧发生了干涸(以下，称为阳极干 涸)时的电流分布。基于和阴极侧同样的理由，阳极干涸的发生能够通过电流密度的峰值 位置向阳极气体流道44的出口侧位移的现象来进行判断。此外，电流密度的峰值位置的变 化量越大，则能够判断出在阳极侧的越大的范围内发生了干涸。接下来，对基于电流分布的变化的溢流诊断方法进行说明。图3中点划线所示的 电流分布为，发电面的阴极侧产生了溢流(以下，称为阴极溢流)时的电流分布。在发电面 的阳极一侧，距离阴极气体流道42的出口越近，水分就越容易过多。由于在发电面的水分 过多的部位中，向阴极催化剂层的气体扩散将受到阻碍，因此该部分处的发电反应将降低， 从而如图3中点划线所示，电流密度将大幅度降低。但是，由于本实施方式的单位电池30被构成为，空气和氢气在其内部向相反方向 流动，因此如图4中的虚线所示，在产生阳极干涸时，阴极气体流道42的出口附近的电流密 度也降低。所以，仅根据出口附近的电流密度的变化，难以区别阴极溢流和阳极干涸。但 是，在阳极干涸的情况下，随着干燥部分处的电流密度的降低，在正常部分处的电流密度将 上升的现象，而在阴极溢流的情况下仅在水分过多的部分处产生电流密度的降低。所以，阴 极溢流的发生，能够通过电流密度的峰值位置不变而阴极气体流道42出口附近的电流密 度降低的现象来进行判断。此外，电流密度下降了的区域越大，则能够判断出在阴极侧的越 大的范围内产生了溢流。图4中点划线所示的电流分布为，发电面的阳极侧产生溢流(以下，称为阳极溢流)时的电流分布。基于和阳极侧同样的理由，阳极溢流的发生能够通过电流密度的峰值 位置不变而阳极气体流道44出口附近的电流密度降低的现象来进行判断。此外，电流密度 的下降了的区域越大，则能够判断出在阳极侧的越大的范围内发生了溢流。如以上说明，通过根据电流分布的变化来进行异常诊断，从而能够详细地诊断出 电池内部的干燥状态和湿润状态。尤其是，通过着眼于电流分布的峰值位置的变化，能够详 细地诊断出干涸的发生状况。接下来，对对应于异常诊断结果的运转条件的控制方法进行说明。首先，在诊断 为发生了阴极干涸的情况下，通过以如下的(al) (a3)的方式来控制燃料电池组的运转 条件，从而实现从阴极干涸状态向正常状态的恢复(以下，将该控制称为阴极干涸恢复控 制)。控制的运转条件既可以某一个，也可以是多个的组合。阴极干涸恢复控制被持续实施 直至电流分布返回到在正常范围内。(al)使压缩机20的旋转速度降低从而降低阴极化学计量比。(a2)减小背压调节阀26的开度从而使阴极背压上升。(a3)提高加湿器28对空气的加湿量。在诊断为产生了阳极干涸的情况下，通过以如下的(bl) (b3)的方式来控制燃 料电池组的运转条件，从而实现从阳极干涸状态向正常状态的恢复(以下，将该控制称为 阳极干涸恢复控制)。控制的运转条件可以是某一个，也可以是多个的组合。阳极干涸恢复 控制将持续实施直至电流分布返回到正常范围内。(bl)使压缩机20的旋转速度降低从而降低阴极化学计量比。(b2)减小背压调节阀26的开度从而使阴极背压上升。(b3)提高加湿器28对空气的加湿量。在诊断为产生了阴极溢流的情况下，通过以如下的(Cl) (c3)的方式来控制燃 料电池组的运转条件，从而实现从阴极溢流状态向正常状态的恢复(以下，将该控制称为 阴极溢流恢复控制)。控制的运转条件可以是某一个，也可以是多个的组合。阴极溢流恢复 控制将持续实施直至电流分布返回到正常范围内。(cl)提高压缩机20的旋转速度从而提高阴极化学计量比。(c2)增大背压调节阀26的开度从而使阴极背压降低。(c3)在电池内部的制冷剂的流动和空气的流动是相同方向的情况下，提高制冷剂 的出口温度。在诊断为产生了阳极溢流的情况下，通过以如下的(dl) (d4)的方式来控制燃 料电池组的运转条件，从而实现从阳极溢流状态向正常状态的恢复(以下，将该控制称为 阳极溢流恢复控制)。控制的运转条件可以是某一个，也可以是多个的组合。阳极溢流恢复 控制将持续实施直至电流分布返回到正常范围内。(dl)提高循环泵14的旋转速度或者增大可变调压阀8的开度，从而使阳极化学计 量比上升。(d2)提高循环泵14的旋转速度从而使阳极背压降低。(d3)提高压缩机20的旋转速度从而使阴极化学计量比上升。(d4)降低加湿器28对空气的加湿量。控制装置10根据图5中的流程图所示的程序，来实施基于电流测量单元32的测量信号的异常诊断、和基于该诊断结果的恢复控制。根据该程序，首先，判断电流密度的峰 值位置是否向阴极的出口侧进行了变化(步骤S100)。如果该判断结果为“是”，则判断为 发生了阴极干涸，从而实施阴极干涸恢复控制(步骤S102)。如果步骤SlOO的判断结果为“否”，则接着判断电流密度的峰值位置是否向阳极 的出口侧进行了变化(步骤S104)，如果该判断结果为“是”则判断为发生了阳极干涸，从而 实施阳极干涸恢复控制(步骤S106)。如果步骤S104的判断结果为“否”，则接着判断阴极出口附近的电流密度是否降 低了(步骤S108)，如果该判断结果为“是”，则判断为发生了阴极溢流，从而实施阴极溢流 恢复控制(步骤Sl 10)。如果步骤S108的判断结果为“否”，则接着判断阳极出口附近的电流密度是否降 低了(步骤S112)，如果该判断结果为“是”，则判断为发生了阳极溢流，从而实施阳极溢流 恢复控制(步骤S114)。另一方面，如果步骤S112的判断结果为“否”，则判断为在燃料电 池组2的发电面未产生干涸或溢流，即燃料电池组2处于正常状态。在本实施方式中，通过由控制装置10执行图5所示的程序，从而实现了第一发明 及第二发明中的“诊断单元”和第四发明中的“控制单元”。接下来，对本实施方式中燃料电池系统停止运转时所实施的处理进行说明。在燃 料电池系统起动时，燃料电池组2的内部处于残留有因发电反应而生成的水分的状态。该 残留水分在电解质膜的离子传导中是必需的。但是，在发电面内的含水率的分布有偏差的 情况下，在从冰点以下起动时将会产生问题。在冰点以下起动时将实施利用内部电阻的发 热对电池内部进行暖机的暖机运转，但是如果含水率分布有偏差，则含水率最高的部分将 成为速控，从而使暖机运转的时间延长。因此，在本实施方式中设计为，在燃料电池系统的运转停止时实施扫气处理，以使 发电面内的含水率分布成为大致固定的状态。扫气在电压固定的状态下扫描少量的电流 的同时实施。此外，在阴极侧、阳极侧同时进行扫气。在扫气的同时进行发电的情况下，由 于是化学计量比过剩状态下的发电，因而电流密度的分布将由发电面内的含水率分布来决 定。所以，通过监视电流密度的分布，就能够间接地监视含水率分布。在本实施方式中，如 图6所示，进行扫气直至整体的电流密度低于目标含水率时的电流密度(基准值)，如果低 于基准值就停止扫气和电流的扫描。接着，对于在本实施方式中燃料电池系统的起动时所实施的处理进行说明。通过 在运转停止时实施所述扫气处理，从而使燃料电池系统起动时发电面内的含水率分布成为 大致固定的较低状态。在起动后需要迅速地驱动负载，为此需要增加发电面内的含水率。 但是，如果含水率局部性地增大，则有可能会在该部分发生溢流，或在冰点下使生成的水结 冰。因此，在本实施方式中，如图7所示，设定发生溢流的上限电流密度(或者，生成水 结冰的上限电流密度)，并控制负载18以防止超过该上限电流密度。由于发电量和生成水 量具有大致的比例关系，因此通过监视电流密度的分布，能够间接地监视含水率分布。另 外，由于发电量由电压和电流值决定，所以上述上限电流密度按照各个电压而被设定。此 外，由于发电面内的含水量因气体流量尤其是阴极侧的气体流量而发生变化，所以所述上 限电流密度也根据气体流量而改变。
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实施方式2接下来，对本发明的实施方式2使用图进行说明。本实施方式的燃料电池系统与实施方式1相比，燃料电池组2内的反应气体的流 动方向不同。本实施方式的燃料电池组2被构成为，阴极气体流道42内的空气流动方向和 阳极气体流道44内的氢气的流动方向为相同方向，即空气和氢气并行流动。由于反应气体 的流动方向的不同，本实施方式的燃料电池系统和实施方式1中的燃料电池系统中，基于 电流测量单元32的测量信号的异常诊断的方法也有所不同。图8及图9是将电流测量单元32中所含的各电流传感器34的信号排列在反应气 体的流动方向上的图。这些示了反应气体流动方向上的电流密度的分布。在图8及图 9中，阴极气体流道42的入口、及阳极气体流道44的出口定在横轴的左端，阴极气体流道 42的出口、及阳极气体流道44的入口定在横轴的右端。在图8及图9中用实线所示的电流分布为，电池内部的干燥状态或湿润状态为正 常时、即通常时的电流分布。以该通常时的电流分布为基准并根据电流分布表现出何种形 式的变化，能够诊断出燃料电池组2的内部产生的异常，即干涸和溢流。首先，对基于电流分布的变化的干涸诊断方法进行说明。在图8中用虚线所示的 电流分布为，发电面的阴极侧和阳极侧的某一侧发生了干涸时的电流分布。如在实施方式1 中所说明的那样，干涸的发生能够通过电流密度的峰值位置向气体流道42、44的出口侧变 化的现象来进行判断。此外，电流密度的峰值位置的变化量越大，则能够判断出在发电面的 越大的范围内发生了干涸。但是，仅根据电流密度的峰值位置向出口侧发生了变化的现象，无法区别干涸是 在阳极侧发生还是在阴极侧发生。为了对此进行区别，需要控制循环泵14的旋转速度以使 阳极化学计量比变化。如果阳极化学计量比变化，则对应于此，阳极侧的水分的被去除量也 将变化。因此，在阳极侧发生了干涸的情况下，通过降低阳极化学计量比从而使电流密度的 峰值位置将向入口侧变化，通过升高阳极化学计量比从而使电流密度的峰值位置将再向出 口侧变化。另一方面，由于阴极侧的水分量几乎不受阳极侧的气体流量的影响，所以在干涸 发生在阴极侧的情况下，即使改变阳极化学计量比，电流密度的峰值位置也不产生变化。另外，在改变阴极化学计量比而非阳极化学计量比的情况下，阴极侧的水分的被 去除量将相应地发生变化。但是，由于阴极侧的气体流量与阳极侧的气体流量相比非常多， 因此通过经由电解质膜的水分的移动，阳极侧的水分量也将发生变化。即，通过改变阴极化 学计量比，无法区别干涸的发生位置是发电面的阳极侧和阴极侧中的哪一侧。接下来，对基于电流分布的变化的溢流诊断方法进行说明。图9中点划线所示的 电流分布为，发电面的阴极侧和阳极侧的某一侧发生了溢流时的电流分布。如在实施方式1 中所说明的那样，溢流的发生能够通过电流密度的峰值位置不变而气体流道42、44的出口 附近的电流密度降低的现象来进行判断。此外，电流密度降低的区域越大，则能够判断出在 发电面的越大的范围内发生了溢流。但是，仅根据气体流道42、44的出口附近的电流密度降低了的现象，无法区别溢 流是在阳极侧发生还是在阴极侧发生。为了对此进行区别，与对干涸进行区别时同样地，需 要控制循环泵14的旋转速度从而使阳极化学计量比变化。在溢流发生在阳极侧的情况下， 使阳极化学计量比降低时，出口附近的电流密度进一步降低，使阳极化学计量比上升时，出口附近的电流密度恢复。另一方面，由于和干涸的情况同样的理由，在溢流发生在阴极侧的 情况下，即使改变阳极化学计量比，电流密度的峰值位置也不会产生变化。在本实施方式的燃料电池系统中，控制装置10按照图10中的流程图所示的程序， 来实施基于电流测量单元32的测量信号的异常诊断、和基于该诊断结果的恢复控制。根据 该程序，首先，判断电流密度的峰值位置是否向出口侧进行了变化(步骤S200)。如果该判 断结果为“是”，则执行降低阳极化学计量比的处理(步骤S202)。接下来，判断随着阳极化学计量比的降低，电流密度的峰值位置是否向入口侧进 行了变化(步骤S204)。如果该判断结果为“是”，则判断为发生了阳极干涸，从而实施阳极 干涸恢复控制(步骤S206)。另一方面，如果判断结果为“否”，则判断为发生了阴极干涸， 从而实施阴极干涸恢复控制(步骤S208)。各个恢复控制的内容与实施方式1中所说明的 相同。另一方面，如果步骤S200的判断结果为“否”，则判断出口附近的电流密度是否 降低(步骤S210)。如果该判断结果为“是”，则执行使阳极化学计量比上升的处理(步骤 S212)。然后，判断随着阳极化学计量比的上升，出口附近的电流密度是否恢复了(步骤 S214)。如果该判断结果为“是”，则判断为发生了阳极溢流，从而实施阳极溢流恢复控制 (步骤S216)。另一方面，如果判断结果为“否”，则判断发生了阴极溢流，实施阴极溢流恢复 控制(步骤S218)。如果步骤S210的判断结果为“否”，则判断为燃料电池组2的发电面上 没有产生干涸或溢流，即燃料电池组2处于正常状态。在本实施方式中，通过由控制装置10执行图10所示的程序，从而实现了第一及第 三发明中的“诊断单元”和第四发明中的“控制单元”。其他以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式，在不脱离 本发明的主旨的范围内可以实施各种变形。例如，可以实施如下的变形。在上述实施方式中，是通过电流密度的峰值位置向出口侧变化的现象来判断发生 了干涸的，但在该变化量较小的情况下将难以区别干涸与溢流。因此，在这种情况下，在测 量电流密度的分布的同时也测量电流密度的时间变化率的分布，并根据电流密度的变化率 来区别干涸和溢流。图11是表示发生了干涸时的电流密度变化率的分布的图；图12是表 示发生了溢流时的电流密度变化率的分布的图。从这些图中可以看出，在发电面的干燥缓 慢进展的现象、即干涸之下，电流密度的降低率较小。相对于此，在水分完全覆盖催化剂层 的表面的现象、即溢流之下，电流密度的降低率较大。所以，如果预先对电流密度变化率设 定阈值α，则能够根据电流密度的降低率的分布中有无超过阈值α的部分来区别干涸和 溢流。此外，虽然在上述实施方式中采用了在使阳极气体循环的同时进行发电的运转方 法，但是也可以采用在将阳极气体封止在燃料电池组内部的状态下发电的运转方法。在这 种情况下，不再需要用于使阳极气体循环的装置(循环泵或喷射器)。另一方面，由于氮等 杂质滞留在阳极气体流道内，因而需要设置用于将这些杂质清除到外部的排气阀。在燃料 电池组发电时将排气阀置于完全关闭的状态，或者使排气阀稍微打开进行连续少量排气。 在连续少量排气中，调整排气阀的开度，以使得被排放到系统外的阳极气体的流量与燃料电池组内的氢气的消耗量相比成为非常小的值。在采用上述运转方法的情况下，关于根据异常诊断结果的恢复控制中的阴极干涸 恢复控制、阴极溢流恢复控制、及阳极干涸恢复控制，也能够使用上述实施方式中说明的控 制方法。关于阳极溢流恢复控制，除了(d3)、(d4)的方法之外，还能够采用将排气阀打开以 使阳极背压降低的方法。并且，本发明也能够适用于不具备排气阀、或是除紧急情况之外不驱动排气阀的 燃料电池系统。在不执行由排气阀所实施的清除的情况下，随着运转，阳极气体流道内的杂 质的分压将上升，但是如果上升到一定程度就将和阴极气体流道内的杂质的分压相等，从 而阳极气体流道内的杂质的分压无法再进一步上升。作为这种燃料电池系统中的阳极溢流 恢复控制，能够采用(d3)或(d4)的方法。
权利要求
一种燃料电池系统，其特征在于，具备燃料电池，其阳极和阴极分别接受反应气体的供给进行发电；测量单元，测量所述燃料电池的发电面中电流密度的分布；判断单元，根据发电面上的电流密度的峰值位置的变化判断所述燃料电池内部的干燥状态。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池是阳极侧的反应气体和阴极侧的反应气体隔着发电面相对流动的燃料 电池，所述判断单元判断电流密度的峰值位置向阳极和阴极的哪个出口一侧变化了，根据其 判断结果确定干燥部位。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池是阳极侧的反应气体和阴极侧的反应气体隔着发电面并行流动的燃料 电池，所述判断单元在判断电流密度的峰值位置有变化的情况下，验证对应于阳极侧的反应 气体的供给条件的变化该电流密度的峰值位置是否发生变化，根据该验证结果确定干燥部 位。
4.如权利要求1 3的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备控制单元，在由所述判断单元判断为所述燃料电池的内部是干燥的情况下，根据判断 结果控制所述燃料电池的运转条件，以使得电流密度的峰值位置回到变化前的位置。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池系统，其能够详细地诊断出燃料电池内部的干燥状态。测量燃料电池的发电面上的电流密度的分布，并基于发电面上的电流密度的峰值位置的变化来判断燃料电池的内部的干燥状态。如果是阳极一侧的反应气体(氢气)和阴极一侧的反应气体(空气)隔着发电面而向相反方向流动的燃料电池，则判断电流密度的峰值位置向阳极和阴极中的哪一个的出口一侧变化。根据该判断结果，能够确定阳极侧和阴极侧的哪一侧发生了干涸。
文档编号H01M8/04GK101933186SQ20098010356
公开日2010年12月29日 申请日期2009年1月23日 优先权日2008年1月30日
发明者末松启吾 申请人:丰田自动车株式会社