專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池具有包含在碳催化劑載體上承載的催化劑的電極，尤其涉及一種用于防止在啟動(dòng)和關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)時(shí)催化劑和催化劑載體劣化的控制。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種電化學(xué)設(shè)備，用以將供應(yīng)給燃料電池的氫氣等燃料氣體和包含氧的氧化劑氣體的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成從設(shè)在其電解質(zhì)兩側(cè)的電極提取出的電能。聚合物電解質(zhì)燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell，PEFC)由于在其中使用的固體聚合物電解質(zhì)隔膜材料的固有性質(zhì)，因而可以在低溫下工作且易于操作，因此尤其適合于車輛的電力應(yīng)用。燃料電池車輛攜載高壓氫罐、液氫罐、或氫貯存合金罐等氫貯存設(shè)備和燃料電池，其中將氫氣從該氫貯存設(shè)備供應(yīng)給該燃料電池以與空氣進(jìn)行反應(yīng)。從該燃料電池提取通過(guò)該反應(yīng)產(chǎn)生的電能，以驅(qū)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)輪連接的發(fā)動(dòng)機(jī)。因而燃料電池車輛是僅排水的最終的清潔車輛。
通常，作為PEFC的組件的電池由膜電極組件(membraneelectrode assembly，MEA)和將MEA夾在中間的一對(duì)隔板(separator)組成，其中，MEA由聚合物電解質(zhì)隔膜和設(shè)在其兩側(cè)的電極催化劑層組成。如在日本特開(kāi)2002-373674號(hào)公報(bào)中所公開(kāi)的那樣，電極催化劑層包括鉑催化劑和碳催化劑載體。在一些情況下，將鉑細(xì)粒涂于電解質(zhì)隔膜的表面以形成電極催化劑層。由于鉑很昂貴，因而通常將鉑細(xì)粒涂于碳催化劑載體的表面。
在PEFC中，電極反應(yīng)發(fā)生在供應(yīng)給陽(yáng)極(燃料電極)的氫氣與供應(yīng)給陰極(氧化劑電極)的空氣(或氧)之間，如下面的公式所示，從而生成電陽(yáng)極...(1)陰極...(2)發(fā)明內(nèi)容然而，在上述燃料電池中，當(dāng)啟動(dòng)/關(guān)閉該系統(tǒng)時(shí)，或當(dāng)該系統(tǒng)保持停止時(shí)，發(fā)生碳腐蝕/中毒，其中，碳與電解質(zhì)隔膜的陰極側(cè)表面上的電極催化劑層中的水發(fā)生反應(yīng)，從而使電解質(zhì)隔膜和電極催化劑劣化。
將參照?qǐng)D1A和1B來(lái)詳細(xì)說(shuō)明碳腐蝕/中毒。圖1A示出在啟動(dòng)/關(guān)閉燃料電池時(shí)電池中的碳腐蝕/中毒的反應(yīng)。在圖1B的表的左列中列出了在啟動(dòng)/關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)時(shí)發(fā)生該反應(yīng)的條件。
在燃料電池系統(tǒng)保持停止時(shí)，空氣進(jìn)入燃料電池的陽(yáng)極。從而在陽(yáng)極中產(chǎn)生氧和氫的混合物。
具體地，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)被停止時(shí)，空氣殘留在燃料電池的陰極中，氫氣殘留在燃料電池的陽(yáng)極中。如果燃料電池系統(tǒng)保持停止，則空氣進(jìn)入燃料電池的陽(yáng)極。該進(jìn)入的空氣與殘留的氫氣在陽(yáng)極中混合，從而在其中產(chǎn)生氧和氫的混合物。在該系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間停止后，進(jìn)入的空氣會(huì)將氫氣吹出燃料電池的陽(yáng)極，而使陽(yáng)極充滿空氣。當(dāng)開(kāi)始供應(yīng)氫氣以啟動(dòng)該系統(tǒng)時(shí)，所供應(yīng)的氫氣與陽(yáng)極中的空氣混合，從而在陽(yáng)極中產(chǎn)生氧和氫混合物的另一種情況。
當(dāng)在陽(yáng)極中存在上述混合物，并且是在具有較高氫濃度的區(qū)域中時(shí)，氫發(fā)生反應(yīng)，如公式(3)所示...(3)由此生成的質(zhì)子(H+)穿過(guò)電解質(zhì)隔膜，從陽(yáng)極轉(zhuǎn)移到陰極，在陰極，該質(zhì)子與氧反應(yīng)形成水，如公式(4)所示...(4)該反應(yīng)需要電子(e-)。然而，當(dāng)連接到燃料電池的外部電路沒(méi)有閉合時(shí)，在陽(yáng)極釋放的電子不能通過(guò)外部電路轉(zhuǎn)移到陰極。因此，存在于陰極中的水與電解質(zhì)隔膜上的催化劑載體碳反應(yīng)，如公式(5)所示，從而生成二氧化碳、質(zhì)子和電子。由此生成的電子被用于陰極中的水生成反應(yīng)(公式(4))。
...(5)通過(guò)公式(5)的反應(yīng)，捕獲電解質(zhì)隔膜上的碳，且使電解質(zhì)隔膜劣化。
在其中存在空氣的陽(yáng)極區(qū)域中，空氣中的氧、通過(guò)公式(5)的反應(yīng)生成的和從陰極轉(zhuǎn)移來(lái)的質(zhì)子、以及通過(guò)公式(3)的反應(yīng)生成的電子相互反應(yīng)形成水，如公式(4)所示。
當(dāng)燃料電池的開(kāi)端電壓升高時(shí)，電子更容易在燃料電池中移動(dòng)，從而加速由公式(3)到(5)所示的反應(yīng)。因此，電解質(zhì)隔膜的碳腐蝕變得嚴(yán)重。
將在關(guān)閉和停止燃料電池系統(tǒng)時(shí)電解質(zhì)隔膜上的鉑催化劑載體碳的腐蝕的反應(yīng)條件總結(jié)如下空氣(氧)殘留在陰極中；氫氣殘留在陽(yáng)極中，并且空氣(氧)從外部進(jìn)入陽(yáng)極；所生成的電能未被使用(停止電能提取)；以及高開(kāi)端電壓(見(jiàn)圖1B的左列)。
將在啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)時(shí)的碳腐蝕的反應(yīng)條件總結(jié)如下空氣(氧)從外部進(jìn)入陽(yáng)極；氫氣被供應(yīng)給陽(yáng)極并與陽(yáng)極中的空氣(氧)混合；停止電能提取直到陽(yáng)極充滿氫氣為止；高開(kāi)端電壓(見(jiàn)圖1B的左列)。
電解質(zhì)隔膜的催化劑載體碳的腐蝕影響燃料電池的I-V特性。具體地，具有腐蝕過(guò)的催化劑載體碳的燃料電池與正常條件下的燃料電池相比，在輸出電流下具有較低的輸出電壓，從而所生成的電能變低。
用于防止電解質(zhì)隔膜和催化劑劣化的一個(gè)措施是在啟動(dòng)該系統(tǒng)時(shí)將消耗電能并使電流流動(dòng)的輔助電路暫時(shí)連接到該燃料電池。具體地，在啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)時(shí)，將具有電阻器等的輔助電路暫時(shí)連接到燃料電池，從而防止電池電壓的突然升高。之后，當(dāng)在輔助電路中流動(dòng)的電流達(dá)到預(yù)定值時(shí)，或當(dāng)輔助電路的負(fù)載電壓降到預(yù)定值時(shí)，將電連接從輔助電路切換到主負(fù)載電路。
然而，該方法需要較長(zhǎng)時(shí)間以使輔助電路的負(fù)載電壓降低，從而使啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的時(shí)間變長(zhǎng)。
而且，當(dāng)利用燃料電池陽(yáng)極中的低氫濃度開(kāi)始電能生成時(shí)，容易使燃料電池劣化。
考慮到這些問(wèn)題，做出了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)能夠防止其燃料電池的催化劑劣化并減少系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，具體地，通過(guò)降低燃料氣體的供給量以防止過(guò)電壓，之后，增加燃料氣體的供給量以在較短時(shí)間內(nèi)完成陽(yáng)極中的氣體替換。
本發(fā)明的一個(gè)方面是一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元，用于命令開(kāi)始向該燃料電池系統(tǒng)的燃料電池供應(yīng)燃料氣體；工作狀態(tài)檢測(cè)器，用于檢測(cè)該燃料電池的工作狀態(tài)；劣化防止控制單元，用于基于該工作狀態(tài)檢測(cè)器的輸出和該燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元的輸出，進(jìn)行用于防止該燃料電池劣化的控制；以及燃料氣體供給量控制單元，用于根據(jù)該燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元的輸出和該劣化防止控制單元的控制，控制燃料氣體供給量，其中，在啟動(dòng)該燃料電池系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)行用于防止該燃料電池劣化的控制，其中，根據(jù)該燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元的輸出開(kāi)始該燃料氣體供應(yīng)，且在開(kāi)始用于防止該燃料電池劣化的控制后，通過(guò)該燃料氣體供給量控制單元增加該燃料氣體供給量。


現(xiàn)將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，其中圖1A是示出啟動(dòng)/關(guān)閉時(shí)燃料電池中的反應(yīng)的示意圖；圖1B是示出在啟動(dòng)/關(guān)閉/停止燃料電池時(shí)碳腐蝕/中毒的反應(yīng)條件和對(duì)其對(duì)策的表；圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的控制框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；圖4A是示出在啟動(dòng)比較例的燃料電池系統(tǒng)時(shí)氫氣供給量的變化的時(shí)間圖；圖4B是示出在啟動(dòng)比較例的燃料電池系統(tǒng)時(shí)燃料電池電壓的變化的時(shí)間圖；圖4C是示出在啟動(dòng)比較例的燃料電池系統(tǒng)時(shí)劣化防止控制的狀態(tài)的時(shí)間圖；圖4D是示出在啟動(dòng)比較例的燃料電池系統(tǒng)時(shí)陰極中的氧的量的變化的時(shí)間圖；圖4E是示出在啟動(dòng)比較例的燃料電池系統(tǒng)時(shí)陽(yáng)極中的氫替換量的變化的時(shí)間圖；圖5A是示出在啟動(dòng)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)時(shí)氫氣供給量的變化的時(shí)間圖；圖5B是示出在啟動(dòng)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)時(shí)燃料電池電壓的變化的時(shí)間圖；圖5C是示出在啟動(dòng)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)時(shí)劣化防止控制的狀態(tài)的時(shí)間圖；圖5D是示出在啟動(dòng)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)時(shí)陰極中的氧的量的變化的時(shí)間圖；
圖5E是示出在啟動(dòng)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)時(shí)陽(yáng)極中的氫替換量的變化的時(shí)間圖；圖6是示出根據(jù)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)控制序列的總體流程圖；圖7是示出根據(jù)第一實(shí)施例的氫供給量增加判斷處理的流程圖；圖8是示出根據(jù)第二實(shí)施例的氫供給量增加判斷處理的流程圖；圖9是示出根據(jù)第三實(shí)施例的氫供給量增加判斷處理的流程圖。
具體實(shí)施例方式
將參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。以下所說(shuō)明的每一實(shí)施例均是適合于燃料電池車輛的燃料電池系統(tǒng)。
第一實(shí)施例如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)包括燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元101，用于命令開(kāi)始向燃料電池系統(tǒng)的燃料電池供應(yīng)燃料氣體；工作狀態(tài)檢測(cè)器102，用于檢測(cè)燃料電池的工作狀態(tài)；劣化防止控制單元103，用于基于來(lái)自燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元101的輸出和來(lái)自工作狀態(tài)檢測(cè)器102的輸出，進(jìn)行用于防止燃料電池劣化的控制；以及燃料氣體供給量控制單元104，用于根據(jù)燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元101的輸出和劣化防止控制單元103的控制，控制燃料氣體供給量。
在根據(jù)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，圖2的工作狀態(tài)檢測(cè)器102被實(shí)現(xiàn)為用于檢測(cè)圖3的燃料電池1的電壓的電壓傳感器21，圖2的燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元101、劣化防止控制單元103和燃料氣體供給量控制單元104被實(shí)現(xiàn)為用于控制圖3的整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的工作的控制器30的一部分。
控制器30是具有CPU、存儲(chǔ)控制程序和參數(shù)的ROM、作為工作存儲(chǔ)存儲(chǔ)器的RAM、以及輸入/輸出接口的微處理器。
在圖3中，燃料電池(燃料電池主體)1是內(nèi)部加濕型，但不局限于此，燃料電池1具有陽(yáng)極1a、陰極1b、電解質(zhì)隔膜1c、多孔隔板1d和1e、用于加濕反應(yīng)氣體的純凈水經(jīng)過(guò)的純凈水流道1f和1g、冷卻劑流道1i、以及分隔純凈水流道1g與冷卻劑流道1i的隔板1h。
通過(guò)氫罐主閥3、降壓閥301和氫供應(yīng)閥4，將氫氣從氫罐2供應(yīng)給陽(yáng)極1a。通過(guò)降壓閥301將氫罐2的壓力降低到預(yù)定的中間壓力，之后，通過(guò)氫供應(yīng)閥4將氫氣壓力調(diào)整到期望的氫氣壓力，并將調(diào)整后的氫氣供應(yīng)給陽(yáng)極1a。
由控制器30控制燃料電池系統(tǒng)，其中該控制器30進(jìn)行陰極1b的空氣壓力控制、陽(yáng)極1a的氫壓力控制、用于在低溫環(huán)境下關(guān)閉燃料電池時(shí)將純凈水收集到純凈水罐13的純凈水收集控制、以及用于在啟動(dòng)燃料電池時(shí)控制陰極中的氧消耗的陰極氧消耗控制。
冷卻劑溫度控制單元24從控制器30接收命令，并控制冷卻劑泵15、三通閥16和散熱器風(fēng)扇18，使得將由設(shè)在燃料電池1的冷卻劑出口處的溫度傳感器19檢測(cè)到的燃料電池的溫度T1調(diào)整到期望的溫度。
排出器(ejector)5和氫循環(huán)泵8是燃料氣體循環(huán)設(shè)備，用于將燃料氣體再循環(huán)到陽(yáng)極1a。供應(yīng)給陽(yáng)極的氣體是通過(guò)氫供應(yīng)閥4供應(yīng)的新的氫氣和從陽(yáng)極1a排出的未使用的氫氣的混合物。氫循環(huán)泵8工作以包括排出器5的工作范圍外的氫流量范圍。
由控制器30控制陽(yáng)極1a處的氫壓力，其中控制器30進(jìn)行對(duì)由壓力傳感器6a檢測(cè)到的壓力P1的反饋控制，驅(qū)動(dòng)氫供應(yīng)閥4。通過(guò)將氫壓力控制為常數(shù)，自動(dòng)補(bǔ)償燃料電池1中所使用的氫氣。
在陽(yáng)極1a與稀釋送風(fēng)機(jī)9之間設(shè)有放氣閥7。在(a)到(c)的情況下放氣閥7打開(kāi)(a)排出在燃料氣體系統(tǒng)中積聚的氮?dú)庖源_保氫的循環(huán)；(b)吹走在氣道中積聚的水以恢復(fù)電池電壓；(c)在啟動(dòng)或關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行陰極氧消耗控制，其中，僅向陽(yáng)極1a供應(yīng)氫氣以消耗陰極1b中的氧，并利用氫氣替換燃料氣體系統(tǒng)中的氣體以防止燃料電池的劣化。
稀釋送風(fēng)機(jī)9利用空氣稀釋包含從放氣閥7排出的氫的氣體，將其氫濃度降低到不燃范圍以下，并將稀釋后的氣體排出該系統(tǒng)外。
通過(guò)壓縮機(jī)10將空氣供給陰極1b。由設(shè)在陰極進(jìn)口側(cè)的壓力傳感器6b檢測(cè)陰極1b處的空氣壓力P2。控制器30通過(guò)對(duì)由壓力傳感器6b檢測(cè)到的空氣壓力P2進(jìn)行反饋控制、并驅(qū)動(dòng)空氣壓力調(diào)整閥11，將陰極的空氣壓力控制到期望的值。
由純凈水泵12從純凈水罐13供應(yīng)純凈水通道1f和1g中的加濕純凈水?？紤]電能生成效率和水平衡，確定空氣壓力、氫壓力和純凈水壓力，并將其調(diào)整到預(yù)定的壓力，使得在電解質(zhì)隔膜1c以及隔板1d和1e中不會(huì)產(chǎn)生張力(strain)。純凈水通道1f和1g中的一些水分別經(jīng)過(guò)多孔隔板1d和1e以加濕陽(yáng)極中的氫氣和陰極中的空氣。未使用的純凈水通過(guò)純凈水關(guān)閉閥14d返回到純凈水罐13。
如果在純凈水通道1f和1g中殘留有純凈水時(shí)停止燃料電池系統(tǒng)，則在冰點(diǎn)以下的溫度發(fā)生由結(jié)冰引起的純凈水的膨脹，在這種情況下，可能損壞燃料電池1。因此，當(dāng)停止該系統(tǒng)時(shí)，將純凈水收集到純凈水罐13。控制器30將通常由壓縮機(jī)10施加于陰極1b的空氣壓力送往純凈水通道1f和1g以及純凈水管道，吹走其中的純凈水，并使純凈水返回到純凈水罐13。純凈水罐13具有改良的結(jié)構(gòu)，即使純凈水在內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)也可以使用。
純凈水關(guān)閉閥14d是防止氣體泄露到純凈水管線的截止閥。當(dāng)將氫氣供應(yīng)給陽(yáng)極1a時(shí)，由于在啟動(dòng)或關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)時(shí)在純凈水通道1f和1g中沒(méi)有純凈水，因而可以通過(guò)關(guān)閉純凈水收集閥14b和純凈水關(guān)閉閥14d防止氫泄露到純凈水管道中。
通過(guò)冷卻劑泵15將冷卻劑供應(yīng)給燃料電池1中的冷卻劑通道1i。三通閥16切換冷卻劑的通道，將冷卻劑導(dǎo)引到散熱器17或散熱器旁路中的任何一個(gè)，或同時(shí)導(dǎo)引到二者。當(dāng)行駛中的自然空氣流不足以冷卻冷卻劑時(shí)，散熱器風(fēng)扇18將空氣強(qiáng)制送到散熱器17以冷卻冷卻劑。冷卻劑溫度控制單元24通過(guò)進(jìn)行由溫度傳感器19檢測(cè)到的冷卻劑溫度的反饋、并驅(qū)動(dòng)三通閥16和散熱器風(fēng)扇18，調(diào)整冷卻劑的溫度。
電能管理器20從燃料電池1提取電能，并將提取出的電能供應(yīng)給車輛驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(未示出)等負(fù)載設(shè)備。
在啟動(dòng)或關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行的用于防止燃料電池劣化的控制中，控制器30根據(jù)由電壓傳感器21檢測(cè)到的燃料電池電壓CV和所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，從燃料電池提取電能以消耗陰極的氧。
接著，參照?qǐng)D6和圖7的流程圖，對(duì)在啟動(dòng)時(shí)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中的控制進(jìn)行說(shuō)明。圖6是在啟動(dòng)第一實(shí)施例中的燃料電池系統(tǒng)時(shí)控制器30的控制的總體流程圖，圖7是判斷氫氣流量增加的流程圖。
作為開(kāi)始圖6的流程圖的控制前的系統(tǒng)條件，氫罐的主閥3被關(guān)閉，壓縮機(jī)10被停止，氫和空氣仍未被供應(yīng)給燃料電池1。
在圖6中，首先，在步驟S10，燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元101基于來(lái)自鑰匙開(kāi)關(guān)(key switch)302等各種車輛設(shè)備的信號(hào)，確定開(kāi)始?xì)錃夤?yīng)；將用于對(duì)氫供應(yīng)壓力例如用于系統(tǒng)空轉(zhuǎn)的設(shè)置壓力進(jìn)行調(diào)整的信號(hào)，發(fā)送給氫供應(yīng)閥4；并發(fā)送用于打開(kāi)氫罐2的主閥3的信號(hào)，從而開(kāi)始將氫氣從氫罐2供應(yīng)給燃料電池1的陽(yáng)極1a。接著，在步驟S12，由電壓傳感器21(工作狀態(tài)檢測(cè)器102)檢測(cè)燃料電池1的電池組電壓或總電壓CV1，并將檢測(cè)到的電壓讀入序列控制器30。
在步驟S14，基于步驟S12檢測(cè)到的電壓，判斷是否開(kāi)始劣化防止控制。在該判斷中，對(duì)檢測(cè)到的電壓CV1和預(yù)定值Vp進(jìn)行比較，如果檢測(cè)到的電壓等于或大于預(yù)定值Vp，則處理進(jìn)入步驟S16，開(kāi)始劣化防止控制。預(yù)定值Vp被稱為劣化防止控制開(kāi)始閾值。
這里，如果電壓傳感器21檢測(cè)燃料電池1的多個(gè)電池組的電壓，則將檢測(cè)到的電壓的最大值定義為檢測(cè)到的電壓CV1，并將該電壓CV1與預(yù)定值Vp進(jìn)行比較。
將待比較的預(yù)定值Vp設(shè)置成小于劣化閾值Vd(Vp＜Vd)，劣化閾值Vd是導(dǎo)致燃料電池1劣化的、并且是通過(guò)實(shí)驗(yàn)等預(yù)先獲得的電壓。當(dāng)在步驟S14中檢測(cè)到的電壓CV1低于預(yù)定值Vp時(shí)，處理返回到步驟S12。
在步驟S16，開(kāi)始劣化防止控制以防止燃料電池的劣化。劣化防止控制單元103進(jìn)行劣化防止控制，其中，在停止向陰極1b供應(yīng)空氣的同時(shí)，繼續(xù)向陽(yáng)極1a供應(yīng)氫氣，并向電能管理器20發(fā)出從燃料電池1提取電能的命令，以消耗陰極中的氧。
可以通過(guò)如上所述的電能管理器20、或通過(guò)將分別準(zhǔn)備的電阻器等連接到燃料電池1的方法，實(shí)現(xiàn)在步驟S16的劣化防止控制中從燃料電池1提取電能(電流)，其中該電能管理器20是正常電能生成時(shí)的負(fù)載設(shè)備。
接著，在步驟S18判斷是否增加向陽(yáng)極1a供應(yīng)的氫氣流量。在步驟S20，判斷步驟S18的判斷結(jié)果。
后面將參照?qǐng)D7對(duì)步驟S18中增加氫氣流量的判斷進(jìn)行說(shuō)明。
當(dāng)在步驟S20判斷出不增加氫氣流量時(shí)，處理返回到步驟S18。
當(dāng)在步驟S20判斷出增加氫氣流量時(shí)，處理進(jìn)入步驟S22。
在步驟S22，通過(guò)增大氫供應(yīng)壓力增加向陽(yáng)極1a供應(yīng)的氫氣流量，向氫供應(yīng)閥4發(fā)出增大氫供應(yīng)壓力的命令。
可以通過(guò)增大從氫供應(yīng)閥4供應(yīng)的氫氣的目標(biāo)壓力值、或通過(guò)增大用于排出氫氣的放氣閥7的開(kāi)口，來(lái)實(shí)現(xiàn)步驟S22中的氫氣流量的增加。
另外，在陽(yáng)極出口處設(shè)有多個(gè)閥(至少一個(gè)低流量閥和一個(gè)高流量閥)，該多個(gè)閥分別具有大小不同的開(kāi)口且在打開(kāi)閥時(shí)流量是不同的，并且可以將使用的閥從低流量閥切換到高流量閥。
接著，在步驟S24判斷陽(yáng)極1a中的氫氣替換量。在步驟S26，判斷陽(yáng)極氣體替換是否結(jié)束。
當(dāng)在步驟S26判斷出陽(yáng)極1a的氫替換沒(méi)有結(jié)束時(shí)，處理返回到步驟S24。當(dāng)在步驟S26判斷出陽(yáng)極1a的氫替換結(jié)束時(shí)，處理進(jìn)入步驟S28，使劣化防止控制結(jié)束。然后，在步驟S30，開(kāi)始正常電能生成，將電能生成所需的空氣和氫氣供應(yīng)給燃料電池，并且結(jié)束該啟動(dòng)控制。
圖7是示出在圖6的步驟S18中判斷氫氣流量增加的過(guò)程的流程圖。在該實(shí)施例中，當(dāng)開(kāi)始劣化防止控制時(shí)，同時(shí)增加氫氣流量。在步驟S40，判斷出無(wú)條件地增加氫氣流量，并且處理返回到主程序。
第二實(shí)施例接著，將參照?qǐng)D8的流程圖，對(duì)根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)控制進(jìn)行說(shuō)明。第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與圖2和圖3中所示的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)相同。圖6的總體流程與第一實(shí)施例的相同，因此將僅對(duì)圖8進(jìn)行說(shuō)明。
圖8示出圖6的步驟S18中的過(guò)程。在該實(shí)施例中，在開(kāi)始劣化防止控制后，并且如果在步驟S18判斷出消耗了陰極的氧(陰極氧消耗判斷單元)，則增加氫氣流量。
在圖8的步驟S50，檢測(cè)用于判斷陰極的氧消耗的氧消耗參數(shù)。在步驟S52，基于檢測(cè)到的氧消耗參數(shù)，判斷是否消耗了陰極的氧。
如果在步驟S52判斷出消耗了陰極的氧，則在步驟S54增加氫氣流量，且處理返回到主程序。
如果在步驟S52判斷出未消耗陰極的氧，則處理跳過(guò)判斷氫氣流量增加的步驟返回到主程序。
通過(guò)步驟S50檢測(cè)到的氧消耗參數(shù)可以是每個(gè)都由多個(gè)燃料電池1的電池組成的多個(gè)電池組的電壓的最大值，或者可以是燃料電池的總電壓。
在將氧消耗參數(shù)定義為電池組電壓的最大值或燃料電池的總電壓的情況下，如果電池組電壓的最大值或燃料電池的總電壓低于預(yù)定的氧消耗判斷閾值Vc(圖5B)，則在步驟S52判斷出陰極中的氧被消耗了等于或大于預(yù)定量的量。
而且，如果消耗了陰極空氣中的氧，則穿過(guò)電解質(zhì)隔膜1c從陽(yáng)極轉(zhuǎn)移到陰極的氫不能與氧反應(yīng)。在空氣壓力調(diào)整閥11下游設(shè)有氫檢測(cè)傳感器，通過(guò)該傳感器，如果在空氣通道中檢測(cè)到氫，則可以將來(lái)自氫檢測(cè)傳感器的信號(hào)定義為氧消耗參數(shù)。
另外，提供電流傳感器以檢測(cè)燃料電池1的輸出電流，并且可以根據(jù)從檢測(cè)到的電流計(jì)算出的累積電流值，來(lái)估計(jì)消耗掉的氧的量。在這種情況下，根據(jù)空氣系統(tǒng)的體積和壓力來(lái)計(jì)算在陰極中需要消耗的氧的量。
另外，測(cè)量從開(kāi)始提取電能以防止劣化起經(jīng)過(guò)的時(shí)間，并可以將由此獲得的時(shí)間定義為氧消耗參數(shù)?？梢詥为?dú)使用或與其它方法組合使用這些方法。
在如果在陰極空氣通道中檢測(cè)到燃料氣體而判斷出消耗了陰極的氧的情況下，可以檢測(cè)到氧的完全消耗。
在判斷出消耗了陰極的氧的情況下，當(dāng)從開(kāi)始劣化防止控制起經(jīng)過(guò)了預(yù)定的時(shí)間時(shí)，控制軟件的架構(gòu)可以是簡(jiǎn)單的。
圖4A到4D是作為比較例的時(shí)間圖，示出了燃料電池的啟動(dòng)控制，其中，從開(kāi)始供應(yīng)到完成陽(yáng)極中的氫替換將氫氣流量設(shè)置為低流量Q1。
當(dāng)以預(yù)定的流量Q1(或壓力)開(kāi)始(時(shí)間t0)向燃料電池供應(yīng)燃料氣體(氫氣)，且電池組電壓或總電壓超過(guò)劣化防止控制開(kāi)始閾值Vp時(shí)，開(kāi)始(時(shí)間t1)劣化防止控制。因此，開(kāi)始電能生成，且陰極中的氧的量開(kāi)始減少。由于將氫氣流量抑制為低流量Q1，使得燃料電池的電壓被保持在預(yù)定的劣化閾值Vd以下，因此從開(kāi)始供應(yīng)到完成陽(yáng)極中的氫替換(時(shí)間t3)需要較長(zhǎng)時(shí)間。因此，處理不能進(jìn)入下一處理，且需要較長(zhǎng)時(shí)間啟動(dòng)該系統(tǒng)。
在第二實(shí)施例中，如圖5A到5D所示，當(dāng)以預(yù)定的流量Q1(或壓力)開(kāi)始(時(shí)間t0)向燃料電池供應(yīng)燃料氣體(氫)，且燃料電池的電池組電壓或總電壓超過(guò)劣化防止控制開(kāi)始閾值Vp時(shí)，開(kāi)始(時(shí)間t1)劣化防止控制。之后，當(dāng)陰極中的氧的量低于在其下可以避免燃料電池劣化的上限值q時(shí)，將氫氣的流量增加到預(yù)定的流量Q2。因而，當(dāng)增加向陽(yáng)極供應(yīng)的氫氣的流量時(shí)，可以縮短從開(kāi)始供應(yīng)氫氣到完成陽(yáng)極中的氫替換(時(shí)間t3′＜t3)的時(shí)間，并且還可以在無(wú)燃料電池劣化的情況下，縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間。
第三實(shí)施例接著，將參照?qǐng)D9的流程圖對(duì)根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中的啟動(dòng)時(shí)的控制進(jìn)行說(shuō)明。第三實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與圖2和圖3中所示的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)相同。
在該實(shí)施例中，圖3的控制器30用作命令開(kāi)始供應(yīng)空氣(陰極氣體)的陰極氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元，而且還用作劣化可能性判斷單元，該劣化可能性判斷單元基于工作狀態(tài)檢測(cè)器102的輸出，判斷燃料電池劣化的可能性。
圖9是用于解釋在啟動(dòng)時(shí)該實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的控制的總體流程圖。
對(duì)于執(zhí)行與第一實(shí)施例的總體流程圖(圖6)中的控制步驟的處理相同的處理的控制步驟，使用相同的附圖標(biāo)記，省略其重復(fù)說(shuō)明，僅對(duì)該實(shí)施例與第一實(shí)施例之間的總體流程圖中的不同之處進(jìn)行說(shuō)明。
在該實(shí)施例中，增大氫供應(yīng)壓力，以增加到陽(yáng)極1a的氫氣流量。在判斷出增加氫氣流量的步驟S20后的步驟S22a中，向氫供應(yīng)閥4發(fā)出增大氫供應(yīng)壓力的命令。此外，在步驟S22a，啟動(dòng)壓縮機(jī)10以向陰極1b供應(yīng)空氣。
在該實(shí)施例中，基于在步驟S18中的氫氣流量增加的判斷結(jié)果，判斷出燃料電池劣化的可能性較小，且允許向陰極1b供應(yīng)空氣。
與第一實(shí)施例類似，通過(guò)增大經(jīng)氫供應(yīng)閥4供應(yīng)的氫氣的目標(biāo)壓力值、或通過(guò)增大用于排出氫氣的放氣閥7的開(kāi)口，可以實(shí)現(xiàn)在步驟S22a中的氫氣流量的增加。
另外，在陽(yáng)極出口處設(shè)有多個(gè)閥(至少一個(gè)低流量閥和一個(gè)高流量閥)，該多個(gè)閥分別具有大小不同的開(kāi)口且在打開(kāi)閥時(shí)流量是不同的，并且可以將使用的閥從低流量閥切換到高流量閥。
在該實(shí)施例中，基于在步驟S18中的氫氣流量增加的判斷結(jié)果，判斷出燃料電池劣化的可能性較小，且允許向陰極1b供應(yīng)空氣。因此，通過(guò)在完成陽(yáng)極1a的氫替換前開(kāi)始向陰極1b供應(yīng)空氣，可以縮短燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)。
注意，不是必需在增加氫氣流量時(shí)的時(shí)刻開(kāi)始向陰極1b供應(yīng)空氣。如果通過(guò)實(shí)驗(yàn)等預(yù)先獲得使陽(yáng)極中的氫氣分散在可以避免燃料電池劣化的范圍內(nèi)所需的時(shí)間，則可基于從開(kāi)始?xì)錃夤?yīng)起經(jīng)過(guò)的時(shí)間或氫氣流量的增加，判斷出開(kāi)始向陰極1b供應(yīng)空氣的定時(shí)。
另外，在通過(guò)將假定送往陰極1b的壓縮空氣送到純凈水罐13對(duì)純凈水泵12啟動(dòng)注水的情況下，啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)需要額外的時(shí)間。在該實(shí)施例中，由于在完成氫替換前啟動(dòng)壓縮機(jī)10，因而進(jìn)一步縮短了啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)所需的時(shí)間。
本公開(kāi)涉及包含在2003年11月27日提出的日本專利申請(qǐng)2003-396795號(hào)和2004年3月25日提出的日本專利申請(qǐng)2004-090115號(hào)中的主題，特別將其公開(kāi)在此全部引入作為參考。
在此所述的優(yōu)選實(shí)施例是示例性的而不是限制性的，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，可以以其它方式實(shí)踐或?qū)嵤┍景l(fā)明。這里旨在包括由權(quán)利要求表明的本發(fā)明的范圍和權(quán)利要求意義內(nèi)的所有改變。
工業(yè)應(yīng)用性在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，在其啟動(dòng)時(shí)，首先開(kāi)始向燃料電池1供應(yīng)氫氣，并且當(dāng)由電壓傳感器21檢測(cè)到的燃料電池1的電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，開(kāi)始劣化防止控制，其中，在繼續(xù)向陽(yáng)極1a供應(yīng)氫氣且停止向陰極1b供應(yīng)空氣的同時(shí)，從燃料電池1提取電能。然后，當(dāng)判斷出消耗了陰極1b中的氧時(shí)，增加向陽(yáng)極1a供應(yīng)的氫氣的流量。
根據(jù)該燃料電池系統(tǒng)，由于在開(kāi)始劣化防止控制后增加氫氣的流量，因而可以用氫氣迅速地替換陽(yáng)極中的氣體，而不引起燃料電池的劣化。另外，該燃料電池系統(tǒng)可適用于以下技術(shù)在啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)時(shí)防止電解質(zhì)隔膜上的催化劑載體碳的腐蝕/中毒的同時(shí)，縮短啟動(dòng)時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其包括燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元，用于命令開(kāi)始向該燃料電池系統(tǒng)的燃料電池供應(yīng)燃料氣體；工作狀態(tài)檢測(cè)器，用于檢測(cè)該燃料電池的工作狀態(tài)；劣化防止控制單元，用于基于該工作狀態(tài)檢測(cè)器的輸出和該燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元的輸出，進(jìn)行用于防止該燃料電池劣化的控制；以及燃料氣體供給量控制單元，用于根據(jù)該燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元的輸出和該劣化防止控制單元的控制，控制燃料氣體供給量，其中，在啟動(dòng)該燃料電池系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)行用于防止該燃料電池劣化的控制，其中，根據(jù)該燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元的輸出開(kāi)始該燃料氣體供應(yīng)，且在開(kāi)始用于防止該燃料電池劣化的控制后，通過(guò)該燃料氣體供給量控制單元來(lái)增加該燃料氣體供給量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在通過(guò)該劣化防止控制單元開(kāi)始用于防止該燃料電池劣化的控制后，該燃料氣體供給量控制單元立即增加該燃料氣體供給量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括陰極氧消耗判斷單元，用于基于該工作狀態(tài)檢測(cè)器的輸出，判斷是否消耗了該燃料電池的陰極中的氧，其中，在用于防止該燃料電池劣化的控制中，在停止向陰極供應(yīng)空氣的同時(shí)，該劣化防止控制單元通過(guò)從該燃料電池提取電能來(lái)消耗陰極中的氧，以及在通過(guò)該陰極氧消耗判斷單元判斷出消耗了陰極的氧后，該燃料氣體供給量控制單元增加該燃料氣體供給量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該工作狀態(tài)檢測(cè)器包括用于檢測(cè)該燃料電池的多個(gè)電池的電壓的電壓傳感器，以及如果通過(guò)該電壓傳感器檢測(cè)到的該多個(gè)電池的電壓中的最大值低于預(yù)定值，則該陰極氧消耗判斷單元判斷消耗了陰極的氧。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該工作狀態(tài)檢測(cè)器包括用于檢測(cè)該燃料電池的總電壓的電壓傳感器，以及如果通過(guò)該電壓傳感器檢測(cè)到的該總電壓低于預(yù)定值，則該陰極氧消耗判斷單元判斷消耗了陰極的氧。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該工作狀態(tài)檢測(cè)器包括用于檢測(cè)存在于該燃料電池的空氣通道中的燃料氣體的燃料氣體檢測(cè)器，以及如果該燃料氣體檢測(cè)器檢測(cè)到存在于該空氣通道中的燃料氣體，則該陰極氧消耗判斷單元判斷消耗了陰極的氧。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該工作狀態(tài)檢測(cè)器包括用于檢測(cè)該燃料電池的輸出電流的電流檢測(cè)器，以及該陰極氧消耗判斷單元基于由該電流檢測(cè)器獲得的檢測(cè)到的值，估計(jì)消耗掉的氧的量，如果所估計(jì)的消耗掉的氧的量大于預(yù)定值，則該陰極氧消耗判斷單元判斷消耗了陰極的氧。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，如果從開(kāi)始用于防止該燃料電池劣化的控制起經(jīng)過(guò)了預(yù)定的時(shí)間，則該陰極氧消耗判斷單元判斷消耗了陰極的氧。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該燃料氣體供給量控制單元通過(guò)改變?cè)撊剂蠚怏w的目標(biāo)壓力值，進(jìn)行該燃料氣體供給量的可變控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該燃料氣體供給量控制單元通過(guò)改變用于從陽(yáng)極排出該燃料氣體的閥的開(kāi)口，進(jìn)行該燃料氣體供給量的可變控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括多個(gè)閥，用于從該燃料電池的陽(yáng)極排出燃料氣體，該多個(gè)閥具有大小不同的開(kāi)口，其中，該燃料氣體供給量控制單元通過(guò)切換被打開(kāi)的閥，進(jìn)行該燃料氣體供給量的可變控制。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在啟動(dòng)和/或關(guān)閉該燃料電池系統(tǒng)時(shí)，該劣化防止控制單元通過(guò)從該燃料電池提取電能、并將該電能供給正常時(shí)間時(shí)被供給該電能的負(fù)載設(shè)備，將該燃料電池的電壓保持在預(yù)定值以下。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在啟動(dòng)和/或關(guān)閉該燃料電池系統(tǒng)時(shí)，該劣化防止控制單元通過(guò)從該燃料電池提取電能、并將該電能供給輔助負(fù)載設(shè)備，將該燃料電池的電壓保持在預(yù)定值以下。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括陰極氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元，用于命令開(kāi)始向該燃料電池供應(yīng)陰極氣體；以及劣化可能性判斷單元，用于基于該工作狀態(tài)檢測(cè)器的輸出，判斷該燃料電池劣化的可能性，其中，如果通過(guò)該劣化可能性判斷單元判斷出該燃料電池劣化的可能性較小，則該陰極氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元命令開(kāi)始該陰極氣體供應(yīng)。
15.一種用于啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的方法，其包括向燃料電池供應(yīng)燃料氣體；檢測(cè)該燃料電池的工作狀態(tài)；基于在開(kāi)始供應(yīng)該燃料氣體后檢測(cè)到的工作狀態(tài)，進(jìn)行用于防止該燃料電池劣化的控制；以及在開(kāi)始用于防止該燃料電池劣化的控制后，增加供應(yīng)給該燃料電池的該燃料氣體的供給量。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，其包括燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元(101)，用于命令開(kāi)始向燃料電池(1)供應(yīng)燃料氣體；電壓檢測(cè)器(21)，用于檢測(cè)燃料電池電壓；控制單元(103)，用于基于燃料電池電壓(CV)和來(lái)自燃料氣體供應(yīng)開(kāi)始命令單元(101)的開(kāi)始命令，進(jìn)行用于燃料電池(1)的劣化防止控制；以及另一控制單元(104)，用于根據(jù)該開(kāi)始命令和該劣化防止控制，控制燃料氣體供給量。在啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行該劣化防止控制。根據(jù)該開(kāi)始命令開(kāi)始燃料氣體供應(yīng)，并在開(kāi)始該劣化防止控制后，增加燃料氣體供給量。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1886856SQ20048003509
公開(kāi)日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2004年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月27日
發(fā)明者鈴木敬介, 牧野真一, 酒井弘正, 谷口育宏 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社