專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及負極(anode)氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法，特別涉及適于在系統(tǒng)啟動時進行的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法。
背景技術(shù)：
以往，作為負極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)，例如存在專利文獻I所記載的燃料電池系統(tǒng)。專利文獻I所記載的燃料電池系統(tǒng)具備層疊多個單位電池而成的燃料電池堆，具備氫罐、供給切斷閥以及壓力調(diào)節(jié)閥作為對該燃料電池堆供給負極氣體的供給系統(tǒng)。另外，具備貯存罐(緩沖罐)、排出切斷閥(凈化閥)作為從燃料電池堆排出負極排出氣體的排出系統(tǒng)。在上述燃料電池系統(tǒng)中，設(shè)定向燃料電池堆的負極氣體的供給量少的第一控制狀態(tài)和供給量多的第二控制狀態(tài)，重復(fù)第一控制狀態(tài)和第二控制狀態(tài)。即，使負極氣體的供給壓力脈動。由此，在上述燃料電池系統(tǒng)中，抑制雜質(zhì)蓄積在一部分單位電池中，使負極排出氣體加壓輸送到貯存罐來排出。專利文獻1:日本特開2008-97966號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題另外，在負極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)中，在單位電池中，當雜質(zhì)氣體(主要為氮氣)從正極(cathode)側(cè)向負極側(cè)的透過量增大時，當然蓄積在負極側(cè)的雜質(zhì)氣體的量也變多。因此，為了將雜質(zhì)氣體排出到緩沖罐來將燃料電池堆內(nèi)的氫濃度維持為較高，如上述以往那樣使負極氣體的供給壓力脈動是有效的。但是，存在以下的問題:在雜質(zhì)氣體從正極側(cè)向負極側(cè)的透過量少的情況下，使負極氣體的供給壓力脈動的必要性變低,此時，當緩沖罐內(nèi)的雜質(zhì)氣體的濃度高時,雜質(zhì)氣體有可能隨著脈動的壓力降低而反向流動，解決這種問題即是課題。本發(fā)明是著眼于上述以往的問題而完成的，其目的在于提供一種在負極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)中能夠抑制啟動時的負極氣體的供給壓力的不需要的脈動來將燃料電池堆內(nèi)的氫氣濃度維持為最佳的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法。
_9] 用于解決問題的方案本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法是在負極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)中運轉(zhuǎn)該負極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)的方法，該負極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)具備層疊多個單位電池而成的燃料電池堆以及用于將從燃料電池堆排出的負極排氣中包含的雜質(zhì)氣體排出到外部的緩沖罐，并具有通過使對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力脈動來將燃料電池堆內(nèi)的雜質(zhì)氣體加壓輸送到緩沖罐的構(gòu)造。而且，燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法的特征在于，根據(jù)氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的透過率，來設(shè)定對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力的脈動振幅或者脈動周期。
另外，作為更理想的實施方式，燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法的特征在于，在氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的透過率為規(guī)定值以下的情況下，進行控制使得對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力變?yōu)楣潭ā０l(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法，在負極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)中，能夠抑制啟動時的負極氣體的供給壓力的不需要的脈動，從而防止構(gòu)成單位電池的膜電極結(jié)構(gòu)體的機械強度惡化，并且將燃料電池堆內(nèi)的氫氣濃度維持為最佳。


圖1是表示負極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)的一個實施方式的說明圖。圖2是說明單位電池的分解狀態(tài)的平面圖。圖3是說明單位電池的平面圖。圖4是說明燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法的一個實施方式的流程圖。圖5是表示啟動時的負極氣體供給壓力(A)、燃料電池堆溫度(B)、緩沖罐氮氣濃度(C)以及燃料電池堆內(nèi)的氮氣濃度⑶各自的變化的圖表。
具體實施例方式圖1是表示能夠應(yīng)用本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法的燃料電池系統(tǒng)的一個實施方式的圖。圖示的燃料電池系統(tǒng)是負極氣體非循環(huán)型的系統(tǒng)，在該負極氣體非循環(huán)型的系統(tǒng)中，負極氣體的流通為從供給側(cè)向排出側(cè)的一個方向。燃料電池系統(tǒng)具備層疊多個單位電池FC而成的燃料電池堆FS，并且針對該燃料電池堆FS具備正極氣體(作為氧化劑氣體的空氣)的供給路31和排出路32、負極氣體(作為燃料氣體的氫氣)的供給路33和排出路34以及冷卻流體的循環(huán)路徑35。如圖2和圖3所示，單位電池FC具備膜電極結(jié)構(gòu)體2和兩塊隔板3、3，其中，該膜電極結(jié)構(gòu)體2在周圍具有框架1，該兩塊隔板3、3夾持框架I和膜電極結(jié)構(gòu)體2。框架I通過樹脂成形(例如噴出成形)而與膜電極結(jié)構(gòu)體2形成為一體，在本實施方式中，以膜電極結(jié)構(gòu)體2為中央形成長方形狀。另外，在框架I中，在兩個端部上各排列有三個歧管孔Hl H6，從各歧管孔群到膜電極結(jié)構(gòu)體2的區(qū)域相當于后述的擴散部D。膜電極結(jié)構(gòu)體2—般被稱為MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極組件)，例如具有以燃料極層(負極)和空氣極層(正極)挾持由固體高分子構(gòu)成的電解質(zhì)層的構(gòu)造。兩個隔板3、3都是具有與框架I大致相等的縱橫尺寸的長方形狀，與框架I和膜電極結(jié)構(gòu)體2之間分別形成正極氣體的流路和負極氣體的流路。該隔板3是分別對不銹鋼等金屬板進行沖壓成形而得到的，該隔板3的與膜電極結(jié)構(gòu)體2對應(yīng)的中央部分在短邊方向的截面形成為波形狀。該波形狀在長邊方向上連續(xù)，在凸部分處與膜電極結(jié)構(gòu)體2接觸，并且在凹部分處形成氣體流路。另外，各隔板3在兩個端部上具有與框架I的各歧管孔Hl H6同等的歧管孔Hl H6，從各歧管孔群到截面為波形狀的部分的區(qū)域相當于后述的擴散部D。上述的框架I和膜電極結(jié)構(gòu)體2以及兩個隔板3、3相重疊來構(gòu)成燃料電池單元FC。此時，燃料電池單元FC特別如圖3所示那樣，在中央具備作為膜電極結(jié)構(gòu)體2的區(qū)域的發(fā)電部G。而且，在發(fā)電部G的兩側(cè)，燃料電池單元FC具備進行反應(yīng)用氣體的供給和排出的歧管部M、M以及從各歧管部M到發(fā)電部G的擴散部D、D0在圖3的左側(cè)所示的一方的歧管部M中，各歧管孔Hl H3是正極氣體供給用(H1)、冷卻流體供給用(H2)以及負極氣體供給用(H3)的歧管孔，在層疊方向上形成各自的流路。另外，圖3的右側(cè)所示的另一方的歧管部M中，各歧管孔H4 H6是負極氣體排出用(H4)、冷卻流體排出用(H5)以及正極氣體排出用(H6)的歧管孔，在層疊方向上形成各自的流路。此外，供給用和排出用的歧管孔既可以是一部分處于相反的位置關(guān)系也可以是全部處于相反的位置關(guān)系。如圖1所示，層疊多塊具備上述結(jié)構(gòu)的燃料電池單元FC，在其兩側(cè)配置端板E、E來構(gòu)成燃料電池堆FS。此時，利用安裝在單方的端板上的彈性體來在層疊方向上對燃料電池堆FS加壓，對各個燃料電池單元FC施加規(guī)定的接觸面壓力，以維持良好的氣體密封性、導(dǎo)電性等。在具備上述的燃料電池堆FS的燃料電池系統(tǒng)中，在正極氣體的供給路31上設(shè)置有壓縮機等空氣供給單元36以及對來自空氣供給單元36的供氣進行加濕的加濕器37。另夕卜，正極氣體的排出路32將排出空氣中包含的水蒸氣供給到加濕器37，在其下游通過背壓調(diào)整閥38釋放到大氣中。另一方面，負極氣體的供給路33從氫罐39通至燃料電池堆FS，在中途設(shè)置有氫調(diào)整閥40和氫壓力傳感器41。另外，正極氣體的排出路34通至緩沖罐42。在此，在從燃料電池堆FS排出的負極氣體(負極排氣)中含有氮氣、水蒸氣等雜質(zhì)氣體。因而,正極氣體的排出路34將上述的正極排氣排出到緩沖罐42。緩沖罐42具備用于檢測所貯存的水量的水平傳感器43，并且具備用于將水排出到外部的排水閥44以及將氮氣釋放到大氣中的氮凈化閥45。冷卻流體的循環(huán)路徑35使經(jīng)散熱器46冷卻過的冷卻流體(冷卻水)循環(huán)，具備冷卻水循環(huán)泵47、將散熱器46旁路的旁通路48以及將循環(huán)路徑35與旁通路48進行連接的三向閥49。另外，在燃料電池堆FS中設(shè)置有用于檢測其內(nèi)部的溫度的堆溫度檢測單元(溫度傳感器)50。并且，燃料電池系統(tǒng)具備用于對空氣供給單元36、氫調(diào)整閥40、排水閥44、氮凈化閥45、冷卻水循環(huán)泵47以及三向閥49等進行控制的控制器51。使該控制器51存儲各種設(shè)備的控制程序，該控制器51中特別具備用于執(zhí)行本發(fā)明的運轉(zhuǎn)方法的啟動控制部52以及測量系統(tǒng)停止后的放置時間的計時器53。另外，除了將來自氫壓力傳感器41、水平傳感器43以及堆溫度檢測單元50的檢測信號輸入到控制器51以外，該將燃料電池堆FS的電流值、各單位電池FC的電流值等輸入到控制器51。使啟動控制部52存儲表示燃料電池堆FS的溫度與雜質(zhì)氣體的產(chǎn)生量之間的關(guān)系、燃料電池堆FS的溫度與氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的透過率之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)、以及負極氣體用的供給壓力對應(yīng)表。上述供給壓力對應(yīng)表是為了根據(jù)燃料電池堆FS的溫度、負荷來使負極氣體的供給壓力為適當?shù)膲毫?，而成為設(shè)定該供給壓力的基準的對應(yīng)表。在此，在燃料電池系統(tǒng)中，考慮燃料電池堆FS的運轉(zhuǎn)溫度(約80°C )以及在冰點下的環(huán)境停止且長時間放置的情況，將燃料電池堆FS的溫度范圍假設(shè)為-20 80°C。另外，在燃料電池系統(tǒng)中，隨著燃料電池堆FS的溫度的上升，存在氮氣向負極側(cè)的透過率增大的傾向，這是眾所周知的。更正確地來說，氮氣的透過率是單位電池FC中的氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的透過速度，如果其增大則每單位時間的氮氣的透過量也增大，其結(jié)果，負極側(cè)的氮氣的濃度變高。因而，如果掌握了燃料電池堆FS的溫度，就能夠估計出該時間點下的氮氣向負極側(cè)的透過率。另外，也能夠不只基于燃料電池堆FS的溫度，還基于大氣溫度、系統(tǒng)的停止時間等來間接地估計燃料電池堆FS的啟動時的溫度、氮氣的濃度以及氮氣的透過率。因此，上述控制器51的啟動控制部52具有估計緩沖罐42內(nèi)的氮氣濃度的功能(雜質(zhì)氣體濃度估計單元)以及估計燃料電池堆FS中的氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的透過率的功能(氮氣透過率估計單元)。即，啟動控制部52利用預(yù)先存儲的各種數(shù)據(jù)來估計氮氣的初始濃度、氮氣的透過率。在具備上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法中，根據(jù)氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的透過率來設(shè)定對燃料電池堆FS供給負極氣體的供給壓力的脈動振幅或者脈動周期。具體地說，氮氣的透過率越大，使脈動振幅越大，或者，氮氣的透過率越大，使脈動周期越短。另外，在氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的透過率為規(guī)定值以下的情況下，進行控制使得對燃料電池堆FS供給負極氣體的供給壓力變?yōu)楣潭ā８唧w地說，在燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法中，使用啟動控制部52的功能、即雜質(zhì)氣體濃度估計單元和氮氣透過率估計單元，在緩沖罐42內(nèi)的初始的氮氣濃度為規(guī)定值以上且燃料電池堆FS中的氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的透過率為規(guī)定值以下的情況下，進行控制使得對燃料電池堆FS供給負極氣體的供給壓力變?yōu)楣潭?。另外，在燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法中，作為更優(yōu)選的實施方式，除了上述控制以夕卜，還使用檢測燃料電池堆的溫度的堆溫度檢測單元50，在燃料電池堆FS的溫度為規(guī)定值以下的情況下，進行控制使得對燃料電池堆FS供給負極氣體的供給壓力變?yōu)楣潭?。并且，在燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法中，作為更優(yōu)選的實施方式，除了上述控制以夕卜，還使用測量系統(tǒng)停止后的放置時間的計時器53，在放置時間為規(guī)定值以上的情況下，進行控制使得對燃料電池堆FS供給負極氣體的供給壓力變?yōu)楣潭?。接著，基于圖4所示的流程圖，來更具體地說明上述的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法。上述的燃料電池系統(tǒng)用于應(yīng)對從燃料電池堆FS的內(nèi)部殘留有較多惰性氣體的狀態(tài)進行啟動時的問題，例如應(yīng)對在長時間放置之后進行啟動時由于負極氣體的供給壓力的脈動所引起的雜質(zhì)氣體的反向流動。因此，在下面敘述的運轉(zhuǎn)方法的實施方式中，首先進行放置時間的判斷。在圖4所示的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法中，當啟動系統(tǒng)時，在步驟SI中，判斷由計時器53測量出的停止后的放置時間是否為規(guī)定值以上。在此，基于啟動控制部52所存儲的數(shù)據(jù)、即表示燃料電池堆FS的溫度與氮氣的透過率之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)，來設(shè)定圖4中的
第一規(guī)定值、第二規(guī)定值。在步驟SI中，在放置時間小于第一規(guī)定值的情況下(否)，視作燃料電池堆FS內(nèi)的雜質(zhì)氣體的殘留量也較少，轉(zhuǎn)移到步驟S8來進行使負極氣體的供給壓力脈動的控制。由此，在燃料電池堆FS中，供給負極氣體，并且將從正極側(cè)透過到負極側(cè)的氮氣排出到緩沖罐42。
另外，在步驟SI中，在放置時間為規(guī)定值以上的情況下(是)，視作燃料電池堆FS內(nèi)的雜質(zhì)氣體的殘留量較多，為了設(shè)定對燃料電池堆FS供給負極氣體的供給壓力而轉(zhuǎn)移到下一個步驟S2。在步驟S2中，作為啟動壓力控制，對負極氣體的供給壓力進行設(shè)定以能夠?qū)⑷剂想姵囟袴S內(nèi)的雜質(zhì)氣體排出到緩沖罐42。將這種情況下的供給壓力設(shè)定為例如比在步驟SI中判斷為進行脈動控制的情況下(否)的脈動時上限壓力高的壓力。另外，考慮負極流路容積的比例、即燃料電池堆FS內(nèi)的負極流路容積與緩沖罐42內(nèi)的負極流路容積之比來決定其壓力值。例如，在以燃料電池堆FS內(nèi)的負極流路的最下游部為界，該最下游部的上游側(cè)的容積與該最下游部的下游側(cè)的容積之比為1:1的情況下，以使壓力為初始負極壓力的兩倍的方式供給氫氣。在步驟S3中，由堆溫度檢測單元50檢測燃料電池堆FS的溫度。然后，在步驟S4中，在啟動控制部52中根據(jù)由堆溫度檢測單元50檢測出的燃料電池堆FS的溫度來計算該溫度下的單位時間的雜質(zhì)氣體(氮氣)透過量、即雜質(zhì)氣體(氮氣)透過率。在步驟S5中，隨時對步驟S4中計算出的氮氣的透過率進行積分，來計算積存在負極流路內(nèi)的雜質(zhì)氣體(氮氣)透過量的總量。具體地說，通過步驟S2中的控制，燃料電池堆FS內(nèi)的負極流路中被置換為氫氣，因此將初始雜質(zhì)氣體(氮氣)的量設(shè)為Occ，根據(jù)該時間點下的燃料電池堆FS的溫度，如果透過率為0.lcc/sec則乘以計算周期，并與初始值相力口。之后，同樣地對雜質(zhì)氣體透過量進行積分。在此，也能夠考慮安全率來將初始雜質(zhì)氣體的量設(shè)為比Occ大的值。在步驟S6中，判斷步驟S5中計算出的雜質(zhì)氣體(氮氣)透過量的總量(透過氮氣積分值)是否為第二規(guī)定值以下。在上述總量為第二規(guī)定值以下的情況下(是)，轉(zhuǎn)移到步驟S7來進行控制使得負極氣體的供給壓力變?yōu)楣潭ā＞唧w地說，以使氫壓力傳感器41的檢測值變?yōu)楣潭ǖ姆绞綄湔{(diào)整閥40進行反饋控制。另外，在步驟S5中計算出的上述總量超過第二規(guī)定值的情況下(否)，轉(zhuǎn)移到步驟S8來進行使負極氣體的供給壓力脈動的控制。并且，在燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法中，重復(fù)圖4所示的步驟S3 S7，在步驟S6中判斷為“否”時，從使負極氣體的供給壓力固定的控制(步驟S7)轉(zhuǎn)移到使供給壓力脈動的控制(步驟S8)。或者，如圖5的(A)中表示負極氣體的供給壓力的變化那樣，從啟動起經(jīng)過規(guī)定時間T之后，使對燃料電池堆FS供給負極氣體的供給壓力脈動。當如上所述那樣啟動燃料電池系統(tǒng)時，燃料電池堆FS中的負極氣體的氫濃度增力口，另外，燃料電池堆FS的溫度也如圖5的⑶所示那樣隨著發(fā)電而增加。緩沖罐42內(nèi)的氮氣濃度如圖5的(C)所示那樣伴隨著氫氣的供給壓力的上升而減少。這是由于，燃料電池堆FS內(nèi)的雜質(zhì)氣體(主要為氮氣)被置換為氫氣，在緩沖罐42中氫氣和被該氫氣擠出的雜質(zhì)氣體通過氮凈化閥45排除到外部。燃料電池堆FS內(nèi)的氮氣濃度如圖5的⑶所示那樣隨著負極氣體的供給壓力的增加而減少，在該供給壓力達到固定值以后，氮氣濃度雖然由于伴隨燃料電池堆FS的溫度上升的氮氣的透過率增加而增加少許，但是由于之后的脈動運轉(zhuǎn)而有規(guī)律地增減。即，有規(guī)律地排出單位電池FC內(nèi)的氮氣。這樣，在上述實施方式的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法中，估計緩沖罐42內(nèi)的雜質(zhì)氣體的濃度和燃料電池堆FS中的氮氣的透過率，來進行使負極氣體的供給壓力固定的控制、或者使供給壓力脈動的控制。由此，特別實在長期放置后的啟動時，能夠防止雜質(zhì)氣體從緩沖罐42反向流動，從而在確保燃料電池堆FS內(nèi)的氫氣濃度的同時去除雜質(zhì)氣體。另外，在如上所述那樣估計雜質(zhì)氣體的濃度和氮氣的透過率的方法中，能夠進行利用最小限度的傳感器類的控制，能夠也有助于系統(tǒng)構(gòu)造的簡化等。另外，不會進行啟動時不需要的脈動，因此能夠抑制構(gòu)成單位電池的膜電極結(jié)構(gòu)體的機械強度惡化。另外，在具備由大量的單位電池FC構(gòu)成的燃料電池堆FS的燃料電池系統(tǒng)中，在燃料電池堆FS的內(nèi)部殘留較多雜質(zhì)氣體的環(huán)境下，在各單位電池FC的負極側(cè)所凝結(jié)的殘留水量存在偏差。在這種狀況下，當由于負極氣體的供給壓力的脈動而產(chǎn)生雜質(zhì)氣體的反向流動時，在殘留水量多的單位電池FC中，負極氣體出口側(cè)處的氫分壓不足更為顯著。與此相對，在上述的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法中，即使各單位電池FC的殘留水量存在偏差，也在啟動時進行使負極氣體的供給壓力固定的控制，換言之緊接在啟動之后不進行使供給壓力脈動的控制，因此雜質(zhì)氣體從緩沖罐42反向流動的情況也不會存在，通過負極氣體將含有殘留水的雜質(zhì)氣體順暢地排出。由此，解除由各單位電池FC中的壓損偏差所引起的氫分壓的不足，從而能夠防止單位電池FC的電壓的降低、單位電池FC的劣化。另外，在燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法中，基于燃料電池堆FS的溫度來控制負極氣體的供給壓力，由此能夠進行與啟動時的燃料電池堆FS的狀況相應(yīng)的更高精度的控制。并且，在燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法中，基于系統(tǒng)停止后的放置時間來控制負極氣體的供給壓力，由此也能夠進行與啟動時的燃料電池堆FS的狀況相應(yīng)的更高精度的控制。并且，在燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法中，從啟動起經(jīng)過規(guī)定時間T之后，使對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力脈動，特別地，基于燃料電池堆的溫度，從使負極氣體的供給壓力固定的控制轉(zhuǎn)移到使負極氣體的供給壓力脈動的控制。由此，在燃料電池堆FS中迅速地排出從正極側(cè)透過到負極側(cè)的氮氣。此外，在各單位電池FC中，氮氣從負極側(cè)透過到正極側(cè)，從而成為所透過的氮氣易于積存在負極側(cè)催化劑層附近的狀態(tài)。因此，在上述的燃料電池系統(tǒng)中，從使負極氣體的供給壓力固定的控制轉(zhuǎn)移到使負極氣體的供給壓力脈動的控制，由此迅速地排出透過到負極側(cè)的氮氣，以確保負極側(cè)催化劑層的表面上的負極氣體濃度。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法在上述的實施方式中，在圖4所示的流程圖中，在步驟S6中雜質(zhì)氣體透過量的總量為第二規(guī)定值以下的情況下，進行使負極氣體的供給壓力固定的控制，但是相對于此，也能夠進行設(shè)定負極氣體的供給壓力的脈動振幅或者脈動周期的控制。即，作為其它實施方式，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法不僅能夠如上所述那樣使供給壓力固定，還能夠進行根據(jù)雜質(zhì)氣體的透過率來設(shè)定負極氣體的供給壓力的脈動振幅或者脈動周期的控制。此時，也可以將雜質(zhì)氣體的透過率置換為每單位時間的透過量、規(guī)定期間的總量。具體地說，雜質(zhì)氣體的透過率越大，使負極氣體的供給壓力的脈動振幅越大。或者，雜質(zhì)氣體的透過率越大，使負極氣體的供給壓力的脈動周期越短。這樣也能夠得到與之前的實施方式同樣的作用和效果。作為本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法的另外的實施方式，能夠如圖1中虛線所示那樣使用檢測緩沖罐42內(nèi)的氫氣的濃度的罐用氫氣檢測單元54來代替啟動控制部52的雜質(zhì)氣體濃度估計單元。例如使用氫濃度傳感器作為罐用氫氣檢測單元54。在這種情況下，在圖4中的步驟S3中，使用所檢測出的氫濃度來對緩沖罐42內(nèi)的雜質(zhì)氣體的估計濃度進行判斷。在這種情況下，當氫濃度為規(guī)定值(例如30%)以下時，即能夠視作氮濃度為規(guī)定值(例如70%)以上。另外，作為本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法的另外的實施方式，能夠如圖1中虛線所示那樣使用檢測燃料電池堆FS的負極側(cè)的氫氣的濃度的電池用氫氣檢測單元55來代替啟動控制部52的氮氣透過率估計單元。例如使用氫濃度傳感器作為電池用氫氣檢測單元55。在這種情況下，在圖4中的步驟S3中，代替氫氣的檢測濃度，而對燃料電池堆FS中的氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的估計透過率進行判斷。此外，使用氮濃度傳感器來代替上述氫濃度傳感器也能夠發(fā)揮同樣的效果。在這些實施方式中，也能夠得到與之前的實施方式同等的作用和效果，并且由于通過罐用氫氣檢測單元54和電池用氫氣檢測單元55來實際測量緩沖罐42內(nèi)、燃料電池堆FS內(nèi)的氫氣濃度，因此能夠進行與啟動時的燃料電池堆FS的狀況對應(yīng)的高精度的控制。此外，包括燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在內(nèi)的本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法并不限定于上述實施方式，能夠在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)對結(jié)構(gòu)的細微部分進行適當變更。附圖標記說明FC:單位電池；FS:燃料電池堆；42:緩沖罐；52:啟動控制部(雜質(zhì)氣體濃度估計單元/氮氣透過率估計單元)；50:堆溫度檢測單元；53:計時器；54:罐用氫氣檢測單元；55:電池用氫氣檢測單兀。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法，其特征在于， 該燃料電池系統(tǒng)具備層疊多個單位電池而成的燃料電池堆以及用于將從燃料電池堆排出的負極排氣中包含的雜質(zhì)氣體排出到外部的緩沖罐，并且該燃料電池系統(tǒng)是具有通過使對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力脈動來將燃料電池堆內(nèi)的雜質(zhì)氣體加壓輸送到緩沖罐的構(gòu)造的負極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)，在運轉(zhuǎn)該燃料電池系統(tǒng)時， 根據(jù)氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的透過率，來設(shè)定對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力的脈動振幅或者脈動周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法，其特征在于， 在氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的透過率為規(guī)定值以下的情況下，進行控制使得對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力變?yōu)楣潭ā?br> 3.一種燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法，其特征在于， 該燃料電池系統(tǒng)具備層疊多個單位電池而成的燃料電池堆以及用于將從燃料電池堆排出的負極排氣中包含的雜質(zhì)氣體排出到外部的緩沖罐，并且該燃料電池系統(tǒng)是具有通過使對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力脈動來將燃料電池堆內(nèi)的雜質(zhì)氣體加壓輸送到緩沖罐的構(gòu)造的負極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)，在運轉(zhuǎn)該燃料電池系統(tǒng)時， 使用估計緩沖罐內(nèi)的雜質(zhì)氣體的濃度的雜質(zhì)氣體濃度估計單元以及估計燃料電池堆中的氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的透過率的氮氣透過率估計單元， 在緩沖罐內(nèi)的雜質(zhì)氣體的濃度為規(guī)定值以上且燃料電池堆中的氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的透過率為規(guī)定值以下的情況下，進行控制使得對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力變?yōu)楣潭ā?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法，其特征在于， 使用檢測燃料電池堆的溫度的堆溫度檢測單元，在燃料電池堆的溫度為規(guī)定值以下的情況下，進行控制使得對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力變?yōu)楣潭ā?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法，其特征在于， 使用測量系統(tǒng)停止后的放置時間的計時器，在放置時間為規(guī)定值以上的情況下，進行控制使得對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力變?yōu)楣潭ā?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求3 5中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法，其特征在于， 使用檢測燃料電池堆的溫度的堆溫度檢測單元，在燃料電池堆的溫度達到規(guī)定值以上時，從使對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力為固定的控制轉(zhuǎn)移到使負極氣體的供給壓力脈動的控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求3 6中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法，其特征在于， 使用檢測緩沖罐內(nèi)的氫氣的濃度的罐用氫氣檢測單元來代替上述雜質(zhì)氣體濃度估計單元，根據(jù)緩沖罐內(nèi)的氫氣的檢測濃度計算緩沖罐內(nèi)的雜質(zhì)氣體的估計濃度以進行判斷。
8.根據(jù)權(quán)利要求3 7中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法，其特征在于， 使用檢測燃料電池堆的負極側(cè)的氫氣的濃度的電池用氫氣檢測單元來代替上述氮氣透過率估計單元，根據(jù)燃料電池堆的負極側(cè)的氫氣的檢測濃度計算燃料電池堆中的氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的估計透過率以進行判斷。
9.根據(jù)權(quán)利要求3 8中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)方法，其特征在于， 在從啟動起經(jīng)過規(guī)定時間之后，使對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力脈動。
全文摘要
在以往的燃料電池系統(tǒng)中，當在啟動時使負極氣體的供給壓力脈動時，雜質(zhì)氣體從緩沖罐反向流動，從而產(chǎn)生單位電池電壓的降低等問題。燃料電池系統(tǒng)具備層疊多個單位電池(FC)而成的燃料電池堆(FS)，該燃料電池系統(tǒng)是使負極氣體的供給壓力脈動來將燃料電池堆(FS)內(nèi)的雜質(zhì)氣體加壓輸送到緩沖罐(42)的負極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)。在運轉(zhuǎn)該燃料電池系統(tǒng)時，根據(jù)氮氣從正極側(cè)向負極側(cè)的透過率來設(shè)定對燃料電池堆供給負極氣體的供給壓力的脈動振幅或者脈動周期，通過設(shè)為這種運轉(zhuǎn)方法，抑制啟動時負極氣體的供給壓力的不需要的脈動，從而防止構(gòu)成單位電池的膜電極結(jié)構(gòu)體的機械強度惡化，并且將燃料電池堆內(nèi)的氫氣濃度維持為最佳。
文檔編號H01M8/10GK103081196SQ201180041430
公開日2013年5月1日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者西村英高, 池添圭吾, 佐藤雅士 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社