專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，尤其涉及一種具有內(nèi)部負(fù)載的燃料電池系統(tǒng)，通過該內(nèi)部負(fù)載，當(dāng)停止該燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，從燃料電池主體提取(extract)負(fù)載電流。
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)是電功率產(chǎn)生系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)在通過重整如天然氣等燃料而獲得的氫和空氣中的氧之間的電化學(xué)反應(yīng)以直接產(chǎn)生電功率，該燃料電池系統(tǒng)能夠有效地利用燃料本身的化學(xué)能并具有對環(huán)境友好的特性，并且已經(jīng)大規(guī)模地開展了研發(fā)工作，以將該燃料電池系統(tǒng)商業(yè)應(yīng)用到實(shí)際使用中。
當(dāng)停止燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，首先，將如驅(qū)動電動機(jī)等外部負(fù)載從燃料電池主體斷開。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，由于沒有負(fù)載電流流動，因此在穿過燃料電池主體的陽極電極和陰極電極的電壓中，沒有負(fù)載電壓出現(xiàn)，導(dǎo)致超過值0.8V每單元電池的高壓狀態(tài)。如果燃料電池的鉑(Pt)催化劑暴露于這種高壓狀態(tài)，則迅速發(fā)生鉑的電離，從而引起在陰極電極中發(fā)生鉑的溶解劣化(dissolvingdegradation)。被電離的鉑容易與氧結(jié)合形成氧化鉑(PtO)，這樣由于催化劑的有效活性面積的顯著減少而對電功率的產(chǎn)生沒有貢獻(xiàn)。
為了防止這種劣化，需要使燃料電池主體的電壓盡可能快地降低。為此，在日本特開平6-333586號公報(bào)中公開的燃料電池系統(tǒng)的情況下，在燃料電池的停止過程中，將假負(fù)載電阻器(dummyresistor)連接到燃料電池使得從燃料電池主體提取負(fù)載電流，以促使電壓下降。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，在為了使電壓下降停止向陰極電極供應(yīng)氧以使殘留的氧被消耗的同時(shí)，將氫持續(xù)供應(yīng)到陽極電極，以避免氫的短缺。

發(fā)明內(nèi)容
在燃料電池系統(tǒng)的切斷操作過程中，在以下方面出現(xiàn)問題(1)如果在從燃料電池主體提取負(fù)載電流時(shí)發(fā)生氫的短缺，則承載電極催化劑的碳和水互相反應(yīng)。這導(dǎo)致陰極電極催化劑的有效活性面積顯著減小，結(jié)果性能惡化。這種惡化導(dǎo)致比由鉑溶解引起的損害更大的損害。
(2)如果試圖期望安全地減小負(fù)載電流，則導(dǎo)致停止時(shí)間增加，為了縮短停止時(shí)間，如果試圖使負(fù)載電流處于適當(dāng)增大的值，則這時(shí)可能出現(xiàn)氫短缺發(fā)生，結(jié)果導(dǎo)致惡化。
(3)在將燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)動車輛的情況下，可能優(yōu)選燃料電池系統(tǒng)的停止時(shí)間盡可能地短。從而，僅為了縮短停止時(shí)間，優(yōu)選使電壓盡可能快地下降。
(4)在正常實(shí)踐中，通過允許殘留在燃料電池主體的陰極電極和陽極電極中的氣體壓力下降至大氣壓力來停止燃料電池系統(tǒng)。在電功率產(chǎn)生過程中，通過以上述方式在不向陰極電極供應(yīng)空氣的情況下將假負(fù)載電阻器連接到燃料電池主體而使陰極電極的氣體壓力下降。此外，空氣不是可燃?xì)怏w，因此，即使電壓下降至允許斷開假負(fù)載電阻器并且一旦停止系統(tǒng)就將空氣排放到大氣中也不會出現(xiàn)問題。然而，由于考慮到防止在利用假負(fù)載電阻器提取負(fù)載電流期間的氫短缺而向燃料電池主體持續(xù)供應(yīng)氫的操作，因此氫氣持續(xù)地保持在陽極電極中。因此，在電壓下降并且切斷假負(fù)載電阻器之后，需要將殘留在陽極電極內(nèi)部的氫氣排出以使陽極電極的壓力降低至大氣壓力。然而，由于氫是可燃?xì)怏w，不能立刻將其排出到大氣中。此外，如果立刻將氫排出，則陽極電極的壓力瞬時(shí)增加，因此，考慮到保持陰極電極和陽極電極之間的壓差上限極限，也不能立刻將氫排出。因此，需要試圖將氫以小流速排出到稀釋容器，以利用鼓風(fēng)機(jī)攪動氫使氫與大量空氣混合，基于此，氫在稀釋狀態(tài)下被排出。因此，在陽極電極的壓力下降至大氣壓力之前需要很長時(shí)間，結(jié)果停止時(shí)間增加。
考慮到上述問題完成了本發(fā)明，并且，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種燃料電池系統(tǒng)，其包括燃料電池主體，該燃料電池主體具有被供應(yīng)包含氫的燃料氣體的陽極電極和被供應(yīng)氧化劑氣體的陰極電極；催化劑劣化抑制裝置，其用于在將外部負(fù)載從燃料電池主體斷開之后，中斷向陰極電極供應(yīng)氧化劑氣體，并在向陽極電極供應(yīng)燃料氣體的同時(shí)，允許通過內(nèi)部負(fù)載來提取由燃料電池主體產(chǎn)生的負(fù)載電流；氫供應(yīng)停止裝置，其用于在通過內(nèi)部負(fù)載提取負(fù)載電流期間，除向陽極電極供應(yīng)的剩余氫以外，中斷向陽極電極供應(yīng)燃料氣體；以及負(fù)載電流控制裝置，其控制目標(biāo)負(fù)載電流，使在停止向陽極電極供應(yīng)燃料氣體之后，陽極電極內(nèi)部的壓力保持在目標(biāo)壓力。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其包括設(shè)置用于將電功率供應(yīng)到外部負(fù)載的燃料電池主體，該燃料電池主體具有被供應(yīng)包含氫的燃料氣體的陽極電極和被供應(yīng)氧化劑氣體的陰極電極；設(shè)置內(nèi)部負(fù)載；在將外部負(fù)載從燃料電池主體斷開之后，中斷向陰極電極供應(yīng)氧化劑氣體；將內(nèi)部負(fù)載連接到燃料電池主體，以在向陽極電極供應(yīng)燃料氣體的同時(shí)允許從燃料電池主體提取負(fù)載電流；在通過內(nèi)部負(fù)載提取負(fù)載電流期間，除向陽極電極供應(yīng)的剩余氫以外，中斷向陽極電極供應(yīng)燃料氣體；以及控制目標(biāo)負(fù)載電流，使在中斷向陽極電極供應(yīng)燃料氣體之后，陽極電極內(nèi)部的壓力保持在目標(biāo)壓力。


圖1是圖解根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的框圖。
圖2是圖解用于停止圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)的流程圖。
圖3是圖解圖2所示的S50的詳細(xì)操作的流程圖。
圖4是圖解圖2所示的S90的詳細(xì)操作的流程圖。
圖5是圖解圖4所示的S910的詳細(xì)操作的流程圖。
圖6是圖解利用圖1所示的微型電子計(jì)算機(jī)從目標(biāo)壓力和陽極電極的入口處的壓力傳感器的測量值獲得目標(biāo)負(fù)載電流的序列的框圖。
圖7是圖解根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的框圖。
圖8是圖解在停止圖7所示的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，該燃料電池系統(tǒng)的操作的基本序列的流程圖。
圖9是圖解圖8所示的S50A的詳細(xì)操作的流程圖。
圖10是圖解圖9所示的S510A的詳細(xì)操作的流程圖。
圖11是圖解圖9所示的S530的詳細(xì)操作的流程圖。
圖12A至圖12C是圖解由第一和第二實(shí)施例產(chǎn)生的第一效果的圖。
圖13A至圖13C是圖解由第一和第二實(shí)施例產(chǎn)生的第二效果的圖。
圖14A至圖14C是圖解由第一和第二實(shí)施例產(chǎn)生的第三效果的圖。
圖15是圖解由第一和第二實(shí)施例產(chǎn)生的第四效果的圖。
具體實(shí)施例方式
下面，將參考圖解了本發(fā)明的附圖詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例。在全部附圖中，相同或者相似的組成部分具有相同或者相似的附圖標(biāo)記。
第一實(shí)施例如圖1所示，在第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的情況下，燃料電池主體1具有被供應(yīng)如氫等燃料氣體的陽極電極和被供應(yīng)如空氣等氧化劑氣體的陰極電極，用于使氫和氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生電功率，并且由電功率產(chǎn)生而產(chǎn)生的熱經(jīng)由流過冷卻劑流動通路的冷卻水(冷卻劑)而散發(fā)。通過電解質(zhì)膜33使陽極電極和陰極電極彼此鄰近放置。在陽極電極和陰極電極的外側(cè)經(jīng)由隔板31分別布置純水電極。此外，在純水電極接近陰極電極的一側(cè)經(jīng)由隔板32布置冷卻劑流動通路。在燃料電池主體1中發(fā)生如以下反應(yīng)(1)和(2)的電極反應(yīng)，以產(chǎn)生電功率。
陽極電極…………………(1)陰極電極2H++2e-+(1/2)O2→H2O ……(2)貯存在氫容器2中的氫氣經(jīng)由用作氫供應(yīng)停止裝置的氫供應(yīng)基閥(base valve)(接通/斷開閥)3、減壓閥301和氫壓力調(diào)整閥(可變閥)4供應(yīng)到陽極電極。減壓閥301機(jī)械地將氫壓力減小至給定壓力。氫壓力調(diào)整閥4將陽極電極內(nèi)的氫壓力調(diào)整至希望值。由氫壓力控制部件23對陽極電極的氫壓力進(jìn)行控制，該氫壓力控制部件23用于將由壓力傳感器6a檢測到的氫壓力反饋給因而被驅(qū)動的氫壓力調(diào)整閥4。將氫壓力控制至固定水平使氫以與由燃料電池主體1消耗氫的速率相等的速率自動地得以補(bǔ)償。排出器(ejector)5連接在陽極電極的入口和出口之間，通過該排出器5使從出口排出的在陽極電極中未被消耗的氫(排出氫)循環(huán)至陽極電極的入口和氫循環(huán)泵8，該氫循環(huán)泵8補(bǔ)償排出器5未覆蓋的區(qū)域。凈化閥(接通/斷開閥)7和稀釋鼓風(fēng)機(jī)9與陽極電極的出口相連，通過該凈化閥7凈化從陽極電極排出的氫(排出氫)，通過該稀釋鼓風(fēng)機(jī)9將由凈化閥7凈化的氫用空氣稀釋至低于可燃濃度的氫濃度，以將其排出到車輛的外部。凈化閥7起將聚集在氫輸送管路(delivery line)中的氮排出以增強(qiáng)氫循環(huán)功能的作用和將塞住氣體流動通路的阻塞水吹出的作用。
將從壓縮機(jī)10供給的壓縮空氣供應(yīng)到燃料電池主體1的陰極電極?？諝鈮毫φ{(diào)整閥(可變閥)11與陰極電極的出口相連。陰極電極的空氣壓力由空氣壓力控制部件22來控制，通過該空氣壓力控制部件22將由壓力傳感器6b檢測到的空氣壓力反饋給因而被驅(qū)動的空氣壓力調(diào)整閥11。此外，傳感器29和傳感器30與陰極電極的出口相連，該傳感器29用于測量陰極排出空氣的水分濃度，該傳感器30測量陰極排出空氣的氫濃度。
貯存在純水容器13中的純水由純水泵12供應(yīng)到燃料電池主體1的純水電極。純水收集閥14a至14c以及純水截流閥(接通/斷開閥)14d被布置在純水流動通路上。此外，純水收集閥14b具有截流功能。當(dāng)在系統(tǒng)啟動和停止過程中，在沒有純水循環(huán)的情況下將氫供應(yīng)到陽極電極時(shí)，將純水收集閥14b和純水截流閥14d都關(guān)閉使得防止氫泄漏到純水輸送管道。純水收集部件25使純水收集閥14a至14c被驅(qū)動，從而利用空氣壓力允許將殘留在燃料電池主體1的純水電極和純水輸送管道中的純水收集到純水容器13中。如果在純水完全殘留在純水電極中的條件下停止該系統(tǒng)，則可能發(fā)生在低于凝固點(diǎn)的溫度下純水膨脹引起燃料電池主體1的損壞，因此，將純水收集到純水容器13中。
考慮到電功率產(chǎn)生效率和水平衡來確定空氣壓力、氫壓力和純水壓力，并將空氣壓力、氫壓力和純水壓力控制為各自給定的壓差，以避免在電解質(zhì)膜33和隔板31、32中出現(xiàn)變形。
通過冷卻水泵15將冷卻水供應(yīng)到燃料電池主體1的冷卻水流動通路。此外，三通閥16和散熱器17被布置在冷卻水流動通路中，并且三通閥16用于將冷卻水流切換到散熱器或者散熱器的支路通路以引起分流。轉(zhuǎn)動散熱器風(fēng)扇18使流過散熱器17的冷卻水冷卻。通過冷卻水溫度控制部件24調(diào)整冷卻水的溫度，該冷卻水溫度控制部件24使由溫度傳感器19檢測到的冷卻水溫度反饋到三通閥16和散熱器風(fēng)扇18，并驅(qū)動三通閥16和散熱器風(fēng)扇18。
此外，燃料電池系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成功率管理器20，其用作負(fù)載電流控制裝置，通過該功率管理器20，提取由燃料電池主體1產(chǎn)生的電功率并將其供應(yīng)到如驅(qū)動車輛的電動機(jī)(未示出)等外部負(fù)載L；電壓傳感器21，其檢測給定電壓，在燃料電池主體1的電壓下降過程中，在該給定電壓下以如稍后說明的方式中斷氫供應(yīng)；氧消耗部件34，其與功率管理器20相連；以及微型計(jì)算機(jī)28，其由中央處理器(CPU)和相關(guān)聯(lián)的外部設(shè)備接口構(gòu)成，該微型計(jì)算機(jī)28用作如以下說明的催化劑劣化抑制裝置。氧消耗部件34由內(nèi)部負(fù)載(假負(fù)載電阻器)26和開關(guān)27構(gòu)成，通過該內(nèi)部負(fù)載26提取燃料電池主體1中產(chǎn)生的負(fù)載電流，通過該開關(guān)27使燃料電池主體1和假負(fù)載電阻器26連接或者斷開。這里，氧消耗部件34包括假負(fù)載電阻器可變電阻器裝置，該假負(fù)載電阻器可變電阻器裝置能夠響應(yīng)發(fā)送到功率管理器20的命令而以任意量控制被提取的負(fù)載電流。此外，所提取的電功率被充入電池。功率管理器20內(nèi)部結(jié)合有DCDC。假負(fù)載電阻器26用于抑制由燃料電池主體1的各單元電池的陽極電極上的氫分布而導(dǎo)致的陰極催化劑的腐蝕劣化。具體地，在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)啟動過程中，當(dāng)開始供應(yīng)氫時(shí)，在氫分布出現(xiàn)在單元電池的陽極電極上的情況下，控制開關(guān)27使假負(fù)載電阻器26接通或者斷開以抑制陰極催化劑的腐蝕劣化。
現(xiàn)在，參考圖2，說明停止圖1所示的燃料電池系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的操作的基本序列。
(I)在S10中，如車輛驅(qū)動電動機(jī)等外部負(fù)載L被從燃料電池主體1斷開。此外，同時(shí)，在完全打開空氣調(diào)整閥11的同時(shí)停止壓縮機(jī)10以使向陰極電極的空氣供應(yīng)中斷。此外，向陽極電極持續(xù)供應(yīng)氫。氫循環(huán)泵8也持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
在S10中，由于外部負(fù)載L被從燃料電池主體1斷開，所以，在燃料電池主體1中發(fā)生無負(fù)載狀態(tài)，并且燃料電池主體1的電壓上升至無負(fù)載電壓。一旦燃料電池主體1的鉑催化劑暴露于高壓，快速反應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)致鉑催化劑被電離，結(jié)果鉑催化劑的活性有效表面積減小，從而引起劣化。正常地，如果電壓超過值0.8V每單元電池，那么鉑催化劑的溶解劣化迅速進(jìn)行。在無負(fù)載狀態(tài)下，燃料電池主體1呈電壓超過值0.8V的狀態(tài)或者燃料電池主體1呈接近于這種狀態(tài)的電壓狀態(tài)。
(II)在S15中，執(zhí)行設(shè)定通過氫壓力調(diào)整閥4控制的氫壓力的目標(biāo)值(壓力控制目標(biāo)值)的操作。由于在S10中停止了空氣供應(yīng)，因此空氣壓力處于大氣壓力下。對于在此使用的，術(shù)語“目標(biāo)壓力”涉及陰極電極和陽極電極之間的壓差上限值。目標(biāo)壓力是將該壓差上限值與大氣壓力相加的結(jié)果，并且由于停止供應(yīng)空氣，因此陽極目標(biāo)壓力不能取高壓力。因此，如果提取增大的負(fù)載電流，則有氫瞬時(shí)短缺的高危險(xiǎn)。為了避免這種危險(xiǎn)，已經(jīng)進(jìn)行了初步的試驗(yàn)測試，以獲得適當(dāng)?shù)呢?fù)載電功率，并將其設(shè)定為10kW的值。
(III)在S20中，執(zhí)行設(shè)定由假負(fù)載電阻器26消耗的負(fù)載電功率[W]的目標(biāo)值(目標(biāo)負(fù)載功率)的操作，并且根據(jù)該目標(biāo)負(fù)載功率，通過燃料電池主體1提取的負(fù)載電流[A]的目標(biāo)值(目標(biāo)負(fù)載電流)按照以下等式(3)計(jì)算目標(biāo)負(fù)載電流[A]＝目標(biāo)負(fù)載功率[W]÷燃料電池電壓[V]…(3)其中，燃料電池電壓表示電壓傳感器21的值。
同時(shí)地，閉合假負(fù)載電阻器開關(guān)27，以將燃料電池主體1和假負(fù)載電阻器26彼此連接。這使假負(fù)載電阻器26能夠從燃料電池主體1提取負(fù)載電流。這里，目標(biāo)負(fù)載電流被發(fā)送到功率管理器20，并且功率管理器20工作以產(chǎn)生電勢差，以使假負(fù)載電阻器26提取目標(biāo)負(fù)載功率。
為了抑制由鉑溶解引起的劣化，需要使電壓盡可能快地下降，為此，需要提取盡可能大的負(fù)載電流。在S20中，由于假負(fù)載電阻器26與燃料電池主體1連接以使負(fù)載電流流過該假負(fù)載26，所以在燃料電池主體1中發(fā)生電壓下降。這使得能夠抑制鉑催化劑的溶解劣化。此刻，在沒有空氣供應(yīng)到陰極電極的情況下，將氫持續(xù)供應(yīng)到陽極電極，并且在陰極電極上消耗氧，結(jié)果電壓迅速下降。此外，在工作中產(chǎn)生另一好處，即向陽極電極持續(xù)供應(yīng)氫的存在使氫跨越到陰極電極，從而導(dǎo)致氧化的催化劑(PtO)的減少。由于氫被持續(xù)供應(yīng)到陽極電極，所以不擔(dān)心發(fā)生氫短缺。
(IV)在S30中，進(jìn)行燃料電池主體1的電壓是否變成小于第一給定值的判斷。對于此處使用的，術(shù)語“第一給定值”是指形成判斷是否停止氫供應(yīng)所基于的標(biāo)準(zhǔn)的電壓。如果該電壓小于第一給定值(S30中為“是”)，則操作進(jìn)入S32，如果該電壓超過第一給定值(S30中為“否”)，則操作進(jìn)入S35。在S35中，目標(biāo)負(fù)載電流被發(fā)送到功率管理器(PM)20，隨后，操作跳至“返回”。
(V)在S32中，提高氫循環(huán)泵8的轉(zhuǎn)速。此外，打開凈化閥7給定時(shí)間間隔，隨后，關(guān)閉該凈化閥7。提高氫循環(huán)泵8的轉(zhuǎn)速導(dǎo)致經(jīng)過燃料電池主體1的陽極電極的氫的量增大，從而當(dāng)停止供應(yīng)氫時(shí)避免氫短缺，并且在消耗氫的同時(shí)使負(fù)載電流流過假負(fù)載電阻器26。打開凈化閥7使停留在陽極電極上的除氫以外的氣態(tài)雜質(zhì)被清除，以使新的氫能夠進(jìn)入到陽極電極的內(nèi)部。這使得在停止供應(yīng)氫期間能夠防止氫短缺的發(fā)生，并且在消耗氫的同時(shí)使負(fù)載電流流過假負(fù)載電阻器26。
(VI)在S40中，關(guān)閉氫供應(yīng)基閥3，以停止從氫容器2供應(yīng)氫。也就是說，在電壓仍未充分下降的情況下，在利用假負(fù)載電阻器26繼續(xù)消耗負(fù)載電流期間，停止供應(yīng)氫。即使關(guān)閉氫供應(yīng)基閥3，壓縮氫氣殘留在氫供應(yīng)基閥3的下游中，并且氫未立即消失。因此，假負(fù)載電阻器26可以繼續(xù)消耗負(fù)載電流。
在正常實(shí)踐中，當(dāng)停止燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，壓縮氫被從氫供應(yīng)基閥3的下游排出，以使陽極電極的剩余壓力下降至大氣壓力，于是停止該系統(tǒng)。如果當(dāng)電壓下降至足夠低的電平而不需要假負(fù)載電阻器26消耗負(fù)載電流時(shí)停止氫供應(yīng)，則從該時(shí)刻起，需要將壓縮氫從氫供應(yīng)基閥3的下游排出，以使陽極電極的剩余壓力下降至大氣壓力。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，盡管也許可以立刻將氫排放到大氣中，但是氫氣是易燃?xì)怏w，不能被立刻排出到大氣中。因此，將氫排放到稀釋容器，在該稀釋容器中，在稀釋鼓風(fēng)機(jī)9的作用下將氫與大量空氣混合，于是將氫與空氣的混合物排出到大氣中。因此，用很長時(shí)間使陽極電極的剩余壓力下降至大氣壓力，結(jié)果停止時(shí)間增加。
此外，由于殘留在氫供應(yīng)基閥3的下游中的壓縮氫的存在，如果試圖使剩余壓力立刻下降至大氣壓力，則大量氫橫穿燃料電池主體1的陽極電極，以被排出到大氣中。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，陽極電極的壓力上升，結(jié)果可能導(dǎo)致剩余壓力超過陰極電極和陽極電極之間的壓差上限值。出于這個(gè)原因，需要在允許將陰極電極和陽極電極之間的壓差保持在比上限值小的值的同時(shí)，使陽極電極的剩余壓力下降至大氣壓力。因此需要很長時(shí)間，結(jié)果停止時(shí)間增加。
如果像S40中一樣，在利用假負(fù)載電阻器26消耗負(fù)載電流期間停止氫供應(yīng)，以引起電功率產(chǎn)生，則流過假負(fù)載電阻器26的負(fù)載電流消耗剩余氫。這使陽極電極的剩余壓力下降至大氣壓力的時(shí)間縮短，從而能夠使停止時(shí)間減少。
(VII)在S50中，對由根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載電流控制的陽極電極的入口處的壓力設(shè)定目標(biāo)壓力。這里，如圖3所示，“目標(biāo)壓力下限值”是陰極電極和陽極電極之間的壓差上限值加上陽極電極的壓力的結(jié)果。此外，由于氫供應(yīng)已經(jīng)停止，所以陰極電極的壓力處于大氣壓力下。
(VIII)在S60中，開始通過利用根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載電流控制陽極電極的入口處的壓力。如圖6所示，在該操作過程中，利用作為PI控制器的微型計(jì)算機(jī)28，從目標(biāo)壓力和放置在陽極電極的入口處的壓力傳感器6a的測量值獲得“目標(biāo)負(fù)載電流”。
(IX)在S70中，執(zhí)行操作，以停止通過氫壓力調(diào)整閥4控制陽極電極的入口處的壓力。更具體地，由于在S40中，關(guān)閉氫供應(yīng)基閥3以停止供應(yīng)氫，所以停止氫壓力調(diào)整閥4的壓力控制并將氫壓力調(diào)整閥4的壓力控制切換至利用根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載電流對陽極電極的入口處的壓力進(jìn)行控制。
然后在S80中，以給定響應(yīng)將氫壓力調(diào)整閥4逐漸并完全地打開。即使將氫壓力調(diào)整閥4立刻完全打開，也不可能發(fā)生由于利用根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載電流開始控制陽極電極的入口處的壓力而使陽極電極壓力超過壓差上限值，但是考慮到控制中的延遲，以給定時(shí)間常量完全打開氫壓力調(diào)整閥4。
(X)在S85中，通過刪去在S20中計(jì)算的目標(biāo)負(fù)載電流，采用基于利用根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載電流對陽極電極的入口處的壓力控制而計(jì)算的目標(biāo)負(fù)載電流，并將該目標(biāo)負(fù)載電流發(fā)送到功率管理器(PM)20。
為了縮短停止時(shí)間，在S40中使用假負(fù)載電阻器26消耗負(fù)載電流而使電壓保持在高電平的條件下，停止氫供應(yīng)，從而通過使負(fù)載電流流過假負(fù)載電阻器26來消耗剩余氫。然而，在缺乏適當(dāng)負(fù)載電流時(shí)，發(fā)生氫短缺。如果出現(xiàn)氫短缺，則質(zhì)子缺少，并且為了補(bǔ)償質(zhì)子的短缺，在陰極電極上，陰極催化劑、支撐催化劑的碳材料、以及水(H2O)之間發(fā)生反應(yīng)。這導(dǎo)致陰極催化劑的有效表面積減少，從而導(dǎo)致腐蝕劣化反應(yīng)發(fā)生，結(jié)果燃料電池的損壞顯著增加。
由于第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)包括設(shè)有氫供應(yīng)基閥3和氫壓力調(diào)整閥4的氫供應(yīng)管路，因此即使關(guān)閉氫供應(yīng)基閥3，在氫供應(yīng)基閥3的下游中也存在壓縮氫。氫供應(yīng)基閥3和氫壓力調(diào)整閥4之間的壓力處于比氫壓力調(diào)整閥4和陽極電極的入口處的壓力高的水平。因此，剩余氫持續(xù)不斷地流入燃料電池主體1的陽極電極中。如果氫的流動保持原樣，則陽極電極壓力持續(xù)不斷地增大。此刻，如果為了消耗氫而提取負(fù)載電流，則可以抑制壓力上升。這里，以獲得“目標(biāo)壓力”的方式處理待通過負(fù)載電流消耗的氫量提供了將流入陽極電極的氫和利用負(fù)載電流消耗的氫保持為互相匹配的作用。由于這種作用，可以通過負(fù)載電流以與氫進(jìn)入陽極電極的速率相同的速率來消耗氫，從而，可將陽極電極壓力保持在“目標(biāo)壓力”。并且，在停止氫供應(yīng)時(shí)，在使負(fù)載電流流過假負(fù)載電阻器26以消耗氫期間，可以避免氫短缺的危險(xiǎn)。
(XI)在S90中，進(jìn)行是否可停止燃料電池系統(tǒng)的判斷。以下參考圖4詳細(xì)說明該操作。如果可停止燃料電池系統(tǒng)(S90中為“是”)，則操作進(jìn)入S100，從而執(zhí)行燃料電池系統(tǒng)的停止操作。具體地，在通過利用根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載電流中斷陽極電極的入口處的壓力控制的同時(shí)，打開假負(fù)載電阻器開關(guān)27并停止氫循環(huán)泵8的運(yùn)轉(zhuǎn)，于是打開凈化閥7。如果不可停止并結(jié)束燃料電池系統(tǒng)(S90中為“否”)，則操作原樣跳至“返回”步驟。
接著，參考圖4說明S90中的詳細(xì)操作。
(A)在S910中，進(jìn)行是否不存在可用于保持目標(biāo)壓力的剩余氫的判斷。以下參考圖5說明S910的詳細(xì)操作。如果存在可用來保持目標(biāo)壓力的剩余氫(S910中為“是”)，則操作進(jìn)入S920。如果仍存在可用來保持目標(biāo)壓力的剩余氫(S910中為“否”)，則操作原樣跳至“返回”步驟。
(B)在S920中，進(jìn)行陽極電極中的壓力是否處于目標(biāo)壓力下限值的判斷。由于目標(biāo)壓力下限值在S50中基于表示為“目標(biāo)壓力下限值＝陰極電極中的壓力+(壓差限制上限值)”的公式來確定，因此在燃料電池的陽極電極中，壓力保持為對應(yīng)于該壓差的值。此刻，存在一種情況，在該情況下不再存在用于保持目標(biāo)壓力下限值的剩余氫，而僅留下對應(yīng)于保持目標(biāo)壓力下限值的極限程度的少量氫。因此，即使存在的剩余氫被立刻排出，也不可能發(fā)生氫以超過陰極電極和陽極電極之間的壓差限制極限的大的量流動。因此，如果陽極電極的壓力位于目標(biāo)壓力下限值(S920中為“是”)，則在S930中判斷為可以停止燃料電池系統(tǒng)。
在第一實(shí)施例的情況下，預(yù)期在剩余氫仍然存在的情況下，甚至在出現(xiàn)電壓下降至可用來切斷假負(fù)載電阻器26的電平時(shí)，也不判斷為可以停止并結(jié)束燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，并且試圖等待直至可用于保持目標(biāo)壓力下限值的剩余氫消失為止。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，不存在由假負(fù)載電阻器26消耗的負(fù)載電流。在該情況下，如果甚至在燃料電池主體1的陰極電極中沒有氧而出現(xiàn)電壓下降時(shí)使用負(fù)載電流，則氫從陽極電極跨越到陰極電極，導(dǎo)致在陰極電極上發(fā)生由表示的反應(yīng)(與陽極電極上的反應(yīng)相反的反應(yīng))。這是因?yàn)?，?dāng)這發(fā)生時(shí)，盡管在燃料電池主體1上沒有損壞發(fā)生，但是這時(shí)停止氫的供應(yīng)，并且在陽極電極上沒有浪費(fèi)的氫，從而導(dǎo)致氫短缺發(fā)生。
此外，為什么試圖等待直至可用來保持目標(biāo)壓力下限值的剩余氫消失為止的原因在于，即使由于停止并結(jié)束燃料電池系統(tǒng)而立刻將剩余氫排出，壓差也不超過陰極電極和陽極電極之間的壓差上限值。
接著，參考圖9，說明S910的詳細(xì)操作。
(a)在S9050中，進(jìn)行氫壓力調(diào)整閥4是否被完全打開的判斷。如果氫壓力調(diào)整閥4被完全打開(S9050中為“是”)，則操作進(jìn)入S9100，如果氫壓力調(diào)整閥4未被完全打開(S9050中為“否”)，則操作原樣跳至“返回”步驟。這是因?yàn)槿绻麣鋲毫φ{(diào)整閥4未被完全打開，則壓縮氫仍然殘留在氫壓力調(diào)整閥4的上游中。
(b)在S9100中，讀入從燃料電池主體1提取的負(fù)載電流的測量值。
(c)在S9200中，進(jìn)行取回的負(fù)載電流是否為零的判斷。如果該負(fù)載電流為零(S9200中為“是”)，則操作進(jìn)入S9300，如果該負(fù)載電流不為零(S9200中為“否”)，則操作原樣跳至“返回”步驟。
(d)在S9300中，如果負(fù)載電流為零，則判斷為不存在用于保持目標(biāo)壓力的剩余氫。
如果提取負(fù)載電流以消耗氫，結(jié)果導(dǎo)致剩余氫減少，則進(jìn)入陽極電極的氫的量出現(xiàn)下降。為了將氫壓力保持至目標(biāo)壓力，由負(fù)載電流消耗的氫的量也隨著進(jìn)入氫的量的減少而減少。在使氫供應(yīng)基閥3和氫壓力調(diào)整閥4之間的壓力等于陽極電極的入口的壓力的平衡情況下，不存在進(jìn)入陽極電極的氫。以這種方式，負(fù)載電流逐漸減小并最終達(dá)到零。在第一實(shí)施例的情況下，一旦檢測到這一時(shí)刻，則判斷為不存在用于保持目標(biāo)壓力的剩余氫。此外，由于在S50中基于表示為“目標(biāo)壓力下限值＝陰極電極中的壓力+(壓差限制上限值)”的公式來計(jì)算目標(biāo)壓力下限值，所以在壓力達(dá)到目標(biāo)壓力下限值的時(shí)刻，負(fù)載電流變?yōu)榱?，?dǎo)致殘余壓力僅保持目標(biāo)氫壓力下限值的狀態(tài)。
第二實(shí)施例如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)是在氫供應(yīng)管路中省略設(shè)置在圖1所示的燃料電池系統(tǒng)中的氫壓力調(diào)整閥4，而僅利用氫壓力調(diào)整閥3實(shí)現(xiàn)縮短停止時(shí)間的系統(tǒng)。因此，不存在驅(qū)動氫壓力調(diào)整閥4以控制氫壓力的氫壓力控制部件23。其他組成部分與圖1的燃料電池系統(tǒng)的相同，因此，在此省略相同的說明。
在不存在氫壓力調(diào)整閥4的情況下，如從圖2的流程圖所示的序列中刪除步驟S15、S70和S80的圖8所示，進(jìn)行停止圖7所示的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)的操作。此外，圖2中的S50由S50A取代，圖2中的S90由S90A取代。圖2中的S100被部分更改。其他操作序列(S10、S20、S30、S32、S35、S40、S60和S85中的)與圖2的流程圖相同。參考圖8至圖11，說明用于停止圖7所示的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)的操作。
(I)如先前參考圖2所述，執(zhí)行S10、S20、S30、S32、S35和S40中的操作。也就是說，在S10中，將外部負(fù)載L從燃料電池主體1斷開，同時(shí)，在完全打開空氣壓力調(diào)整閥11的同時(shí)使壓縮機(jī)10停止，以中斷將空氣供應(yīng)到陰極電極。此外，繼續(xù)對陽極電極供應(yīng)氫。使氫循環(huán)泵8持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
(II)在S20中，設(shè)定由假負(fù)載電阻器26消耗的負(fù)載電流的目標(biāo)值(目標(biāo)負(fù)載電流)，并基于該值，計(jì)算從燃料電池主體1提取的負(fù)載電流[A]的目標(biāo)值(目標(biāo)負(fù)載電流)。同時(shí)，閉合假負(fù)載電阻器開關(guān)27，以將假負(fù)載電阻器26連接到燃料電池主體1。在S30中，進(jìn)行燃料電池主體1的電壓是否變成小于給定值的判斷。如果該電壓小于給定值(S30中為“是”)，則操作進(jìn)入S32，如果該電壓超過給定值(S30中為“否”)，則操作進(jìn)入S35。在S35中，目標(biāo)負(fù)載電流被發(fā)送到功率管理器(PM)20，隨后，操作原樣跳至“返回”步驟。
(III)在S32中，執(zhí)行提高氫循環(huán)泵8的轉(zhuǎn)速的操作。此外，打開凈化閥8一給定時(shí)間間隔，隨后關(guān)閉該凈化閥。在S40中，關(guān)閉氫供應(yīng)基閥3，以停止將氫從氫容器2供應(yīng)到陽極電極。
(IV)在S50A中，對由根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載電流控制的陽極電極的入口處的壓力設(shè)定目標(biāo)壓力。下面參考圖9詳細(xì)說明S50A。
(V)在S60中，開始利用根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載電流控制陽極電極的入口處的壓力的操作。當(dāng)執(zhí)行該操作時(shí)，如圖6所示，利用作為PI控制器的微型計(jì)算機(jī)28使得基于目標(biāo)壓力和與陽極電極的入口相關(guān)的由壓力傳感器6a產(chǎn)生的測量值而獲得“目標(biāo)負(fù)載電流”。
(IV)在S85中，刪去在S20中計(jì)算的目標(biāo)負(fù)載電流，采用基于利用根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載電流控制陽極電極的入口處的壓力計(jì)算的目標(biāo)負(fù)載電流，并將該目標(biāo)負(fù)載電流發(fā)送到功率管理器(PM)20。
(VII)在S90A，進(jìn)行是否可以停止并結(jié)束燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)的判斷。下面參考圖11詳細(xì)說明該操作。如果可以停止并結(jié)束燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)(S90A中為“是”)，則操作進(jìn)入S100，從而進(jìn)行停止并結(jié)束燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)的操作。具體地，在利用根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載電流中斷陽極電極的入口處的壓力控制的同時(shí)，打開假負(fù)載電阻器開關(guān)27，并停止氫循環(huán)泵8的運(yùn)轉(zhuǎn)，于是關(guān)閉凈化閥8。如果不可以停止并結(jié)束燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)(S90A中為“否”)，則操作原樣跳至“返回”步驟。
接著，參考圖9說明S50A的詳細(xì)操作。
(A)在S510A中，對通過根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載電流控制的陽極電極的入口處的壓力設(shè)定目標(biāo)壓力。在第二實(shí)施例的情況下，基于稀釋鼓風(fēng)機(jī)9的稀釋能力計(jì)算目標(biāo)壓力下限值。
(B)在S520A中，利用給定響應(yīng)時(shí)間常量設(shè)定目標(biāo)壓力下降響應(yīng)模式。在第二實(shí)施例的情況下，基于目標(biāo)壓力下降響應(yīng)模式調(diào)整陽極電極的入口處的壓力，使陽極電極的入口處的壓力以給定響應(yīng)時(shí)間常量下降。因此，陽極電極的入口處的壓力越低，目標(biāo)壓力中每單位時(shí)間的變化率將越小。這導(dǎo)致在利用負(fù)載電流控制陽極電極的入口處的壓力的隨后步驟中的壓力下降，以使從燃料電池主體1提取的每單位時(shí)間的負(fù)載電流的變化率隨著剩余氫的減少而減小，由此當(dāng)存在較少剩余氫時(shí)，可使由于過量提取負(fù)載電流而導(dǎo)致的氫短缺出現(xiàn)的擔(dān)心最小。
(C)在S530A中，進(jìn)行是否存在用于保持目標(biāo)壓力的剩余氫的判斷。下面參考圖11說明S530A中操作的詳細(xì)序列。當(dāng)判斷為用于保持目標(biāo)壓力的剩余氫仍存在時(shí)(S530A中為“否”)，操作進(jìn)入S535A，在S535A中進(jìn)行陽極電極的入口處的壓力是否小于給定值的判斷。如果陽極電極的入口處的壓力小于給定值(S535A中為“是”)，操作進(jìn)入S540A，在S540A中使目標(biāo)壓力下降響應(yīng)模式改變?yōu)榱硪荒繕?biāo)壓力下降響應(yīng)模式，該另一目標(biāo)壓力下降響應(yīng)模式提供比在S520A中設(shè)定的目標(biāo)壓力下降響應(yīng)模式的響應(yīng)更慢的響應(yīng)。因此，預(yù)期基于消耗氫以將剩余氫去除導(dǎo)致陽極電極的入口處的壓力下降，當(dāng)使負(fù)載電流流過假負(fù)載電阻器26以消耗氫時(shí)，不發(fā)生氫短缺。
(D)如果判斷為不存在可用于保持目標(biāo)壓力的剩余氫(S530A中為“是”)和陽極電極的入口處的壓力超過了給定值(S535A中為“否”)，則操作進(jìn)入S550A。在S550A中，通過參考目標(biāo)壓力下降響應(yīng)模式計(jì)算目標(biāo)壓力。
接著，參考圖10說明S510A中的詳細(xì)操作。
(a)在S5100A中，利用以下等式(4)和(5)估計(jì)流過清洗輸送通路的氫的量QQ(m3/s)＝K×Ao×(2ΔP/ρ)1/2……(4)Ao[m2]＝(п/4)×Do2……(5)
當(dāng)這發(fā)生時(shí)，執(zhí)行重復(fù)循環(huán)計(jì)算，作為陽極電極的壓力變量。對于該計(jì)算沒關(guān)系的是，通過初始進(jìn)行的計(jì)算獲得計(jì)算結(jié)果并將該計(jì)算結(jié)果存儲在微型計(jì)算機(jī)中。
其中，Do[m]表示凈化閥7的口直徑，ΔP表示從其中減去了大氣壓力的陽極電極的壓力(變量)，ρ[kg/m3]表示氫氣的密度，K表示流速的系數(shù)，Ai表示為Ai[m2]＝(п/4)×Di2，以及Di[m]表示管道的直徑。
流速的系數(shù)K是如圖10所示表示為(K＝f(Ao/Ai))的(Ao/Ai)的因數(shù)。
(b)在S5200A中，對通過將適當(dāng)初始值代入陽極電極的壓力變量計(jì)算出的結(jié)果Q是否處于比可用于通過利用稀釋鼓風(fēng)機(jī)9而稀釋至小于氫的可燃下限(4％)的氫的量小的值進(jìn)行判斷。如果判斷為計(jì)算的氫的量可被稀釋至小于氫的可燃下限(4％)的值(S5300A中為“是”)，則操作進(jìn)入S5500A，在S5500A中采用陽極電極的壓力變量的值作為目標(biāo)壓力下限值。如果判斷為氫的量超過了可燃下限(4％)并且不可用來稀釋(S5300A中為“否”)，則操作進(jìn)入S5400A，在S5400A中改變陽極電極的壓力變量以重新計(jì)算，于是操作回到S5100A。
接著，下面參考圖11說明S530A的詳細(xì)操作。
(I)在S5300A中，讀入在陽極電極的入口處的壓力傳感器6的測量值。
(II)在S5310A中，進(jìn)行陽極電極的入口處的目標(biāo)壓力和壓力傳感器6a的測量值之間的差是否超過給定值的判斷。
(III)如果目標(biāo)壓力和壓力傳感器6a的測量值之間的差超過了給定值(S5310A中為“是”)，則操作進(jìn)入S5320A，并判斷為不存在用于保持目標(biāo)壓力的剩余氫。如果目標(biāo)壓力和壓力傳感器6a之間的差未超過給定值(S5310A中為“否”)，則操作原樣跳至“返回”步驟。在第二實(shí)施例的情況下，在S5320A中的判斷為當(dāng)從中減去壓力傳感器6a的測量值的陽極電極的入口處的目標(biāo)壓力的值超過了正的給定值時(shí)，不存在用于保持目標(biāo)壓力的剩余氫。
在第二實(shí)施例的情況下，由于氫供應(yīng)管路僅結(jié)合有氫供應(yīng)基閥3，所以當(dāng)在S40中停止供應(yīng)氫以使氫供應(yīng)基閥3關(guān)閉時(shí)，氫供應(yīng)基閥3和陽極電極之間的壓力保持在平衡狀態(tài)。因此，如果這種狀態(tài)保持不變，則沒有剩余氫流入陽極電極。沒有出現(xiàn)剩余氫的流動，除非提取負(fù)載電流以引起陽極電極的壓力下降。
為此，利用給定響應(yīng)時(shí)間常量使目標(biāo)壓力降低，并且通過流過假負(fù)載電阻器26的負(fù)載電流控制陽極電極的入口處的壓力，從而在努力使壓力減小至目標(biāo)壓力的過程中，允許從燃料電池主體3提取負(fù)載電流。然后，剩余氫開始以與由負(fù)載電流消耗的量相同的量流入燃料電池主體1(體積膨脹)。因此，流過假負(fù)載電阻器26的由負(fù)載電流消耗的氫的量等于流入陽極電極的氫的量，即使中斷氫供應(yīng)并且使負(fù)載電流流過假負(fù)載電阻器26導(dǎo)致燃料電池主體1的電壓下降，也不發(fā)生氫短缺。以這種方式，如果提取負(fù)載電流以消耗氫，并且使剩余氫最少，則失去與通過負(fù)載電流消耗的氫的量相同量的氫，導(dǎo)致陽極電極的入口處的壓力下降至小于目標(biāo)壓力的值。在圖11所示的S530A的詳細(xì)流程圖中，檢測該瞬間以判斷為不存在可用于保持目標(biāo)壓力的氫。
此外，S90A由圖4所示的S910至S930構(gòu)成。在S910中，以與圖11中的S530A相同的序列進(jìn)行是否存在可用于保持目標(biāo)壓力的剩余氫的判斷。如果存在可用于保持目標(biāo)壓力的殘余氫(S910中為“是”)，則操作進(jìn)入S920A，在S920A中進(jìn)行陽極電極的入口處的壓力是否小于最小值的判斷。將S510A中處于利用稀釋鼓風(fēng)機(jī)9可以稀釋至氫的可燃下限極限(4％)的氫量的值確定為最小下限值。因此，如果在S920中判斷為壓力處于最小下限值(S920中為“是)，則由于即使立刻將剩余氫排出也可將氫稀釋至小于可燃極限的值，所以在S930中判斷為可停止燃料電池系統(tǒng)。
2004年2月17日提交的日本申請No.P2004-039884的全部內(nèi)容通過引用包含于此。
盡管以上已參考本發(fā)明的某些實(shí)施例說明了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于以上說明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員按照本示教會想到各種變形。參考以下權(quán)利要求限定本發(fā)明的范圍。
工業(yè)適用性如以上所闡明的，根據(jù)本發(fā)明，在燃料電池系統(tǒng)的停止過程中，使用催化劑劣化抑止裝置執(zhí)行以下操作在將假負(fù)載電阻器26連接到燃料電池主體1以使燃料電池主體1的電壓下降期間(在燃料電池主體1的電壓下降至給定電壓之后)，停止供應(yīng)氫并利用流過假負(fù)載電阻器26的負(fù)載電流消耗剩余氫。同時(shí)，執(zhí)行這些操作以抑制催化劑劣化并使剩余氫下降至大氣壓力，從而能夠使用于停止并結(jié)束燃料電池系統(tǒng)的時(shí)間縮短。
如圖12A和12B所示，這些操作的執(zhí)行是通過(a)等待，直至電壓下降至可停止氫供應(yīng)的給定電壓；(b)在相應(yīng)的給定電壓下中斷氫的供應(yīng)；以及(c)允許通過流過假負(fù)載電阻器26的負(fù)載電流消耗剩余氫，同時(shí)執(zhí)行抑制催化劑劣化和使剩余氫減小至大氣壓力的操作。相反，利用相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的停止方法，這些操作的執(zhí)行是通過(1)等待，直至在供應(yīng)氫的同時(shí)電壓達(dá)到可切斷假負(fù)載電阻器26的給定電壓；(2)在相應(yīng)給定電壓下中斷氫的供應(yīng)；以及(3)利用稀釋鼓風(fēng)機(jī)9稀釋剩余氫。因此，如圖12C所示，本發(fā)明可通過一時(shí)間段來縮短停止時(shí)間，在該時(shí)間段同時(shí)執(zhí)行抑制催化劑劣化和使剩余氫下降至大氣壓力的操作。
此外，在中斷氫的供應(yīng)之后，計(jì)算以使陽極電極的壓力保持在給定壓力的方式從燃料電池主體1提取的目標(biāo)負(fù)載電流，從而以消耗剩余氫的方式控制氫電極壓力。陽極電極的壓力特性對應(yīng)于從流入陽極電極的氫的量Qin中減去陽極電極消耗的氫的量Qout并由公式(壓力＝K∫(Qin-Qout)dt)表示的積分結(jié)果。為了將陽極電極的壓力保持在給定目標(biāo)壓力，需要使進(jìn)入氫的量Qin等于消耗氫的量Qout。由于這種作用，如果以使陽極電極的壓力保持在給定壓力的方式控制從燃料電池主體1提取的負(fù)載電流，則進(jìn)入陽極電極的氫的量和由負(fù)載電流消耗的氫的量彼此相等，從而能夠防止氫短缺。
如圖13A所示，當(dāng)大量的壓縮剩余氫存在于燃料電池主體1的陽極電極的入口的上游，并且壓力P1高于陽極電極的入口處的壓力P2時(shí)，氫趨向流入陽極電極Δq。如圖13B所示，如果P1高于P2，則由于進(jìn)入陽極電極的剩余氫而出現(xiàn)的陽極電極的入口處的壓力增大，使通過負(fù)載電流的流動消耗的氫的量僅增加相同量Δq，以使能夠保持目標(biāo)壓力，從而能夠以避免氫短缺的方式消耗剩余氫。
此外，如圖13C所示，如果陽極電極的入口處的壓力P1等于陽極電極的上游處的壓力P2(表示為P1＝P2)，則壓力平衡狀態(tài)存在，并且如果這種狀態(tài)保持不變，則沒有氫流入陽極電極。這里，如果使負(fù)載電流增加對應(yīng)于Δq的值，則陽極電極的入口處的壓力趨向減小。然后，氫以與由負(fù)載電流消耗的氫的量相同量Δq流入陽極電極，以保持目標(biāo)壓力，從而能夠以避免氫短缺的方式消耗剩余氫。這是因?yàn)樵谏婕皦毫ζ胶獾恼麄€(gè)內(nèi)部管路中的氫(體膨脹下的氫)可以被消耗。
此外，在正常實(shí)踐中，在燃料電池主體1上發(fā)生的氫和氧之間的反應(yīng)導(dǎo)致根據(jù)1摩爾的氫消耗(1/2)摩爾的氧，因而，氫被以高于氧的速率消耗。從而，如果中斷向陽極電極和陰極電極二者的氣體供應(yīng)，并且在隨后的步驟中負(fù)載電流繼續(xù)消耗，則殘留在陽極電極中的氫比殘留在陰極電極中的氧消耗得快，從而可能引起氫的短缺。在本發(fā)明的情況下，由于一旦開始執(zhí)行催化劑劣化抑制裝置的操作，就在停止氫供應(yīng)時(shí)消耗氧以使剩余氧的量下降，可以在不引起氫短缺的情況下消耗陰極電極中的剩余氧。
并且，當(dāng)利用氫壓力調(diào)整閥4控制氫壓力時(shí)，如果以縮短停止時(shí)間為目的使大負(fù)載電流流動以消耗剩余氫，則有可能在利用負(fù)載電流消耗的氫和流入陽極電極的氫之間發(fā)生不平衡，結(jié)果導(dǎo)致氫短缺。在本發(fā)明的情況下，由于操作被切換至基于負(fù)載電流操作執(zhí)行陽極電極壓力控制的步驟，使利用負(fù)載電流消耗的氫的量等于流入陽極電極的氫的量，因此可防止氫的短缺。
另外，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)執(zhí)行負(fù)載電流控制裝置時(shí)進(jìn)行可用于保持目標(biāo)壓力的剩余氫存在的判斷。當(dāng)停止氫供應(yīng)時(shí)，隨著剩余氫被消耗以將陽極電極的壓力保持在目標(biāo)壓力，由于保持目標(biāo)壓力，因此由負(fù)載電流消耗的氫的量逐漸減少至零。在負(fù)載電流以這種方式逐漸降低至零和負(fù)載電流下降至低于給定值的情況下，可判斷失去了用于保持目標(biāo)壓力的剩余氫。
如圖14A所示，當(dāng)大量的壓縮剩余氫存在于燃料電池主體1的陽極電極的入口的上游，并且壓力P1高于陽極電極的入口處的壓力P2時(shí)，氫趨向流入陽極電極Δq值。如圖14B所示，如果P1高于P2，并且陽極電極入口處的壓力由于進(jìn)入陽極電極的剩余氫而趨向增加，則負(fù)載電流流動的存在使以與進(jìn)入氫的速率相同的速率消耗氫的量，從而導(dǎo)致在目標(biāo)壓力下出現(xiàn)平衡狀態(tài)，于是進(jìn)入氫的量和負(fù)載電流變?yōu)榱?。因此，通過在陽極電極的實(shí)際壓力下降至低于目標(biāo)壓力之前檢測剩余氫的缺乏量，可進(jìn)行判斷以得到結(jié)束負(fù)載電流提取的定時(shí)。此外，如果當(dāng)剩余氫缺少并且通過流過假負(fù)載電阻器26的負(fù)載電流更多地消耗氫時(shí)存在出現(xiàn)氫短缺的可能性高，則不試圖提取負(fù)載電流，以能夠防止氫的短缺。
此外，如圖14C所示，如果陽極電極的入口處的壓力P1等于陽極電極的上游處的壓力P2(表示為P1＝P2)，則存在壓力平衡狀態(tài)，并且如果這種狀態(tài)保持不變，則沒有氫流入陽極電極。這里，如果使負(fù)載電流以對應(yīng)于值Δq的速率增加，則陽極電極的入口處的壓力趨向降低。然后，使負(fù)載電流流動以消耗與進(jìn)入氫的量相等量的氫(即，在平衡壓力下消耗包含在整個(gè)系統(tǒng)中的氫)，并且平衡狀態(tài)出現(xiàn)在目標(biāo)壓力下，由此進(jìn)入氫的量和負(fù)載電流變?yōu)榱恪．?dāng)這發(fā)生時(shí)，即使當(dāng)燃料電池主體1的電壓未下降至低于足夠低的水平時(shí)，也可以使燃料電池系統(tǒng)終止。這可以防止由于氫短缺導(dǎo)致的催化劑劣化，氫短缺導(dǎo)致比由將燃料電池主體1暴露于高壓狀態(tài)導(dǎo)致的鉑催化劑溶解劣化的劣化損失更嚴(yán)重的劣化損失。
另外，如圖15所示，根據(jù)本發(fā)明，在執(zhí)行負(fù)載電流控制裝置期間，降低目標(biāo)壓力，使得陽極電極的壓力越低，目標(biāo)壓力的下降速率越慢。將目標(biāo)壓力改變至進(jìn)一步減小的值導(dǎo)致引起由負(fù)載電流消耗的氫量增大的作用，產(chǎn)生快速減小陽極電極的剩余壓力的能力，從而能夠縮短停止時(shí)間。
此外，通過改變目標(biāo)壓力，使陽極電極的壓力越低，目標(biāo)壓力的下降速率越慢，被消耗的氫的量每單位時(shí)間的變化率能夠引起剩余氫的量的減少，從而能夠在剩余氫的量變少時(shí)使氫短缺的風(fēng)險(xiǎn)降低。
此外，根據(jù)本發(fā)明，以連續(xù)方式使氫循環(huán)，直至從執(zhí)行催化劑劣化抑制裝置的操作開始至結(jié)束燃料電池系統(tǒng)為止。因而，可在執(zhí)行催化劑劣化抑制裝置使負(fù)載電流流過假負(fù)載電阻器26以消耗剩余氫期間中斷氫供應(yīng)的過程中，使氫短缺的風(fēng)險(xiǎn)降低。
另外，根據(jù)本發(fā)明，在催化劑劣化抑制裝置的執(zhí)行過程中，打開凈化閥7以將留在陽極電極中的除氫以外的氣態(tài)雜質(zhì)向外部清除，從而在中斷氫供應(yīng)之前使氫循環(huán)通道的內(nèi)部充滿新的氫。因而，可在執(zhí)行催化劑劣化抑制裝置使負(fù)載電流流過假負(fù)載電阻器26以消耗剩余氫期間停止氫供應(yīng)的處理的中間，使氫短缺的風(fēng)險(xiǎn)降低。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其包括燃料電池主體，其具有被供應(yīng)包含氫的燃料氣體的陽極電極和被供應(yīng)氧化劑氣體的陰極電極；催化劑劣化抑制裝置，其用于在將外部負(fù)載從所述燃料電池主體斷開之后，中斷向所述陰極電極供應(yīng)氧化劑氣體，并在向所述陽極電極供應(yīng)所述燃料氣體的同時(shí)，允許通過內(nèi)部負(fù)載來提取由所述燃料電池主體產(chǎn)生的負(fù)載電流；氫供應(yīng)停止裝置，其用于在通過所述內(nèi)部負(fù)載提取所述負(fù)載電流期間，除向所述陽極電極供應(yīng)的剩余氫以外，中斷向所述陽極電極供應(yīng)所述燃料氣體；以及負(fù)載電流控制裝置，其控制目標(biāo)負(fù)載電流，使在停止向所述陽極電極供應(yīng)燃料氣體之后，將所述陽極電極內(nèi)部的壓力保持在目標(biāo)壓力。
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，當(dāng)所述目標(biāo)負(fù)載電流下降至低于給定值時(shí)，催化劑劣化抑制裝置停止通過所述內(nèi)部負(fù)載提取所述負(fù)載電流。
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，所述負(fù)載電流控制裝置使所述目標(biāo)壓力以所述陽極電極內(nèi)部的壓力越低，所述目標(biāo)壓力的下降速率越慢的方式降低。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括氫循環(huán)通道，通過該氫循環(huán)通道從所述陽極電極的出口排出的排出氫被循環(huán)到所述陽極電極的入口；以及氫循環(huán)裝置，通過該氫循環(huán)裝置使燃料氣體循環(huán)；并且其中，在通過所述內(nèi)部負(fù)載提取所述負(fù)載電流前，使所述氫循環(huán)裝置開動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括凈化閥，其被連接到所述陽極電極的出口；并且其中，在中斷向所述陽極電極供應(yīng)燃料氣體前，打開所述凈化閥。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括氫壓力調(diào)整閥，其被連接到所述陽極電極的入口，用于在通過所述內(nèi)部負(fù)載提取所述負(fù)載電流期間，將所述陽極電極的入口處的壓力調(diào)整為給定壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括壓力傳感器，其感測所述陽極電極的入口處的壓力，以提供測量壓力；以及氫壓力控制部件，其響應(yīng)從所述壓力傳感器發(fā)送的所述測量壓力，用于在通過所述內(nèi)部負(fù)載提取所述負(fù)載電流期間，控制所述氫壓力調(diào)整閥，以使燃料氣體以由所述燃料電池主體消耗的速率得以補(bǔ)償。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)所述陽極電極中的壓力被保持在所述目標(biāo)壓力時(shí)，從所述氫供應(yīng)停止裝置的下游流入所述陽極電極的剩余氫的量大約等于由所述負(fù)載電流消耗的氫的量。
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，還包括壓力傳感器，其感測所述陽極電極的入口處的壓力，以提供測量壓力；并且其中，所述催化劑劣化抑制裝置提供基于所述目標(biāo)壓力和從所述壓力傳感器發(fā)送的所述測量壓力的所述目標(biāo)負(fù)載電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述催化劑劣化抑制裝置確定第一目標(biāo)壓力下降響應(yīng)模式和第二目標(biāo)壓力下降響應(yīng)模式，該第二目標(biāo)壓力下降響應(yīng)模式的響應(yīng)速率慢于該第一目標(biāo)壓力下降響應(yīng)模式的響應(yīng)速率，由此當(dāng)所述陽極電極的壓力低于給定值時(shí)，選擇所述第二目標(biāo)壓力下降響應(yīng)模式，以使所述負(fù)載電流控制裝置依照所述第二目標(biāo)壓力下降響應(yīng)模式改變所述目標(biāo)負(fù)載電流。
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，還包括稀釋部件，其被連接到所述陽極電極的出口，以將待排出的氫稀釋到給定濃度；并且其中，所述催化劑劣化抑制裝置用于基于所述稀釋部件的稀釋能力設(shè)定目標(biāo)壓力下限值。
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，還包括電壓傳感器，其檢測所述燃料電池主體的給定電壓，以提供檢測電壓；并且其中，所述催化劑劣化抑制裝置用于響應(yīng)所述檢測電壓使所述氫供應(yīng)停止裝置中斷向所述陽極電極供應(yīng)燃料氣體。
13.一種燃料電池系統(tǒng)，其包括燃料電池主體，其具有被供應(yīng)包含氫的燃料氣體的陽極電極和被供應(yīng)氧化劑氣體的陰極電極；催化劑劣化抑制部件，其用于在將外部負(fù)載從所述燃料電池主體斷開之后，中斷向所述陰極電極供應(yīng)氧化劑氣體，并在向所述陽極電極供應(yīng)所述燃料氣體的同時(shí)，允許通過內(nèi)部負(fù)載來提取由所述燃料電池主體產(chǎn)生的負(fù)載電流；氫供應(yīng)停止部件，其用于在通過所述內(nèi)部負(fù)載提取所述負(fù)載電流期間，除向所述陽極電極供應(yīng)的剩余氫以外，中斷向所述陽極電極供應(yīng)燃料氣體；以及負(fù)載電流控制部件，其用于控制目標(biāo)負(fù)載電流，使在停止向所述陽極電極供應(yīng)燃料氣體之后，所述陽極電極內(nèi)部的壓力保持在目標(biāo)壓力。
14.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其包括設(shè)置燃料電池主體，該燃料電池主體具有被供應(yīng)包含氫的燃料氣體的陽極電極和被供應(yīng)氧化劑氣體的陰極電極；設(shè)置內(nèi)部負(fù)載；在將外部負(fù)載從所述燃料電池主體斷開之后，中斷向所述陰極電極供應(yīng)氧化劑氣體；將所述內(nèi)部負(fù)載連接到所述燃料電池主體，以在向所述陽極電極供應(yīng)所述燃料氣體的同時(shí)允許從所述燃料電池主體提取負(fù)載電流；在通過所述內(nèi)部負(fù)載提取所述負(fù)載電流期間，除向所述陽極電極供應(yīng)的剩余氫以外，中斷向所述陽極電極供應(yīng)所述燃料氣體；以及控制目標(biāo)負(fù)載電流，使在中斷向所述陽極電極供應(yīng)燃料氣體之后，所述陽極電極內(nèi)部的壓力保持在目標(biāo)壓力。
全文摘要
公開了一種燃料電池系統(tǒng)和相關(guān)的操作方法。該系統(tǒng)包括燃料電池主體(1)，其具有被供應(yīng)包含氫的燃料氣體的陽極電極和被供應(yīng)氧化劑氣體的陰極電極；催化劑劣化抑制部件，其用于在將外部負(fù)載從燃料電池主體(1)斷開之后，中斷向陰極電極供應(yīng)氧化劑氣體，并在向陽極電極供應(yīng)燃料氣體的同時(shí)，允許通過內(nèi)部負(fù)載(26)來提取由燃料電池主體(1)產(chǎn)生的負(fù)載電流；氫供應(yīng)停止部件，其用于在通過內(nèi)部負(fù)載提取負(fù)載電流期間，中斷向陽極電極供應(yīng)燃料氣體；以及負(fù)載電流控制部件，其控制目標(biāo)負(fù)載電流，使在停止向陽極電極供應(yīng)燃料氣體之后，陽極電極內(nèi)部的壓力保持在目標(biāo)壓力。
文檔編號H01M16/00GK1922750SQ20058000515
公開日2007年2月28日 申請日期2005年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月17日
發(fā)明者岡本勝 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社