專利名稱：判定燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的方法及其裝置、控制燃料電池的單電池水分量的 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及判定燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的方法及其裝置、控制燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的方法及其裝置、以及燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
例如為了通過固體高分子型的燃料電池高效率地進行發(fā)電，層疊的多個單電池的水分量不會發(fā)生過與不足的良好狀態(tài)的情況至關(guān)重要。因此，以往，根據(jù)單電池電壓等，檢測干燥狀態(tài)或水分過剩狀態(tài)，基于此來控制單電池的水分量，而恢復成良好的水分量(專利文獻1、2)。作為其他關(guān)聯(lián)的技術(shù)，列舉專利文獻:Te。在先技術(shù)文獻專利文獻專利文獻I日本特開2008-041625號公報專利文獻2日本特開2007-194177號公報專利文獻3日本特開2008-288066號公報專利文獻4日本特開2007-12429號公報專利文獻5日本特開2004-311149號公報專利文獻6日本特開2005-63801號公報

發(fā)明內(nèi)容
然而，實際上，層疊的多個單電池會受到氣體的供給壓力的不均等的影響，而干燥狀態(tài)的單電池與水過剩狀態(tài)的單電池有時會共存。此時，如上所述，若認為干燥狀態(tài)，進行使多個單電池整體的水分量增加的控制，或認為水分過剩狀態(tài)，進行使多個單電池整體的水分量減少的控制，則在一部分的單電池中，水分量的狀態(tài)反而會惡化。其結(jié)果是，燃料電池的單電池有時不會恢復成良好的水分量的狀態(tài)。本發(fā)明鑒于上述點而作出，其目的在于提供一種對用于恢復成良好的水分量的狀態(tài)的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)進行判定的方法及其裝置、對燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)進行控制的方法及其裝置、以及燃料電池系統(tǒng)。用于實現(xiàn)上述目的的本發(fā)明涉及一種判別燃料單電池內(nèi)層疊的多個單電池的水分量的狀態(tài)的方法，其中，在滿足如下的條件r3中的至少任一個條件時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)條件I.多個單電池的電壓偏差為規(guī)定的閾值以上，且最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下；條件2.最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且燃料單電池的發(fā)電輸出為規(guī)定的閾值以下；條件3.最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且單電池的陰極側(cè)的空氣入口的電流為規(guī)定的閾值以下。根據(jù)本發(fā)明，在上述條件廣3中的任一個滿足時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)，因此把握該共存狀態(tài)，能夠與此相適地應(yīng)對。因此，即使在燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)成為共存狀態(tài)時，也能夠使該單電池水分量恢復成良好的狀態(tài)。在上述燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的判別方法中，可以在燃料電池起動時、 燃料電池的高負荷運轉(zhuǎn)時及燃料電池的停止處理時，不進行所述判別。另外，在燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的判別方法中，除了滿足所述條件廣3 中的至少任一個條件之外,在層疊方向的中央的單電池的阻抗值與端部的單電池的阻抗值之差為規(guī)定的閾值以上時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)。另一觀點的本發(fā)明涉及一種控制燃料電池內(nèi)的層疊的多個單電池的水分量的狀態(tài)的方法，其中，在滿足如下的條件廣3中的至少任一個條件時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)條件I.多個單電池的電壓偏差為規(guī)定的閾值以上，且最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下；條件2.最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且燃料單電池的發(fā)電輸出為規(guī)定的閾值以下；條件3.最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且單電池的陰極側(cè)的空氣入口的電流為規(guī)定的閾值以下，在判別為所述共存狀態(tài)時，進行水分增加控制而將全部的單電池形成為水分過剩狀態(tài)，然后進行干燥化控制而對全部的單電池進行干燥，使所述多個單電池恢復成規(guī)定的水分量的狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明，判別干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)，并依次進行水分增加控制、干燥化控制，能夠使多個單電池的水分量回復，因此能夠適當且可靠地進行該多個單電池的水分量的向良好的狀態(tài)的恢復。在上述燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制方法中，可以在燃料電池起動時、 燃料電池的高負荷運轉(zhuǎn)時及燃料電池的停止處理時，不進行所述判別。在上述燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制方法中，除了滿足所述條件f 3中的至少任一個條件之外，在層疊方向的中央的單電池的阻抗值與端部的單電池的阻抗值之差為規(guī)定的閾值以上時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)。
另外，在上述燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制方法中，可以在所述水分增加控制中，允許單電池電壓的下降。在所述水分增加控制中，可以控制單電池的陰極側(cè)的空氣化學計量比、空氣背壓、 燃料電池的冷卻水的溫度、燃料電池的發(fā)電輸出的至少任一個值。在所述水分增加控制中，可以調(diào)整所述空氣化學計量比并排出單電池內(nèi)的水分， 避免因單電池的空氣流路的水堵塞引起的空氣供給不足。在所述水分增加控制中，可以抑制水分從單電池的陰極側(cè)向陽極側(cè)的移動，而避免因單電池的氫氣流路的水堵塞引起的氫氣供給不足。而且，可以通過提高單電池的陽極側(cè)的氫氣壓，而抑制所述水分的移動。在所述水分增加控制中，可以促進單電池的陽極側(cè)的水的排出，而避免因單電池的氫氣流路的水堵塞引起的氫氣供給不足?？梢酝ㄟ^進行提高單電池的陽極側(cè)的氫氣化學計量比、提高水溫、增加凈化頻率中的至少任一種處理，來促進所述水的排出?？梢允?，所述干燥化控制通過空氣凈化控制來進行，所述空氣凈化控制的凈化量設(shè)定成確保能夠?qū)坞姵貎?nèi)的水排出的空氣流速和能夠?qū)坞姵仉妷合陆档膯坞姵刂邪乃颗懦龅目諝饬俊?br> 另一觀點的本發(fā)明涉及一種判別燃料電池內(nèi)的層疊的多個單電池的水分量的狀態(tài)的裝置，其中，在滿足如下的條件廣3中的至少任一個條件時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)條件I.多個單電池的電壓偏差為規(guī)定的閾值以上，且最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下；條件2.最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且燃料電池的發(fā)電輸出為規(guī)定的閾值以下；條件3.最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且單電池的陰極側(cè)的空氣入口的電流為規(guī)定的閾值以下。在上述燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的判別裝置中，可以在燃料電池起動時、 燃料電池的高負荷運轉(zhuǎn)時及燃料電池的停止處理時，不進行所述判別。另外，除了滿足所述條件廣3中的至少任一個條件之外，在層疊方向的中央的單電池的阻抗值與端部的單電池的阻抗值之差為規(guī)定的閾值以上時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)。 另一觀點的本發(fā)明涉及一種控制燃料電池內(nèi)的層疊的多個單電池的水分量的狀態(tài)的裝置，其中，在滿足如下的條件廣3中的至少任一個條件時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)條件I.多個單電池的電壓偏差為規(guī)定的閾值以上，且最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下；條件2.最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且燃料電池的發(fā)電輸出為規(guī)定的閾值以下；條件3.最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且單電池的陰極側(cè)的空氣入口的電流為規(guī)定的閾值以下，在判別為所述共存狀態(tài)時，進行水分增加控制而將全部的單電池形成為水分過剩狀態(tài)，然后進行干燥化控制而對全部的單電池進行干燥，使所述多個單電池恢復成規(guī)定的水分量的狀態(tài)。在上述燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制裝置中，可以在燃料電池起動時、 燃料電池的高負荷運轉(zhuǎn)時及燃料電池的停止處理時，不進行所述判別。另外，除了所述條件廣3的至少任一種之外，在層疊方向的中央的單電池的電阻值與端部的單電池的電阻值之差為規(guī)定的閾值以上時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)。在所述水分增加控制中，可以允許單電池電壓的下降。在所述水分增加控制中，可以控制單電池的陰極側(cè)的空氣化學計量比、空氣背壓、 燃料電池的冷卻水的溫度、燃料電池的發(fā)電輸出的至少任一個值。在所述水分增加控制中，可以調(diào)整所述空氣化學計量比并排出單電池內(nèi)的水分， 避免因單電池的空氣流路的水堵塞引起的空氣供給不足。在所述水分增加控制中，可以抑制水分從單電池的陰極側(cè)向陽極側(cè)的移動，而避免因單電池的氫氣流路的水堵塞引起的氫氣供給不足?？梢酝ㄟ^提高單電池的陽極側(cè)的氫氣壓，而抑制所述水分的移動。在所述水分增加控制中，可以促進單電池的陽極側(cè)的水的排出，而避免因單電池的氫氣流路的水堵塞引起的氫氣供給不足?？梢酝ㄟ^進行提高單電池的陽極側(cè)的氫氣化學計量比、提高水溫、增加凈化頻率中的至少任一種處理，來促進所述水的排出?？梢允牵龈稍锘刂仆ㄟ^空氣凈化控制來進行，所述空氣凈化控制的凈化量設(shè)定成確保能夠?qū)坞姵貎?nèi)的水排出的空氣流速和能夠?qū)坞姵仉妷合陆档膯坞姵刂邪乃颗懦龅目諝饬俊?br> 另一觀點的本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，其具有燃料電池；上述燃料電池的 單電池水分量的狀態(tài)的判別裝置。另外，另一觀點的本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，其具有燃料電池；上述燃料電 池的單電池水分量的狀態(tài)的控制裝置。


圖1是燃料電池的立體圖。圖2是表示燃料電池的內(nèi)部的一部分的側(cè)視圖。圖3是單電池的剖視圖。圖4是隔板的俯視圖。圖5是燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖6是表示單電池層疊體的各單電池的單電池電壓的變化的曲線圖。圖7是控制裝置的功能框圖。圖8是表示燃料電池的單電池層疊體的水分量的狀態(tài)的控制方法的流程圖。圖9是表示單電池層疊體的水分量的狀態(tài)的變化的曲線圖。圖10是求出凈化的空氣流速和空氣量的數(shù)學式。
具體實施例方式以下，參照附圖，說明本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式。如圖1及圖2所示，堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池1具有將固體高分子電解質(zhì)型的單電池 2層疊多個而成的單電池層疊體3。在單電池層疊體3的兩端的單電池2 (端部單電池2a) 的外側(cè)分別配置有集電板5a、5b、絕緣板6a、6b及端板7a、7b。張力板8、8架設(shè)在端板7a、 7b之間而通過螺栓9固定，且在端板7b與絕緣板6b之間設(shè)有彈性模塊10。在端板7a的供給口 11a、12a及13a連接有供給管14，能夠?qū)⒆鳛槿剂蠚怏w的氫 氣、作為氧化氣體的空氣、及致冷劑從供給管14向單電池層疊體3內(nèi)的岐管15a供給。岐 管15a通過各單電池2而與單電池層疊體3內(nèi)的岐管15b連通，向岐管15a供給的氫氣、空 氣及致冷劑在各單電池2的后述的流路內(nèi)沿著平面方向流動，到達岐管15b。岐管15b與和 端板7a的排出口 llb、12b及13b連接的排出管16連通，氫氣、空氣及致冷劑從排出管16 向燃料電池1外排出。需要說明的是，供給管14、岐管15a、15b及排出管16按照氫氣、空氣 及致冷劑的各流體對應(yīng)設(shè)置，但在圖2中標注同一符號而省略說明。如圖3所示，單電池2具備MEA20及一對隔板22A、22B。MEA20 (膜電極組件)包 括由離子交換膜構(gòu)成的電解質(zhì)膜23和隔著電解質(zhì)膜23的陽極電極24A及陰極電極24B而 構(gòu)成。隔板22A的氫氣流路25A面向陽極電極24A，隔板22B的空氣流路25B面向陰極電極 24B。而且，隔板22A、22B的致冷劑流路26A、26B在相鄰的單電池2、2間連通。圖4是隔板22A的俯視圖。隔板22A具有在氫氣流路25A的外側(cè)分別沿著厚度方 向貫通形成的氫氣入口 27a、空氣入口 28a、致冷劑入口 29a、氫氣出口 27b、空氣出口 28b及 致冷劑出口 29b。入口 27a、28a、29a構(gòu)成與各個流體對應(yīng)的岐管15a的一部分，同樣地，出 口 27b、28b、29b構(gòu)成與各個流體對應(yīng)的岐管15b的一部分。在隔板22A中，氫氣從氫氣入口 27a被導入到氫氣流路25A,向氫氣出口 27b排出。該點關(guān)于致冷劑的流動也同樣。而且，雖然未詳細敘述，但在與隔板22A同樣構(gòu)成的隔板 22B中，空氣也沿著其平面方向流動。如此，向與隔板22A的氫氣流路25A面對的陽極電極 24A供給氫氣，向與空氣流路25B面對的陰極電極24B供給空氣，由此在MEA20內(nèi)發(fā)生電化學反應(yīng)，能得到電動勢。而且，通過該電化學反應(yīng)，在陰極電極24B側(cè)生成水，而水分滯留在單電池2內(nèi)。如圖5所示，在燃料電池I內(nèi)設(shè)有例如檢測各單電池2的電壓的傳感器SI、檢測各單電池2的空氣入口 28a的電流的傳感器S2、檢測單電池層疊體3的發(fā)電輸出的傳感器 S3。接下來，說明搭載有上述燃料電池I的燃料電池系統(tǒng)。如圖5所示，燃料電池系統(tǒng) 100具備例如空氣配管系統(tǒng)300、氫配管系統(tǒng)400、致冷劑配管系統(tǒng)500及控制裝置600。燃料電池系統(tǒng)100除了能夠搭載于車輛、船舶、飛行器、機器人等各種移動體之外，也能適用于定置型電源。這里，以搭載于機動車的燃料電池系統(tǒng)100為例進行說明?？諝馀涔芟到y(tǒng)300向燃料電池I供排空氣，具有例如供給流路30、排出流路31、壓縮機32、稀釋器33等。通過壓縮機32，大氣中的空氣通過供給流路30被向燃料電池I壓力輸送，從燃料電池I排出的空氣廢氣通過排出流路31由稀釋器33稀釋后排出。在供給流路30設(shè)有進行空氣對燃料電池I的供給和停止的開閉閥34。在壓縮機32與開閉閥34 之間設(shè)有壓力傳感器P。在排出流路31設(shè)有進行空氣廢氣對燃料電池I的排出和停止的開閉閥35和對燃料電池I的空氣背壓進行調(diào)整的空氣背壓調(diào)整閥36。而且，在空氣背壓調(diào)整閥36的附近設(shè)有檢測空氣背壓的壓力傳感器P1。在壓縮機33設(shè)有檢測向燃料電池I 的空氣供給流量的流量傳感器Fl。氫配管系統(tǒng)400向燃料電池I供排氫氣，具有氫供給源40、供給流路41、循環(huán)流路 42、截止閥43、調(diào)壓閥44、噴射器45等。來自氫供給源40的氫氣由調(diào)壓閥44減壓后，由噴射器45高精度地調(diào)整流量及壓力。然后，氫氣與通過循環(huán)流路42上的作為氣體循環(huán)裝置的氫泵46壓力輸送來的氫廢氣在合流點A處合流，向燃料電池I供給。在循環(huán)流路42設(shè)有排氣閥47，在該排氣閥47連接有從循環(huán)流路42分支的排出流路48。排出流路48與稀釋器33連接，氫廢氣從排氣閥47通過排出流路48向稀釋器33輸送，稀釋后排出。在合流點A的下游側(cè)設(shè)有檢測向燃料電池I的氫氣的供給壓力的壓力傳感器P2。而且，在氫泵46 設(shè)有流量傳感器F2。需要說明的是，在另一實施方式中，既可以將燃料廢氣向氫稀釋器等導入，也可以在循環(huán)流路42設(shè)置氣液分離器。致冷劑配管系統(tǒng)500向燃料電池I循環(huán)供給致冷劑(例如冷卻水)而對燃料電池 I進行溫度調(diào)整，具有例如冷卻泵50、致冷劑流路51、散熱器52、旁流通路53及切換閥54。 冷卻泵50將致冷劑流路51內(nèi)的致冷劑向燃料電池I內(nèi)進行壓力輸送。致冷劑流路51具有燃料電池I的致冷劑入口側(cè)的溫度傳感器Tl和燃料電池I的致冷劑出口側(cè)的溫度傳感器T2。散熱器52對從燃料電池I排出的致冷劑進行冷卻。切換閥54例如由旋轉(zhuǎn)閥構(gòu)成， 根據(jù)需要，在散熱器52與旁流通路53之間對致冷劑的流通進行切換?？刂蒲b置600構(gòu)成為在內(nèi)部具備CPU、ROM、RAM的微型計算機。對流過各配管系統(tǒng) 300,400,500的流體的壓力、溫度、流量等進行檢測的傳感器的檢測信息向控制裝置600輸入。而且，除了對燃料電池I發(fā)電的電流值進行檢測的電流傳感器61的檢測信息之外，外部大氣溫度傳感器62、車速傳感器63、油門開度傳感器等的檢測信息也向控制裝置600輸入?？刂蒲b置600根據(jù)上述的檢測信息等，對系統(tǒng)I 00內(nèi)的各種設(shè)備(壓縮機32、截止閥 43、噴射器45、氫泵46、排氣閥47、冷卻泵50、切換閥54等)進行控制，從而對燃料電池系統(tǒng) 100的運轉(zhuǎn)進行集中控制。另外，控制裝置600例如基于上述傳感器Sf S3等的檢測信息，判別燃料電池I的層疊的多個單電池2 (單電池層疊體3)的水分量的狀態(tài)，并基于該判別來調(diào)整水分量。具體而言，控制裝置600在下述的條件f 3中的至少任一個滿足時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)，這種情況下，進行水分增加控制而使全部的單電池2成為水分過剩狀態(tài)，然后進行干燥化控制而對全部的單電池2進行干燥，使單電池層疊體3恢復成規(guī)定的水分量的狀態(tài)。條件I.多個單電池的電壓偏差為規(guī)定的閾值以上，且最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下。條件2.最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且燃料電池的發(fā)電輸出為規(guī)定的閾值以下。條件3.最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且單電池的陰極側(cè)的空氣入口的電流為規(guī)定的閾值以下。這里，說明在條件廣3的至少任一個滿足時，判別為單電池層疊體3是干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)的理由。圖6是表示單電池層疊體3產(chǎn)生了共存狀態(tài)時的各單電池2的單電池電壓的變位的曲線圖。從該曲線圖可知，單電池層疊體3的單電池電壓不均，一部分的單電池的單電池電壓極端下降。因此，在單電池的電壓偏差成為規(guī)定的閾值A(chǔ)l以上且最低單電池電壓成為規(guī)定的閾值A(chǔ)2以下時，成為共存狀態(tài)(條件I)。曲線圖的單電池層疊體3的單電池電壓的不均由單電池2的干燥引起，當單電池層疊體3的單電池電壓不均時，單電池電阻增大，燃料電池I的發(fā)電輸出下降。而且，曲線圖的一部分的單電池2的單電池電壓的下降由水分過剩引起。因此，在最低單電池電壓成為規(guī)定的閾值A(chǔ)2以下且燃料電池I的發(fā)電輸出成為規(guī)定的閾值以下時，成為共存狀態(tài)(條件2)。在干燥狀態(tài)下，空氣入口 28a的空氣的濕度最低，容易干燥，因此空氣入口 28a的電流值下降。由此，在因水分過剩狀態(tài)引起的最低單電池電壓成為規(guī)定的閾值A(chǔ)2以下且單電池2的陰極側(cè)的空氣入口 28a的電流成為規(guī)定的閾值以下時，成為共存狀態(tài)(條件3)。需要說明的是，在僅為干燥狀態(tài)或僅為水分過剩狀態(tài)下，條件廣3中的任一個均不滿足?？刂蒲b置600在通?？刂浦校攩坞姵貙盈B體3的水分量的狀態(tài)為干燥狀態(tài)時，進行水分增加控制，在水分過剩狀態(tài)時，進行干燥化控制。如圖7所示，控制裝置600例如具備存儲部65、檢測部66、計算部67及運轉(zhuǎn)控制部68作為使單電池層疊體3恢復成規(guī)定的水分量的狀態(tài)的功能塊。存儲部65判別單電池層疊體3的水分量的狀態(tài)，基于該判別，存儲用于控制各種設(shè)備的各種程序、各種信息。檢測部66讀入用于判別單電池2內(nèi)的水分量的傳感器Sf S3等的檢測信息。計算部67基于由檢測部66取得的信息等，執(zhí)行處于存儲部65的程序，進行單電池層疊體3的水分量的狀態(tài)的判別、基于該判別的各種設(shè)備等的控制所需的運算。運轉(zhuǎn)控制部68基于計算部67的結(jié)果，向各種設(shè)備發(fā)送控制指令，以燃料電池I的單電池層疊體3成為所希望的水分量的狀態(tài)的方式控制運轉(zhuǎn)。需要說明的是，例如在本實施方式中，例如通過存儲部65、檢測部66及計算部76來構(gòu)成判別燃料電池I的單電池水分量的判別裝置700。接下來，說明在如以上那樣構(gòu)成的燃料電池系統(tǒng)100中控制燃料電池I的單電池水分量(單電池層疊體3的水分量)的狀態(tài)的控制方法的一例。圖8是本控制例的流程圖。首先，使用傳感器Sf S3等，檢測各單電池2的單電池電壓、各單電池2的空氣入口 28a的電流、以及燃料電池I的發(fā)電輸出(工序SI)。接下來，判定是否滿足如下的條件f 3 (工序S2)。條件I.多個單電池2的電壓偏差為規(guī)定的閾值以上且最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下。條件2.最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下且燃料電池I的發(fā)電輸出為規(guī)定的閾值以下。條件3.最低單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，單電池2的陰極側(cè)的空氣入口 28a的電流為規(guī)定的閾值以下。需要說明的是，關(guān)于條件廣3的各種閾值，設(shè)定預先進行實驗等求出的值。另外，在燃料電池I的起動時、燃料電池I的高負荷運轉(zhuǎn)時及燃料電池I的停止處理時，不進行上述的干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)的判別。在燃料電池I的起動時， 水溫比額定運轉(zhuǎn)時的規(guī)定的溫度范圍低，氣體未適當?shù)乇椴紗坞姵貙盈B體3，而由于非歸因于水分量的狀態(tài)的理由，有時例如各單電池2的單電池電壓不均。在燃料電池I的高負荷運轉(zhuǎn)時，與通常負載運轉(zhuǎn)時相比，各單電池2的單電池電壓等有時不均。而且，在燃料電池I 的停止處理時，進行用于將燃料電池I內(nèi)的水排出的凈化，各單電池2的單電池電壓有時不均。如此，在上述各情況下，由于未進行共存狀態(tài)的判別，能夠防止共存狀態(tài)的誤判別。需要說明的是，燃料電池的起動時是例如從起動順序到燃料電池I的通常發(fā)電為止的期間， 高負荷運轉(zhuǎn)時例如是以燃料電池I的最高輸出的5(T70%以上的輸出進行運轉(zhuǎn)的期間。而且，燃料電池的停止處理時是例如基于運轉(zhuǎn)結(jié)束指示的運轉(zhuǎn)結(jié)束處理的從開始到結(jié)束的期間。接下來，在上述條件f 3中的至少任一個滿足時，判別為單電池層疊體3為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)。在進行了該判別時，首先，如圖9所示進行水分增加控制而使全部的單電池2成為水分過剩狀態(tài)(工序S3)。該水分增加控制例如控制單電池2的陰極電極24B側(cè)的空氣化學計量比、空氣背壓、單電池2的水溫、燃料電池I的發(fā)電輸出中的至少任一個而進行。具體而言，關(guān)于空氣化學計量比，例如通過壓縮機32的控制來減少空氣的供給量，減少空氣引起的水的帶走量。而且，關(guān)于空氣背壓，通過空氣背壓調(diào)整閥35使空氣背壓上升，減少空氣引起的水的帶走量。而且，關(guān)于單電池層疊體3內(nèi)的水溫，例如使用致冷劑配管系統(tǒng)500，使致冷劑的溫度下降而使水溫下降，從而減少水的揮發(fā)量。關(guān)于發(fā)電輸出，例如使氫氣、空氣的整體的氣體供給量增加而提高發(fā)電輸出，而使水的生成量增加。在水分增加控制中，在特定的單電池2的單電池電壓下降時，在通常控制下，立即進行使其恢復的控制，但在該水分增加控制中，允許該單電池電壓的下降。該單電池電壓的下降由水分過剩引起的空氣不足所產(chǎn)生，因此不會對單電池2造成損害。另外，在水分增加控制中，調(diào)整空氣化學計量比并從單電池2內(nèi)排出水分，而避免單電池2的空氣流路25B的水堵塞引起的空氣供給不足。此外，在水分增加控制中，抑制水分從單電池2的陰極側(cè)向陽極側(cè)的移動，而避免單電池2的氫氣流路25A的水堵塞引起的氫氣供給不足。具體而言，例如通過提升陽極側(cè)的氫氣壓，而抑制水分的移動。在水分增加控制中，促進單電池2的陽極側(cè)的水的排出，而避免單電池2的氫氣流路25A的水堵塞引起的氫氣供給不足。該水的排出的促進例如通過進行提高單電池2的陽極側(cè)的氫氣化學計量比、提高單電池2的陽極側(cè)的水溫、增加單電池2的陽極側(cè)的凈化頻度中的至少任一處理來進行。單電池2的陽極側(cè)的水溫例如通過在冷卻配管系統(tǒng)500中使冷卻水以不通過散熱器52的方式循環(huán)而上升。接下來，判斷全部的單電池2是否成為水分過剩狀態(tài)(工序S4)。在全部的單電池 2成為水過剩狀態(tài)時，如圖6所示，一部分的單電池2的單電池電壓極端下降，其余的單電池的單電池電壓的不均減小。由此，全部的單電池2是否成為水分過剩狀態(tài)的判斷在除了電壓下降為閾值A(chǔ)2以下的單電池之外的其余的單電池2的單電池電壓的偏差成為閾值A(chǔ)3以下時，判斷為全部的單電池2成為水分過剩狀態(tài)，在除此以外的情況下，判斷為不是全部的單電池2成為水分過剩狀態(tài)。在不是全部的單電池2成為水分過剩狀態(tài)時，再次進行水分增加控制。在全部的單電池2成為了水分過剩狀態(tài)之后，接下來進行干燥化控制(工序S5)。 干燥化控制例如通過向單電池2內(nèi)通以空氣的空氣凈化控制來進行?？諝鈨艋刂频膬艋吭O(shè)定成確保能夠?qū)坞姵?內(nèi)的水排出的空氣流速、能夠?qū)坞姵仉妷合陆档膯坞姵? 中包含的水全部排出的空氣量。具體而言，空氣流速Vl通過實驗等求出。而且，空氣量Q以滿足圖10所示的式(I)、(2)的方式算出。式中的v2是流過干燥狀態(tài)的單電池的流速，Pl 是水分過剩狀態(tài)時的單電池2的壓力損失，P2是干燥狀態(tài)時的單電池2的壓力損失，η是單電池電壓下降的單電池數(shù)，nail是總單電池數(shù)，S是單電池流路截面積，t是凈化時間?？諝饬魉賄l是預先設(shè)定的值，因此根據(jù)式(I)、(2)求出空氣量。通過該干燥化控制，將全部的單電池2干燥，使單電池層疊體3恢復成規(guī)定的水分量的狀態(tài)。判斷單電池層疊體3是否成為規(guī)定的水分量(工序S6)。需要說明的是，該單電池層疊體3恢復成規(guī)定的水分量的狀態(tài)的判斷例如通過單電池電壓的偏差成為規(guī)定的閾值以下來進行。單電池層疊體3在未恢復成規(guī)定的水分量的狀態(tài)時，再次從水分增加控制重做。 此時，對重做次數(shù)進行計數(shù)，當重做次數(shù)為規(guī)定的次數(shù)以下時，進行重做。當重做次數(shù)超過規(guī)定的次數(shù)時，結(jié)束水分量的狀態(tài)的控制，例如限制燃料電池I的發(fā)電輸出。而且，在單電池層疊體3恢復成規(guī)定的水分量的狀態(tài)時，返回通常控制。在通?？刂浦?，定期的或隨時確認條件廣3，在條件f 3中的至少任一個滿足時，反復進行上述的工序3飛。根據(jù)以上的實施方式，在上述條件廣3中的任一個滿足時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)，因此把握處于該共存狀態(tài)這一情況，能夠適當?shù)貙Υ诉M行應(yīng)對。而且，當判別為共存狀態(tài)時，進行水分增加控制而將全部的單電池形成為水分過剩狀態(tài)，然后進行干燥化控制而對全部的單電池2進行干燥，使單電池層疊體3恢復成規(guī)定的水分量的狀態(tài)，因此能夠適當且可靠地進行水分量的狀態(tài)的恢復。另外，在由于非歸因于水分量的狀態(tài)的理由而單電池電壓可能存在不均的燃料電池I的起動時、燃料電池的高負荷運轉(zhuǎn)時及燃料電池的停止處理時，不進行上述共存狀態(tài)的判別，因此能夠防止共存狀態(tài)的誤判別。
在水分增加控制中，由于允許單電池電壓的下降，因此即使在共存狀態(tài)下降低的特定的單電池2的單電池電壓進一步降低，也無需進行對此處置的其它的控制而能夠接著繼續(xù)進行水分增加控制。在水分增加控制中，由于控制單電池2的陰極側(cè)的空氣化學計量比、空氣背壓、冷卻水的溫度、燃料電池I的發(fā)電輸出中的至少任一個，因此能夠有效地進行水分增加控制。 而且，在水分增加控制中，調(diào)整空氣化學計量比并排出單電池2內(nèi)的水分，而避免單電池2 的空氣流路25B的水堵塞引起的空氣供給不足，因此能夠適當?shù)卮龠M水分增加。需要說明的是，空氣化學計量比是供給空氣量相對于理論上反應(yīng)所需的空氣量的比例。另外，在水分增加控制中，抑制水分從單電池2的陰極側(cè)向陽極側(cè)的移動，而避免單電池2的氫氣流路25A的水堵塞引起的氫氣供給不足，因此能夠適當?shù)卮龠M水分增加。而且，此時的水分的移動通過提高單電池2的陽極側(cè)的氫氣壓來進行，因此能有效地進行水分的移動。在水分增加控制中，促進單電池2的陽極側(cè)的水的排出，而避免單電池2的氫氣流路25A的水堵塞引起的氫氣供給不足，因此能夠適當?shù)卮龠M水分增加。水的排出的促進通過進行提高單電池2的陽極側(cè)的氫氣化學計量比、提高水溫、增加凈化頻度中的至少任一處理來進行，因此能夠適當?shù)剡M行水的排出的促進。干燥化控制通過空氣凈化控制來進行，空氣凈化控制的凈化量設(shè)定成確保能夠?qū)坞姵?內(nèi)的水排出的空氣流速和能夠?qū)坞姵仉妷合陆档膯坞姵?含有的水全部排出的空氣量，因此能有效地進行水分量的狀態(tài)的恢復。在以上的實施方式中，除了滿足條件廣3中的至少任一個之外，也可以在單電池層疊體3的中央的單電池2的電阻值與端部的單電池2的電阻值之差成為規(guī)定的閾值以上時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)。單電池2的電阻值取決于含有的水分量。 因此,如這種情況,當單電池層疊體3的中央的單電池2的電阻值與端部的單電池2的電阻值之差成為規(guī)定的閾值以上時，判別為共存狀態(tài)，由此能夠提高該判別的精度。需要說明的是，電阻值的檢測例如向掃描的電流負載附加交流信號，通過計測交流電阻來檢測。以上，參照附圖，說明了本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并未限定為所述例子。若為本領(lǐng)域技術(shù)人員，則在權(quán)利要求書所記載的思想的范疇內(nèi)，顯然能想到各種的變更例或修正例，這些當然也屬于本發(fā)明的技術(shù)范圍。例如在以上的實施方式中，說明了搭載于燃料電池車輛的燃料電池系統(tǒng)100，但燃料電池系統(tǒng)也可以搭載于燃料電池車輛以外的各種移動體(機器人、船舶、航空器等)。而且，燃料電池系統(tǒng)也可以適用于用作建筑物(住宅、大樓等)用的發(fā)電設(shè)備的定置用發(fā)電系
統(tǒng)。
符號說明
I燃料電池
2單電池
3單電池層疊體
25A氫氣流路
25B空氣流路
100燃料電池系統(tǒng)
600控制裝置
權(quán)利要求
1.一種判別燃料電池內(nèi)層疊的多個單電池的水分量的狀態(tài)的方法，其中，在滿足如下的條件廣3中的至少任一個條件時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)條件I.多個單電池的電壓偏差為規(guī)定的閾值以上，且最低單單電池電壓為規(guī)定的閾值以下；條件2.最低單單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且燃料電池的發(fā)電輸出為規(guī)定的閾值以下；條件3.最低單單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且單電池的陰極側(cè)的空氣入口的電流為規(guī)定的閾值以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的判別方法，其中，在燃料電池的起動時、燃料電池的高負荷運轉(zhuǎn)時及燃料電池的停止處理時，不進行所述判別。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的判別方法，其中， 除了滿足所述條件廣3中的至少任一個條件之外，在層疊方向的中央的單電池的阻抗值與端部的單電池的阻抗值之差為規(guī)定的閾值以上時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)。
4.一種控制燃料電池內(nèi)層疊的多個單電池的水分量的狀態(tài)的方法，其中，在滿足如下的條件廣3中的至少任一個條件時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)條件I.多個單電池的電壓偏差為規(guī)定的閾值以上，且最低單單電池電壓為規(guī)定的閾值以下；條件2.最低單單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且燃料電池的發(fā)電輸出為規(guī)定的閾值以下；條件3.最低單單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且單電池的陰極側(cè)的空氣入口的電流為規(guī)定的閾值以下，在判別為所述共存狀態(tài)時，進行水分增加控制而將全部的單電池形成為水分過剩狀態(tài)，然后進行干燥化控制而對全部的單電池進行干燥，使所述多個單電池恢復成規(guī)定的水分量的狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制方法，其中，在燃料電池的起動時、燃料電池的高負荷運轉(zhuǎn)時及燃料電池的停止處理時，不進行所述判別。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制方法，其中， 除了滿足所述條件廣3中的至少任一個條件之外，在層疊方向的中央的單電池的阻抗值與端部的單電池的阻抗值之差為規(guī)定的閾值以上時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4飛中任一項所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制方法，其中，在所述水分增加控制中，允許單單電池電壓的下降。
8.根據(jù)權(quán)利要求4 7中任一項所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制方法，其中，在所述水分增加控制中，控制單電池的陰極側(cè)的空氣化學計量比、空氣背壓、燃料電池的冷卻水的溫度、燃料電池的發(fā)電輸出中的至少任一個值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制方法，其中，在所述水分增加控制中，調(diào)整所述空氣化學計量比并排出單電池內(nèi)的水分，而避免因單電池的空氣流路的水堵塞引起的空氣供給不足。
10.根據(jù)權(quán)利要求4、中任一項所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制方法， 其中，在所述水分增加控制中，抑制水分從單電池的陰極側(cè)向陽極側(cè)的移動，而避免因單電池的氫氣流路的水堵塞引起的氫氣供給不足。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制方法，其中， 通過提高單電池的陽極側(cè)的氫氣壓，來抑制所述水分的移動。
12.根據(jù)權(quán)利要求Γ11中任一項所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制方法， 其中，在所述水分增加控制中，促進單電池的陽極側(cè)的水的排出，而避免因單電池的氫氣流路的水堵塞引起的氫氣供給不足。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制方法，其中， 通過進行提高單電池的陽極側(cè)的氫氣化學計量比、提高水溫、增加凈化頻率中的至少任一種處理，來促進所述水的排出。
14.根據(jù)權(quán)利要求4 13中任一項所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制方法， 其中，所述干燥化控制通過空氣凈化控制來進行，所述空氣凈化控制的凈化量設(shè)定成確保能夠?qū)坞姵貎?nèi)的水排出的空氣流速和能夠?qū)螁坞姵仉妷合陆档膯坞姵刂邪乃颗懦龅目諝饬俊?br> 15.一種判別燃料電池內(nèi)層疊的多個單電池的水分量的狀態(tài)的裝置，其中，在滿足如下的條件廣3中的至少任一個條件時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)條件I.多個單電池的電壓偏差為規(guī)定的閾值以上，且最低單單電池電壓為規(guī)定的閾值以下；條件2.最低單單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且燃料電池的發(fā)電輸出為規(guī)定的閾值以下；條件3.最低單單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且單電池的陰極側(cè)的空氣入口的電流為規(guī)定的閾值以下。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的判別裝置，其中， 在燃料電池的起動時、燃料電池的高負荷運轉(zhuǎn)時及燃料電池的停止處理時，不進行所述判別。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的判別裝置，其中， 除了滿足所述條件廣3中的至少任一個條件之外，在層疊方向的中央的單電池的阻抗值與端部的單電池的阻抗值之差為規(guī)定的閾值以上時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)。
18.—種控制燃料電池內(nèi)層疊的多個單電池的水分量的狀態(tài)的裝置，其中，在滿足如下的條件廣3中的至少任一個條件時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)條件I.多個單電池的電壓偏差為規(guī)定的閾值以上，且最低單單電池電壓為規(guī)定的閾值以下；條件2.最低單單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且燃料電池的發(fā)電輸出為規(guī)定的閾值以下；條件3.最低單單電池電壓為規(guī)定的閾值以下，且單電池的陰極側(cè)的空氣入口的電流為規(guī)定的閾值以下，在判別為所述共存狀態(tài)時，進行水分增加控制而將全部的單電池形成為水分過剩狀態(tài)，然后進行干燥化控制而對全部的單電池進行干燥，使所述多個單電池恢復成規(guī)定的水分量的狀態(tài)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制裝置，其中， 在燃料電池的起動時、燃料電池的高負荷運轉(zhuǎn)時及燃料電池的停止處理時，不進行所述判別。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制裝置，其中， 除了滿足所述條件廣3中的至少任一個條件之外，在層疊方向的中央的單電池的阻抗值與端部的單電池的阻抗值之差為規(guī)定的閾值以上時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18 20中任一項所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制裝置，其中，在所述水分增加控制中，允許單單電池電壓的下降。
22.根據(jù)權(quán)利要求18 21中任一項所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制裝置，其中，在所述水分增加控制中，控制單電池的陰極側(cè)的空氣化學計量比、空氣背壓、燃料電池的冷卻水的溫度、燃料電池的發(fā)電輸出中的至少任一個值。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制裝置，其中，在所述水分增加控制中，調(diào)整所述空氣化學計量比并排出單電池內(nèi)的水分，而避免因單電池的空氣流路的水堵塞引起的空氣供給不足。
24.根據(jù)權(quán)利要求18 23中任一項所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制裝置，其中，在所述水分增加控制中，抑制水分從單電池的陰極側(cè)向陽極側(cè)的移動，而避免因單電池的氫氣流路的水堵塞引起的氫氣供給不足。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制裝置，其中， 通過提高單電池的陽極側(cè)的氫氣壓，來抑制所述水分的移動。
26.根據(jù)權(quán)利要求18 25中任一項所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制裝置，其中，在所述水分增加控制中，促進單電池的陽極側(cè)的水的排出，而避免因單電池的氫氣流路的水堵塞引起的氫氣供給不足。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制裝置，其中， 通過進行提高單電池的陽極側(cè)的氫氣化學計量比、提高水溫、增加凈化頻率中的至少任一種處理，來促進所述水的排出。
28.根據(jù)權(quán)利要求18 27中任一項所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制裝置，其中，所述干燥化控制通過空氣凈化控制來進行，所述空氣凈化控制的凈化量設(shè)定成確保能夠?qū)坞姵貎?nèi)的水排出的空氣流速和能夠?qū)螁坞姵仉妷合陆档膯坞姵刂邪乃颗懦龅目諝饬俊?br> 29.—種燃料電池系統(tǒng),具有燃料電池；和權(quán)利要求15 17中任一項所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的判別裝置。
30.一種燃料電池系統(tǒng)，具有燃料電池；和權(quán)利要求18 28中任一項所述的燃料電池的單電池水分量的狀態(tài)的控制裝置。
全文摘要
使燃料電池的單電池水分量恢復成良好的狀態(tài)。在滿足了規(guī)定的條件時，判別為干燥狀態(tài)與水分過剩狀態(tài)的共存狀態(tài)，在判別為共存狀態(tài)時，進行水分增加控制而使全部的單電池成為水分過剩狀態(tài)，然后進行干燥化控制而對全部的單電池進行干燥，使多個單電池恢復成規(guī)定的水分量的狀態(tài)。
文檔編號H01M8/10GK102612778SQ20098016251
公開日2012年7月25日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月18日
發(fā)明者末松啟吾, 石川智隆, 勝田洋行, 長沼良明 申請人:豐田自動車株式會社