專利名稱：燃料電池系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池系統，具體而言，涉及一種診斷燃料電池內部的干燥狀 態并將該診斷結果反映到系統控制上的燃料電池系統。
背景技術：
一直以來，日本特開2006-318784號公報、日本特開2005-100952號公報、日本特 開平9-259913號公報等各專利文獻公開了，一種在平行于燃料電池發電面的平面內設置 多個電流傳感器，并將由這些電流傳感器測量出的局部電流的測量結果反映到系統控制上 的技術。在這些專利文獻公開的技術中，將各測量點處的局部電流的測量值和規定的基準 值個別地進行比較，或者將集中各測量值而得到的電流分布的模型和規定的基準模型進行 比較。然后，從這些比較結果中檢測干涸、溢流、燃料氣體不足、氧化劑氣體不足等異常。上述列舉的異常中的干涸是指，燃料電池內的水分不足從而電解質膜干燥了的現 象。在燃料電池的電解質膜中，其內部的氫離子的移動需要水分子，只有在含有水分的狀態 下才體現出較高的離子傳導性。因此，如果燃料電池內的水分不足從而電解質膜干燥了的 話，那么伴隨著離子傳導率的降低，燃料電池的發電性能將大幅度降低。所以，對于燃料電 池而言，從維持較高的發電性能的角度出發，使燃料電池內保持適度的濕潤狀態是很重要 的。在日本特開2006-318784號公報中，公開有一種有關干涸(也稱為干燥)檢測的 技術(以下稱為現有技術)。在該現有技術中，陰極氣體(氧化劑氣體)在入口一側流道中 的電路密度的分布和出口一側流道中的電流密度的分布被進行比較，并且在入口一側流道 的電流密度降低了的情況下判斷為發生干涸。
發明內容
發明所要解決的課題根據上述現有技術，能夠檢測到陰極入口側的干涸的發生。但是，在現有技術中， 還無法診斷出干涸擴展到發電面的什么范圍內。此外，現有技術也只是將陰極入口側發生 的干涸作為檢測對象，而干涸在陽極一側也發生。雖然通過改變燃料電池的運轉條件能夠 消除干涸，但是，為此需要詳細地把握干涸的發生狀況、并選擇對應于干涸的發生狀況的適 當的控制方法。本發明是為了解決上述課題而實施的發明，其目的在于，提供一種能夠詳細地診 斷燃料內部的干燥狀態的燃料電池系統。為了達成上述目的，本發明的第一發明的燃料電池系統的特征在于，具備燃料電 池，其通過陽極和陰極分別接受反應氣體的供給而進行發電；測量單元，其測量所述燃料電 池的發電面上的電流密度的分布；診斷單元，其根據發電面上的電流密度的峰值位置的變 化，來診斷所述燃料電池內部的干燥狀態。這里，所述測量單元測量的電流密度的分布，可以是對發電面的多個部位上的局部電流值進行測量，也可以將發電面劃分成多個區域后并對各區域的電流密度(用代表電 流值除以該區域的面積后的值)進行測量。此外，可以求取表示平面內的電流密度分布中最高值的部分，以作為電流密度的 峰值位置。例如，可以將多個傳感器中測量出最高的電流密度(或局部電流值)的傳感器 的位置、或者將各傳感器的值擬合之后得到的曲線(電流密度曲線)的頂點位置作為峰值 位置。關于峰值位置的變化，可以設定如下，即，如果是與需要檢測的干涸范圍相對應的 變化量，則作為峰值位置發生了變化。其基準變化量可以根據該范圍而預先通過實驗等來 確定。例如，可以在測量出最高的局部電流值的傳感器轉換至其他傳感器的情況下、或在曲 線的峰值位置移動到了預先通過實驗等而確定的規定值以上的情況下，認為峰值位置發生 了變化。在前者的例子中，既可以在測量出最高局部電流值的元件移動到鄰接的傳感器的 情況下認為峰值位置發生了變化，也可以在只有移動到遠離規定距離以上的傳感器的情況 下才認為峰值位置發生了變化。所謂基于峰值位置的變化的診斷是指，根據峰值位置的變化量、變化速度、或變化 方向、或其組合而進行的診斷。例如，從峰值位置的變化方向上，能夠診斷出干燥發生在哪 個位置，從峰值位置的變化量或變化速度上，能夠診斷出干燥的進展情況。但是，峰值位置 的變化方向和干燥的發生位置的關系，則依存于陽極側的反應氣體的流動方向和陰極側的 反應氣體的流動方向之間的關系。本發明第二發明的特征在于，在第一發明的燃料電池系統中，所述燃料電池為，陽 極側的反應氣體和陰極側的反應氣體隔著發電面而向相反方向流動的燃料電池，所述診斷 單元判斷電流密度的峰值位置變化至陽極和陰極的哪一方的出口一側，并根據該判斷結果 來確定干燥部位。這里，峰值位置變化到了哪一側，能夠通過測量出最高局部電流值的傳感器轉換 至離陽極和陰極中的哪個出口側近的傳感器來進行診斷。或者，能夠通過將各傳感器的值 進行擬合而得到的曲線的峰值位置向陽極和陰極中的哪個出口側移動來進行診斷。也可以 預先對各方向的峰值位置的變化量設定閾值，并僅在向某一個方向的峰值位置的變化量超 過了該方向的閾值的情況下，判斷為產生了向該方向的峰值位置的變化。峰值位置的變化方向和干燥位置之間的對應關系，預先通過實驗等來確定即可。 使用該對應關系，在電流密度的峰值位置變化到了陰極出口一側的情況下，能夠診斷出在 陰極入口一側產生了干燥。相反，在電流密度的峰值位置變化到了陽極出口一側的情況下， 就能診斷出在陽極入口一側產生了干燥。本發明第三發明的特征在于，在第一發明的燃料電池系統中，所述燃料電池為，陽 極側的反應氣體和陰極側的反應氣體隔著發電面而并行流動的燃料電池，當電流密度的峰 值位置發生了變化時，所述診斷單元驗證電流密度的峰值位置是否根據陽極側反應氣體的 供給條件的變化而發生變化，并根據該驗證結果來確定干燥部位。這里，所謂峰值位置發生了變化的情況是指，例如，測量出最高的局部電流值的傳 感器轉換至其他傳感器的情況，或者，將各傳感器的值擬合而得到的曲線的峰值位置移動 了的情況。也可以對峰值位置的變化量設定閾值，并僅在峰值位置的變化量超過了閾值的 情況下判定峰值位置發生了變化。
此外，所謂陽極側反應氣體的供給條件，可以是例如陽極氣體的供給壓力、或供給 流量、或者上述兩者。而且，峰值位置的變化與供給條件的變化相對應的情況，能夠通過如 下狀況來進行確認，例如，當改變供給條件時峰值位置發生了變化，當不改變供給條件時峰 值位置不發生變化、或者與改變供給條件時的情況相比基本不發生變化。對于電流密度的 峰值位置是否根據供給條件的變化而變化的驗證，例如可以是，確認在改變供給條件時峰 值位置的變化量是否超過了閾值。改變供給條件時峰值位置變化的有無和干燥部位之間的對應關系，可以預先通過 實驗等來確定。根據該對應關系，當改變供給條件時，能夠在與之相對應地、電流密度的峰 值位置發生了變化時，診斷出在陽極入口一側產生了干燥。相反地，在電流密度的峰值位置 不產生變化時，能夠診斷出在陰極入口一側產生了干燥。本發明第四發明的特征在于，在第一至第三的任意一項發明中，還具備控制單元， 當由所述診斷單元診斷出所述燃料電池的內部干燥時，所述控制單元根據診斷結果來控制 所述燃料電池的運行條件，以使電流密度的峰值位置返回至變化前的位置。這里，所謂燃料電池的內部，是指燃料電池的發電面及沿著發電面的反應氣體的 流道。并且，所謂燃料電池的內部干燥的意思是指，其至少一部分是干燥的。作為成為控制對象的燃料電池的運轉條件，有陰極化學計量比、陽極背壓、空氣加 濕量、制冷劑溫度、陽極化學計量比、陽極背壓等。只需根據干燥部位來控制上述這些中的 某一個或多個控制對象即可。至于在控制燃料電池的運轉條件時峰值位置將如何變化，能 夠預先通過試驗等來確定。發明效果在燃料電池的內部產生了干燥部分的情況下，由于該部分處的發電性能降低，從 而發電面中的電流密度的分布將產生變化，電流密度的峰值位置將向未產生干燥的一側變 化。如果產生干燥的區域擴大，則與之對應地，峰值位置的變化也將變大。這樣，由于燃料 電池內部的干燥狀態通過電流密度的峰值位置的變化來顯現，因此根據第一發明，能夠詳 細地診斷出燃料電池內部的干燥狀態。根據第二發明，能夠在對流型的燃料電池中，確定干燥部位是在陰極入口側還是 在陽極入口側。根據第三發明，能夠在并流型的燃料電池中，確定干燥部位是在陰極入口側還是 在陽極入口側。根據第四發明，能夠通過控制燃料電池的運轉條件而使電流密度的峰值位置返回 到變化前的位置，從而消除燃料電池內部產生的干燥，并恢復由于干燥而降低了的發電性 能。
圖1是模式化地表示本發明的第一實施方式的燃料電池(燃料電池組)的結構的 圖。圖2是模式化地表示使用了圖1所示的燃料電池組的燃料電池系統的結構的圖。圖3是在反應氣體的流動為對流的燃料電池中，對發生了陰極干涸時的電流密度 分布、發生了陰極溢流時的電流密度分布以及通常的電流密度分布進行比較表示的圖。
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圖4是在反應氣體的流動為對流的燃料電池中，對發生了陽極干涸時的電流密度 分布、發生了陽極溢流時的電流密度分布以及通常的電流密度分布進行比較表示的圖。圖5是表示在本發明第一實施方式中執行的、基于電流測量單元的測量信號的異 常診斷、和基于該診斷結果的恢復控制的程序的流程圖。圖6是用于說明在本發明第一實施方式中執行的、燃料電池系統的運轉停止控制 方法的圖。圖7是用于說明在本發明第一實施方式中執行的、燃料電池系統的起動控制方法 的圖。圖8是在反應氣體為并流的燃料電池中，對發生了干涸時的電流密度分布和通常 的電流密度的分布進行比較表示的圖。圖9是在反應氣體為并流的燃料電池中，對發生了溢流時的電流密度分布和通常 的電流密度的分布進行比較表示的圖。圖10是表示在本發明第二實施方式中執行的、基于電流測量單元的測量信號的 異常診斷、和基于該診斷結果的恢復控制的程序的流程圖。圖11是表示發生了干涸時的電流密度變化率的分布的圖。圖12是表示發生了溢流時的電流密度變化率的分布的圖。符號說明2燃料電池組4 高壓氫氣罐6氫氣供給流道8可變調壓閥10控制裝置12陽極氣體循環流道14循環泵18 負載20空氣壓縮機22空氣供給流道24陰極氣體排出流道26背壓調節閥28加濕器30單位電池32電流測量單元34電流傳感器40膜電極接合體42陰極氣體流道44陽極氣體流道46、48 集電板
具體實施例方式實施方式1以下，利用附圖對本發明的實施方式1進行說明。圖1是模式化地表示本實施方式中的燃料電池系統的結構的圖。如圖1所示，燃 料電池是將多個單位電池30層疊而構成燃料電池組2而使用的。單位電池30被構成為， 用一對集電板46、48夾持住膜電極接合體(MEA)40。集電板46、48也起到隔開鄰接的兩個 膜電極接合體的隔板的作用。在陰極側集電板46的內側形成有用于向膜電極接合體40提 供空氣的陰極氣體流道42。在陽極側集電板48的內側形成有用于向膜電極接合體40提供 氫氣的陽極氣體流道44。在燃料電池組2內，電流測量單元32和單位電池30被層疊在一起。在電流測量 單元32中埋入有多個電流傳感器34，從而能夠在多個測量點測量從與電流測量單元32鄰 接的單位電池30流出、或流入單位電池30的電流(局部電流)。從各電流傳感器34在發 電面上的坐標和其測量電流值，能夠測量出與電流測量單元32鄰接的單位電池(以下稱為 檢查對象電池)30的發電面上的電流密度的分布。圖2是模式化地表示本實施方式中的燃料電池系統的結構的圖。燃料電池系統為， 通過圖1所示的燃料電池組2來發電，并將該電力提供給電動機等的電氣負載18的電力供應 系統。在通過燃料電池組2發電時，需要連續地供應作為反應氣體的氧化劑氣體及燃料氣體。 在本實施方式的燃料電池系統中，作為氧化劑氣體使用了空氣，作為燃料氣體使用了氫氣。在燃料電池組2上連接有用于供給空氣的空氣供給流道22。在空氣供給流道22 中配置有空氣壓縮機20。通過空氣壓縮機20被引入空氣供給流道22中的空氣，在被加濕 器28適度地加濕后，被供給到燃料電池組2中。被供給到燃料電池組2中的空氣，通過形 成在燃料電池組2內的供給岐管而被分配給各單位電池30的陰極。通過了各單位電池30 的陰極的氣體(流過陰極的氣體)，在形成于燃料電池組2內的排出岐管處匯集并被排出到 陰極氣體排出流道24中。加濕器28在陰極氣體排出流道24中回收流過陰極的氣體中的 水分，并供給到流動于空氣供給流道22內的空氣中。此外，在陰極氣體排出流道24中配置 有背壓調節閥26。在燃料電池組2上連接有用于從高壓氫氣罐4向燃料電池組2供給氫氣的氫氣供 給流道6。在氫氣供給流道6的途中配置有可變調壓閥8。氫氣在被可變調壓閥8減壓并 被調整到所需的壓力后，被供給到燃料電池組2。被供給到燃料電池組2的氫氣，通過形成 在燃料電池組2內的供給岐管而被分配到各單位電池30的陽極。通過了各單位電池30的 陽極的氣體(流過陽極的氣體)，在形成于燃料電池組2內的排出岐管處匯集并被排出到 陽極氣體循環流道12中。陽極氣體循環流道12的前端被連接在氫氣供給流道6中可變調 壓閥8的下游。并且，其途中設置有用于將流過陽極的氣體送入氫氣供給流道6的循環泵 14。另外，作為使陽極氣體循環的裝置，也可以不使用循環泵14而使用噴射器。本實施方式的燃料電池系統中具備控制裝置10。在控制裝置10的輸入部上連接 有電流測量單元32。此外，在控制裝置10的輸出部上，連接有可變調壓閥8、循環泵14、負 載18、空氣壓縮機20、加濕器28等設備。通過操作這些設備，能夠控制燃料電池組2的運 轉條件。控制裝置10根據從電流測量單元32輸入的測量信號而進行燃料電池組2的異常 診斷，并根據該診斷結果來控制燃料電池組2的運轉條件。
以下，對基于電流測量單元32的測量信號的異常診斷的方法、和對應于該診斷結 果的運轉條件的控制方法進行詳細說明。圖3及圖4表示的是，將電流測量單元32中包含的各電流傳感器34的信號排列 于反應氣體的流動方向上時的狀態，這些示了反應氣體的流動方向上的電流密度的分 布。另外，本實施方式的燃料電池組2被構成為，使陰極氣體流道42內的空氣的流動方向 和陽極氣體流道44內的氫氣的流動方向相反，即，空氣和氫氣向相反方向流動。在圖3及 圖4中，將陰極氣體流道42的入口、及陽極氣體流道44的出口定為橫軸的左端，將陰極氣 體流道42的出口、及陽極氣體流道44的入口定為橫軸的右端。在圖3及圖4中用實線所示的電流分布為，電流內部的干燥狀態或濕潤狀態為正 常、即通常時的電流分布。通過以這種通常時的電路分布為基準，并根據電流分布表現出何 種方式的變化，能夠診斷出燃料電池組2內部產生的異常，具體而言，即能夠診斷出干涸和溢流。首先，對基于電流分布的變化的干涸診斷方法進行說明。圖3中虛線所示的電流 分布為，發電面的陰極側產生了干涸(以下，稱為陰極干涸)時的電流分布。在發電面的陰 極側，越靠近陰極氣體流道42的入口就越容易產生干燥。由于在發電面的發生干燥的部分 中，電解質膜的離子傳導度將下降，因此電流密度將降低。但是由于在催化劑層發生發電反 應，因此在發電反應中產生的電流將集中到未產生干燥的部分。其結果為，如圖3中虛線所 示，電流密度的峰值位置將向未發生干燥的陰極氣體流道42的出口側位移。因此，陰極干 涸的發生能夠通過電流密度的峰值位置向陰極氣體流道42的出口側位移的現象來進行判 斷。此外，電流密度的峰值位置的變化量越大，則能夠判斷出在陰極側的越大的范圍內發生 了干涸。圖4中虛線所示的電流分布為，在發電面的陽極側發生了干涸(以下，稱為陽極干 涸)時的電流分布。基于和陰極側同樣的理由，陽極干涸的發生能夠通過電流密度的峰值 位置向陽極氣體流道44的出口側位移的現象來進行判斷。此外，電流密度的峰值位置的變 化量越大，則能夠判斷出在陽極側的越大的范圍內發生了干涸。接下來，對基于電流分布的變化的溢流診斷方法進行說明。圖3中點劃線所示的 電流分布為，發電面的陰極側產生了溢流(以下，稱為陰極溢流)時的電流分布。在發電面 的陽極一側，距離陰極氣體流道42的出口越近，水分就越容易過多。由于在發電面的水分 過多的部位中，向陰極催化劑層的氣體擴散將受到阻礙，因此該部分處的發電反應將降低， 從而如圖3中點劃線所示，電流密度將大幅度降低。但是，由于本實施方式的單位電池30被構成為，空氣和氫氣在其內部向相反方向 流動，因此如圖4中的虛線所示，在產生陽極干涸時，陰極氣體流道42的出口附近的電流密 度也降低。所以，僅根據出口附近的電流密度的變化，難以區別陰極溢流和陽極干涸。但 是，在陽極干涸的情況下，隨著干燥部分處的電流密度的降低，在正常部分處的電流密度將 上升的現象，而在陰極溢流的情況下僅在水分過多的部分處產生電流密度的降低。所以，陰 極溢流的發生，能夠通過電流密度的峰值位置不變而陰極氣體流道42出口附近的電流密 度降低的現象來進行判斷。此外，電流密度下降了的區域越大，則能夠判斷出在陰極側的越 大的范圍內產生了溢流。圖4中點劃線所示的電流分布為，發電面的陽極側產生溢流(以下，稱為陽極溢流)時的電流分布。基于和陽極側同樣的理由，陽極溢流的發生能夠通過電流密度的峰值 位置不變而陽極氣體流道44出口附近的電流密度降低的現象來進行判斷。此外，電流密度 的下降了的區域越大，則能夠判斷出在陽極側的越大的范圍內發生了溢流。如以上說明，通過根據電流分布的變化來進行異常診斷，從而能夠詳細地診斷出 電池內部的干燥狀態和濕潤狀態。尤其是，通過著眼于電流分布的峰值位置的變化，能夠詳 細地診斷出干涸的發生狀況。接下來，對對應于異常診斷結果的運轉條件的控制方法進行說明。首先，在診斷 為發生了陰極干涸的情況下，通過以如下的(al) (a3)的方式來控制燃料電池組的運轉 條件，從而實現從陰極干涸狀態向正常狀態的恢復(以下，將該控制稱為陰極干涸恢復控 制)。控制的運轉條件既可以某一個，也可以是多個的組合。陰極干涸恢復控制被持續實施 直至電流分布返回到在正常范圍內。(al)使壓縮機20的旋轉速度降低從而降低陰極化學計量比。(a2)減小背壓調節閥26的開度從而使陰極背壓上升。(a3)提高加濕器28對空氣的加濕量。在診斷為產生了陽極干涸的情況下，通過以如下的(bl) (b3)的方式來控制燃 料電池組的運轉條件，從而實現從陽極干涸狀態向正常狀態的恢復(以下，將該控制稱為 陽極干涸恢復控制)。控制的運轉條件可以是某一個，也可以是多個的組合。陽極干涸恢復 控制將持續實施直至電流分布返回到正常范圍內。(bl)使壓縮機20的旋轉速度降低從而降低陰極化學計量比。(b2)減小背壓調節閥26的開度從而使陰極背壓上升。(b3)提高加濕器28對空氣的加濕量。在診斷為產生了陰極溢流的情況下，通過以如下的(Cl) (c3)的方式來控制燃 料電池組的運轉條件，從而實現從陰極溢流狀態向正常狀態的恢復(以下，將該控制稱為 陰極溢流恢復控制)。控制的運轉條件可以是某一個，也可以是多個的組合。陰極溢流恢復 控制將持續實施直至電流分布返回到正常范圍內。(cl)提高壓縮機20的旋轉速度從而提高陰極化學計量比。(c2)增大背壓調節閥26的開度從而使陰極背壓降低。(c3)在電池內部的制冷劑的流動和空氣的流動是相同方向的情況下，提高制冷劑 的出口溫度。在診斷為產生了陽極溢流的情況下，通過以如下的(dl) (d4)的方式來控制燃 料電池組的運轉條件，從而實現從陽極溢流狀態向正常狀態的恢復(以下，將該控制稱為 陽極溢流恢復控制)。控制的運轉條件可以是某一個，也可以是多個的組合。陽極溢流恢復 控制將持續實施直至電流分布返回到正常范圍內。(dl)提高循環泵14的旋轉速度或者增大可變調壓閥8的開度，從而使陽極化學計 量比上升。(d2)提高循環泵14的旋轉速度從而使陽極背壓降低。(d3)提高壓縮機20的旋轉速度從而使陰極化學計量比上升。(d4)降低加濕器28對空氣的加濕量。控制裝置10根據圖5中的流程圖所示的程序，來實施基于電流測量單元32的測量信號的異常診斷、和基于該診斷結果的恢復控制。根據該程序，首先，判斷電流密度的峰 值位置是否向陰極的出口側進行了變化(步驟S100)。如果該判斷結果為“是”，則判斷為 發生了陰極干涸，從而實施陰極干涸恢復控制(步驟S102)。如果步驟SlOO的判斷結果為“否”，則接著判斷電流密度的峰值位置是否向陽極 的出口側進行了變化(步驟S104)，如果該判斷結果為“是”則判斷為發生了陽極干涸，從而 實施陽極干涸恢復控制(步驟S106)。如果步驟S104的判斷結果為“否”，則接著判斷陰極出口附近的電流密度是否降 低了(步驟S108)，如果該判斷結果為“是”，則判斷為發生了陰極溢流，從而實施陰極溢流 恢復控制(步驟Sl 10)。如果步驟S108的判斷結果為“否”，則接著判斷陽極出口附近的電流密度是否降 低了(步驟S112)，如果該判斷結果為“是”，則判斷為發生了陽極溢流，從而實施陽極溢流 恢復控制(步驟S114)。另一方面，如果步驟S112的判斷結果為“否”，則判斷為在燃料電 池組2的發電面未產生干涸或溢流，即燃料電池組2處于正常狀態。在本實施方式中，通過由控制裝置10執行圖5所示的程序，從而實現了第一發明 及第二發明中的“診斷單元”和第四發明中的“控制單元”。接下來，對本實施方式中燃料電池系統停止運轉時所實施的處理進行說明。在燃 料電池系統起動時，燃料電池組2的內部處于殘留有因發電反應而生成的水分的狀態。該 殘留水分在電解質膜的離子傳導中是必需的。但是，在發電面內的含水率的分布有偏差的 情況下，在從冰點以下起動時將會產生問題。在冰點以下起動時將實施利用內部電阻的發 熱對電池內部進行暖機的暖機運轉，但是如果含水率分布有偏差，則含水率最高的部分將 成為速控，從而使暖機運轉的時間延長。因此，在本實施方式中設計為，在燃料電池系統的運轉停止時實施掃氣處理，以使 發電面內的含水率分布成為大致固定的狀態。掃氣在電壓固定的狀態下掃描少量的電流 的同時實施。此外，在陰極側、陽極側同時進行掃氣。在掃氣的同時進行發電的情況下，由 于是化學計量比過剩狀態下的發電，因而電流密度的分布將由發電面內的含水率分布來決 定。所以，通過監視電流密度的分布，就能夠間接地監視含水率分布。在本實施方式中，如 圖6所示，進行掃氣直至整體的電流密度低于目標含水率時的電流密度(基準值)，如果低 于基準值就停止掃氣和電流的掃描。接著，對于在本實施方式中燃料電池系統的起動時所實施的處理進行說明。通過 在運轉停止時實施所述掃氣處理，從而使燃料電池系統起動時發電面內的含水率分布成為 大致固定的較低狀態。在起動后需要迅速地驅動負載，為此需要增加發電面內的含水率。 但是，如果含水率局部性地增大，則有可能會在該部分發生溢流，或在冰點下使生成的水結 冰。因此，在本實施方式中，如圖7所示，設定發生溢流的上限電流密度(或者，生成水 結冰的上限電流密度)，并控制負載18以防止超過該上限電流密度。由于發電量和生成水 量具有大致的比例關系，因此通過監視電流密度的分布，能夠間接地監視含水率分布。另 外，由于發電量由電壓和電流值決定，所以上述上限電流密度按照各個電壓而被設定。此 外，由于發電面內的含水量因氣體流量尤其是陰極側的氣體流量而發生變化，所以所述上 限電流密度也根據氣體流量而改變。
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實施方式2接下來，對本發明的實施方式2使用圖進行說明。本實施方式的燃料電池系統與實施方式1相比，燃料電池組2內的反應氣體的流 動方向不同。本實施方式的燃料電池組2被構成為，陰極氣體流道42內的空氣流動方向和 陽極氣體流道44內的氫氣的流動方向為相同方向，即空氣和氫氣并行流動。由于反應氣體 的流動方向的不同，本實施方式的燃料電池系統和實施方式1中的燃料電池系統中，基于 電流測量單元32的測量信號的異常診斷的方法也有所不同。圖8及圖9是將電流測量單元32中所含的各電流傳感器34的信號排列在反應氣 體的流動方向上的圖。這些示了反應氣體流動方向上的電流密度的分布。在圖8及圖 9中，陰極氣體流道42的入口、及陽極氣體流道44的出口定在橫軸的左端，陰極氣體流道 42的出口、及陽極氣體流道44的入口定在橫軸的右端。在圖8及圖9中用實線所示的電流分布為，電池內部的干燥狀態或濕潤狀態為正 常時、即通常時的電流分布。以該通常時的電流分布為基準并根據電流分布表現出何種形 式的變化，能夠診斷出燃料電池組2的內部產生的異常，即干涸和溢流。首先，對基于電流分布的變化的干涸診斷方法進行說明。在圖8中用虛線所示的 電流分布為，發電面的陰極側和陽極側的某一側發生了干涸時的電流分布。如在實施方式1 中所說明的那樣，干涸的發生能夠通過電流密度的峰值位置向氣體流道42、44的出口側變 化的現象來進行判斷。此外，電流密度的峰值位置的變化量越大，則能夠判斷出在發電面的 越大的范圍內發生了干涸。但是，僅根據電流密度的峰值位置向出口側發生了變化的現象，無法區別干涸是 在陽極側發生還是在陰極側發生。為了對此進行區別，需要控制循環泵14的旋轉速度以使 陽極化學計量比變化。如果陽極化學計量比變化，則對應于此，陽極側的水分的被去除量也 將變化。因此，在陽極側發生了干涸的情況下，通過降低陽極化學計量比從而使電流密度的 峰值位置將向入口側變化，通過升高陽極化學計量比從而使電流密度的峰值位置將再向出 口側變化。另一方面，由于陰極側的水分量幾乎不受陽極側的氣體流量的影響，所以在干涸 發生在陰極側的情況下，即使改變陽極化學計量比，電流密度的峰值位置也不產生變化。另外，在改變陰極化學計量比而非陽極化學計量比的情況下，陰極側的水分的被 去除量將相應地發生變化。但是，由于陰極側的氣體流量與陽極側的氣體流量相比非常多， 因此通過經由電解質膜的水分的移動，陽極側的水分量也將發生變化。即，通過改變陰極化 學計量比，無法區別干涸的發生位置是發電面的陽極側和陰極側中的哪一側。接下來，對基于電流分布的變化的溢流診斷方法進行說明。圖9中點劃線所示的 電流分布為，發電面的陰極側和陽極側的某一側發生了溢流時的電流分布。如在實施方式1 中所說明的那樣，溢流的發生能夠通過電流密度的峰值位置不變而氣體流道42、44的出口 附近的電流密度降低的現象來進行判斷。此外，電流密度降低的區域越大，則能夠判斷出在 發電面的越大的范圍內發生了溢流。但是，僅根據氣體流道42、44的出口附近的電流密度降低了的現象，無法區別溢 流是在陽極側發生還是在陰極側發生。為了對此進行區別，與對干涸進行區別時同樣地，需 要控制循環泵14的旋轉速度從而使陽極化學計量比變化。在溢流發生在陽極側的情況下， 使陽極化學計量比降低時，出口附近的電流密度進一步降低，使陽極化學計量比上升時，出口附近的電流密度恢復。另一方面，由于和干涸的情況同樣的理由，在溢流發生在陰極側的 情況下，即使改變陽極化學計量比，電流密度的峰值位置也不會產生變化。在本實施方式的燃料電池系統中，控制裝置10按照圖10中的流程圖所示的程序， 來實施基于電流測量單元32的測量信號的異常診斷、和基于該診斷結果的恢復控制。根據 該程序，首先，判斷電流密度的峰值位置是否向出口側進行了變化(步驟S200)。如果該判 斷結果為“是”，則執行降低陽極化學計量比的處理(步驟S202)。接下來，判斷隨著陽極化學計量比的降低，電流密度的峰值位置是否向入口側進 行了變化(步驟S204)。如果該判斷結果為“是”，則判斷為發生了陽極干涸，從而實施陽極 干涸恢復控制(步驟S206)。另一方面，如果判斷結果為“否”，則判斷為發生了陰極干涸， 從而實施陰極干涸恢復控制(步驟S208)。各個恢復控制的內容與實施方式1中所說明的 相同。另一方面，如果步驟S200的判斷結果為“否”，則判斷出口附近的電流密度是否 降低(步驟S210)。如果該判斷結果為“是”，則執行使陽極化學計量比上升的處理(步驟 S212)。然后，判斷隨著陽極化學計量比的上升，出口附近的電流密度是否恢復了(步驟 S214)。如果該判斷結果為“是”，則判斷為發生了陽極溢流，從而實施陽極溢流恢復控制 (步驟S216)。另一方面，如果判斷結果為“否”，則判斷發生了陰極溢流，實施陰極溢流恢復 控制(步驟S218)。如果步驟S210的判斷結果為“否”，則判斷為燃料電池組2的發電面上 沒有產生干涸或溢流，即燃料電池組2處于正常狀態。在本實施方式中，通過由控制裝置10執行圖10所示的程序，從而實現了第一及第 三發明中的“診斷單元”和第四發明中的“控制單元”。其他以上對本發明的實施方式進行了說明，但本發明不限于上述實施方式，在不脫離 本發明的主旨的范圍內可以實施各種變形。例如，可以實施如下的變形。在上述實施方式中，是通過電流密度的峰值位置向出口側變化的現象來判斷發生 了干涸的，但在該變化量較小的情況下將難以區別干涸與溢流。因此，在這種情況下，在測 量電流密度的分布的同時也測量電流密度的時間變化率的分布，并根據電流密度的變化率 來區別干涸和溢流。圖11是表示發生了干涸時的電流密度變化率的分布的圖；圖12是表 示發生了溢流時的電流密度變化率的分布的圖。從這些圖中可以看出，在發電面的干燥緩 慢進展的現象、即干涸之下，電流密度的降低率較小。相對于此，在水分完全覆蓋催化劑層 的表面的現象、即溢流之下，電流密度的降低率較大。所以，如果預先對電流密度變化率設 定閾值α，則能夠根據電流密度的降低率的分布中有無超過閾值α的部分來區別干涸和 溢流。此外，雖然在上述實施方式中采用了在使陽極氣體循環的同時進行發電的運轉方 法，但是也可以采用在將陽極氣體封止在燃料電池組內部的狀態下發電的運轉方法。在這 種情況下，不再需要用于使陽極氣體循環的裝置(循環泵或噴射器)。另一方面，由于氮等 雜質滯留在陽極氣體流道內，因而需要設置用于將這些雜質清除到外部的排氣閥。在燃料 電池組發電時將排氣閥置于完全關閉的狀態，或者使排氣閥稍微打開進行連續少量排氣。 在連續少量排氣中，調整排氣閥的開度，以使得被排放到系統外的陽極氣體的流量與燃料電池組內的氫氣的消耗量相比成為非常小的值。在采用上述運轉方法的情況下，關于根據異常診斷結果的恢復控制中的陰極干涸 恢復控制、陰極溢流恢復控制、及陽極干涸恢復控制，也能夠使用上述實施方式中說明的控 制方法。關于陽極溢流恢復控制，除了(d3)、(d4)的方法之外，還能夠采用將排氣閥打開以 使陽極背壓降低的方法。并且，本發明也能夠適用于不具備排氣閥、或是除緊急情況之外不驅動排氣閥的 燃料電池系統。在不執行由排氣閥所實施的清除的情況下，隨著運轉，陽極氣體流道內的雜 質的分壓將上升，但是如果上升到一定程度就將和陰極氣體流道內的雜質的分壓相等，從 而陽極氣體流道內的雜質的分壓無法再進一步上升。作為這種燃料電池系統中的陽極溢流 恢復控制，能夠采用(d3)或(d4)的方法。
權利要求
一種燃料電池系統，其特征在于，具備燃料電池，其陽極和陰極分別接受反應氣體的供給進行發電；測量單元，測量所述燃料電池的發電面中電流密度的分布；判斷單元，根據發電面上的電流密度的峰值位置的變化判斷所述燃料電池內部的干燥狀態。
2.如權利要求1所述的燃料電池系統，其特征在于，所述燃料電池是陽極側的反應氣體和陰極側的反應氣體隔著發電面相對流動的燃料 電池，所述判斷單元判斷電流密度的峰值位置向陽極和陰極的哪個出口一側變化了，根據其 判斷結果確定干燥部位。
3.如權利要求1所述的燃料電池系統，其特征在于，所述燃料電池是陽極側的反應氣體和陰極側的反應氣體隔著發電面并行流動的燃料 電池，所述判斷單元在判斷電流密度的峰值位置有變化的情況下，驗證對應于陽極側的反應 氣體的供給條件的變化該電流密度的峰值位置是否發生變化，根據該驗證結果確定干燥部 位。
4.如權利要求1 3的任一項所述的燃料電池系統，其特征在于，還具備控制單元，在由所述判斷單元判斷為所述燃料電池的內部是干燥的情況下，根據判斷 結果控制所述燃料電池的運轉條件，以使得電流密度的峰值位置回到變化前的位置。
全文摘要
本發明涉及一種燃料電池系統，其能夠詳細地診斷出燃料電池內部的干燥狀態。測量燃料電池的發電面上的電流密度的分布，并基于發電面上的電流密度的峰值位置的變化來判斷燃料電池的內部的干燥狀態。如果是陽極一側的反應氣體(氫氣)和陰極一側的反應氣體(空氣)隔著發電面而向相反方向流動的燃料電池，則判斷電流密度的峰值位置向陽極和陰極中的哪一個的出口一側變化。根據該判斷結果，能夠確定陽極側和陰極側的哪一側發生了干涸。
文檔編號H01M8/04GK101933186SQ20098010356
公開日2010年12月29日 申請日期2009年1月23日 優先權日2008年1月30日
發明者末松啟吾 申請人:豐田自動車株式會社