CN100391042C - 燃料电池系统和启动燃料电池系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统，其包括：燃料气体供应开始命令单元(101)，用于命令开始向燃料电池(1)供应燃料气体；电压检测器(21)，用于检测燃料电池电压；控制单元(103)，用于基于燃料电池电压(CV)和来自燃料气体供应开始命令单元(101)的开始命令，进行用于燃料电池(1)的劣化防止控制；以及另一控制单元(104)，用于根据该开始命令和该劣化防止控制，控制燃料气体供给量。在启动燃料电池系统时进行该劣化防止控制。根据该开始命令开始燃料气体供应，并在开始该劣化防止控制后，增加燃料气体供给量。

Description

燃料电池系统和启动燃料电池系统的方法

技术领域

本发明涉及一种包括燃料电池的燃料电池系统，该燃料电池具有包含在碳催化剂载体上承载的催化剂的电极，尤其涉及一种用于防止在启动和关闭燃料电池系统时催化剂和催化剂载体劣化的控制。

背景技术

燃料电池是一种电化学设备，用以将供应给燃料电池的氢气等燃料气体和包含氧的氧化剂气体的化学能直接转化成从设在其电解质两侧的电极提取出的电能。  聚合物电解质燃料电池(Polymer Electrolyte Fuel Cell，PEFC)由于在其中使用的固体聚合物电解质隔膜材料的固有性质，因而可以在低温下工作且易于操作，因此尤其适合于车辆的电力应用。燃料电池车辆携载高压氢罐、液氢罐、或氢贮存合金罐等氢贮存设备和燃料电池，其中将氢气从该氢贮存设备供应给该燃料电池以与空气进行反应。从该燃料电池提取通过该反应产生的电能，以驱动与驱动轮连接的发动机。因而燃料电池车辆是仅排水的最终的清洁车辆。

通常，作为PEFC的组件的电池由膜电极组件(membraneelectrode assembly，MEA)和将MEA夹在中间的一对隔板(separator)组成，其中，MEA由聚合物电解质隔膜和设在其两侧的电极催化剂层组成。如在日本特开2002-373674号公报中所公开的那样，电极催化剂层包括铂催化剂和碳催化剂载体。在一些情况下，将铂细粒涂于电解质隔膜的表面以形成电极催化剂层。由于铂很昂贵，因而通常将铂细粒涂于碳催化剂载体的表面。

在PEFC中，电极反应发生在供应给阳极(燃料电极)的氢气与供应给阴极(氧化剂电极)的空气(或氧)之间，如下面的公式所示，从而生成电：

阳极：H₂→2H₊+2e^-    ...(1)

阴极：2H₊+2e^-+(1/2)O₂→H₂O    ...(2)

发明内容

然而，在上述燃料电池中，当启动/关闭该系统时，或当该系统保持停止时，发生碳腐蚀/中毒，其中，碳与电解质隔膜的阴极侧表面上的电极催化剂层中的水发生反应，从而使电解质隔膜和电极催化剂劣化。

将参照图1A和1B来详细说明碳腐蚀/中毒。图1A示出在启动/关闭燃料电池时电池中的碳腐蚀/中毒的反应。在图1B的表的左列中列出了在启动/关闭燃料电池系统时发生该反应的条件。

在燃料电池系统保持停止时，空气进入燃料电池的阳极。从而在阳极中产生氧和氢的混合物。

具体地，当燃料电池系统被停止时，空气残留在燃料电池的阴极中，氢气残留在燃料电池的阳极中。如果燃料电池系统保持停止，则空气进入燃料电池的阳极。该进入的空气与残留的氢气在阳极中混合，从而在其中产生氧和氢的混合物。在该系统的长时间停止后，进入的空气会将氢气吹出燃料电池的阳极，而使阳极充满空气。当开始供应氢气以启动该系统时，所供应的氢气与阳极中的空气混合，从而在阳极中产生氧和氢混合物的另一种情况。

当在阳极中存在上述混合物，并且是在具有较高氢浓度的区域中时，氢发生反应，如公式(3)所示：

H₂→2H₊+2e^-    ...(3)

由此生成的质子(H₊)穿过电解质隔膜，从阳极转移到阴极，在阴极，该质子与氧反应形成水，如公式(4)所示：

O₂+4H₊+4e^-→2H₂O    ...(4)

该反应需要电子(e^-)。然而，当连接到燃料电池的外部电路没有闭合时，在阳极释放的电子不能通过外部电路转移到阴极。因此，存在于阴极中的水与电解质隔膜上的催化剂载体碳反应，如公式(5)所示，从而生成二氧化碳、质子和电子。由此生成的电子被用于阴极中的水生成反应(公式(4))。

C+2H₂O→CO₂+4H₊+4e^-    ...(5)

通过公式(5)的反应，捕获电解质隔膜上的碳，且使电解质隔膜劣化。

在其中存在空气的阳极区域中，空气中的氧、通过公式(5)的反应生成的和从阴极转移来的质子、以及通过公式(3)的反应生成的电子相互反应形成水，如公式(4)所示。

当燃料电池的开端电压升高时，电子更容易在燃料电池中移动，从而加速由公式(3)到(5)所示的反应。因此，电解质隔膜的碳腐蚀变得严重。

将在关闭和停止燃料电池系统时电解质隔膜上的铂催化剂载体碳的腐蚀的反应条件总结如下：空气(氧)残留在阴极中；氢气残留在阳极中，并且空气(氧)从外部进入阳极；所生成的电能未被使用(停止电能提取)；以及高开端电压(见图1B的左列)。

将在启动燃料电池系统时的碳腐蚀的反应条件总结如下：空气(氧)从外部进入阳极；氢气被供应给阳极并与阳极中的空气(氧)混合；停止电能提取直到阳极充满氢气为止；高开端电压(见图1B的左列)。

电解质隔膜的催化剂载体碳的腐蚀影响燃料电池的I-V特性。具体地，具有腐蚀过的催化剂载体碳的燃料电池与正常条件下的燃料电池相比，在同一输出电流下具有较低的输出电压，从而所生成的电能变低。

用于防止电解质隔膜和催化剂劣化的一个措施是在启动该系统时将消耗电能并使电流流动的辅助电路暂时连接到该燃料电池。具体地，在启动燃料电池系统时，将具有电阻器等的辅助电路暂时连接到燃料电池，从而防止电池电压的突然升高。之后，当在辅助电路中流动的电流达到预定值时，或当辅助电路的负载电压降到预定值时，将电连接从辅助电路切换到主负载电路。

然而，该方法需要较长时间以使辅助电路的负载电压降低，从而使启动燃料电池系统的时间变长。

而且，当利用燃料电池阳极中的低氢浓度开始电能生成时，容易使燃料电池劣化。

考虑到这些问题，做出了本发明。本发明的目的是提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统能够防止其燃料电池的催化剂劣化并减少系统启动时间，具体地，通过降低燃料气体的供给量以防止过电压，之后，增加燃料气体的供给量以在较短时间内完成阳极中的气体替换。

本发明的一个方面是一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：燃料气体供应开始命令单元，用于命令开始向该燃料电池系统的燃料电池供应燃料气体；工作状态检测器，用于检测该燃料电池的工作状态；劣化防止控制单元，用于基于该工作状态检测器的输出和该燃料气体供应开始命令单元的输出，进行用于防止该燃料电池劣化的控制，其中，在用于防止该燃料电池劣化的控制中，该劣化防止控制单元通过从该燃料电池提取电能来消耗该燃料电池阴极中的氧；以及燃料气体供给量控制单元，用于根据该燃料气体供应开始命令单元的输出和该劣化防止控制单元的控制，控制燃料气体供给量，其中，在启动该燃料电池系统时，进行用于防止该燃料电池劣化的控制，其中，根据该燃料气体供应开始命令单元的输出开始该燃料气体供应，且在开始用于防止该燃料电池劣化的控制后，通过该燃料气体供给量控制单元增加该燃料气体供给量。

本发明的另一方面是一种用于启动燃料电池系统的方法，该方法包括：向燃料电池供应燃料气体；检测该燃料电池的工作状态；基于在开始供应该燃料气体后检测到的工作状态，进行用于防止该燃料电池劣化的控制，其中，在用于防止该燃料电池劣化的控制中，通过从该燃料电池提取电能来消耗该燃料电池阴极中的氧；以及在开始用于防止该燃料电池劣化的控制后，增加供应给该燃料电池的该燃料气体的供给量。

附图说明

现将参照附图对本发明进行说明，其中：

图1A是示出启动/关闭时燃料电池中的反应的示意图；

图1B是示出在启动/关闭/停止燃料电池时碳腐蚀/中毒的反应条件和对其对策的表；

图2是根据本发明第一实施例的燃料电池系统的控制框图；

图3是根据本发明第一实施例的燃料电池系统的系统框图；

图4A是示出在启动比较例的燃料电池系统时氢气供给量的变化的时间图；

图4B是示出在启动比较例的燃料电池系统时燃料电池电压的变化的时间图；

图4C是示出在启动比较例的燃料电池系统时劣化防止控制的状态的时间图；

图4D是示出在启动比较例的燃料电池系统时阴极中的氧的量的变化的时间图；

图4E是示出在启动比较例的燃料电池系统时阳极中的氢替换量的变化的时间图；

图5A是示出在启动第一实施例的燃料电池系统时氢气供给量的变化的时间图；

图5B是示出在启动第一实施例的燃料电池系统时燃料电池电压的变化的时间图；

图5C是示出在启动第一实施例的燃料电池系统时劣化防止控制的状态的时间图；

图5D是示出在启动第一实施例的燃料电池系统时阴极中的氧的量的变化的时间图；

图5E是示出在启动第一实施例的燃料电池系统时阳极中的氢替换量的变化的时间图；

图6是示出根据第一实施例的燃料电池系统的启动控制序列的总体流程图；

图7是示出根据第一实施例的氢供给量增加判断处理的流程图；

图8是示出根据第二实施例的氢供给量增加判断处理的流程图；

图9是示出根据第三实施例的氢供给量增加判断处理的流程图。

具体实施方式

将参照附图对本发明的优选实施例进行说明。以下所说明的每一实施例均是适合于燃料电池车辆的燃料电池系统。

第一实施例

如图2所示，根据本发明第一实施例的燃料电池系统包括：

燃料气体供应开始命令单元101，用于命令开始向燃料电池系统的燃料电池供应燃料气体；

工作状态检测器102，用于检测燃料电池的工作状态；

劣化防止控制单元103，用于基于来自燃料气体供应开始命令单元101的输出和来自工作状态检测器102的输出，进行用于防止燃料电池劣化的控制；以及

燃料气体供给量控制单元104，用于根据燃料气体供应开始命令单元101的输出和劣化防止控制单元103的控制，控制燃料气体供给量。

在根据第一实施例的燃料电池系统中，图2的工作状态检测器102被实现为用于检测图3的燃料电池1的电压的电压传感器21，图2的燃料气体供应开始命令单元101、劣化防止控制单元103和燃料气体供给量控制单元104被实现为用于控制图3的整个燃料电池系统的工作的控制器30的一部分。

控制器30是具有CPU、存储控制程序和参数的ROM、作为工作存储存储器的RAM、以及输入/输出接口的微处理器。

在图3中，燃料电池(燃料电池主体)1是内部加湿型，但不局限于此，燃料电池1具有阳极1a、阴极1b、电解质隔膜1c、多孔隔板1d和1e、用于加湿反应气体的纯净水经过的纯净水流道1f和1g、冷却剂流道1i、以及分隔纯净水流道1g与冷却剂流道1i的隔板1h。

通过氢罐主阀3、降压阀301和氢供应阀4，将氢气从氢罐2供应给阳极1a。通过降压阀301将氢罐2的压力降低到预定的中间压力，之后，通过氢供应阀4将氢气压力调整到期望的氢气压力，并将调整后的氢气供应给阳极1a。

由控制器30控制燃料电池系统，其中该控制器30进行阴极1b的空气压力控制、阳极1a的氢压力控制、用于在低温环境下关闭燃料电池时将纯净水收集到纯净水罐13的纯净水收集控制、以及用于在启动燃料电池时控制阴极中的氧消耗的阴极氧消耗控制。

冷却剂温度控制单元24从控制器30接收命令，并控制冷却剂泵15、三通阀16和散热器风扇18，使得将由设在燃料电池1的冷却剂出口处的温度传感器19检测到的燃料电池的温度T1调整到期望的温度。

排出器(ejector)5和氢循环泵8是燃料气体循环设备，用于将燃料气体再循环到阳极1a。供应给阳极的气体是通过氢供应阀4供应的新的氢气和从阳极1a排出的未使用的氢气的混合物。氢循环泵8工作以包括排出器5的工作范围外的氢流量范围。

由控制器30控制阳极1a处的氢压力，其中控制器30进行对由压力传感器6a检测到的压力P1的反馈控制，驱动氢供应阀4。通过将氢压力控制为常数，自动补偿燃料电池1中所使用的氢气。

在阳极1a与稀释送风机9之间设有放气阀7。在(a)到(c)的情况下放气阀7打开：(a)排出在燃料气体系统中积聚的氮气以确保氢的循环；(b)吹走在气道中积聚的水以恢复电池电压；(c)在启动或关闭燃料电池系统时进行阴极氧消耗控制，其中，仅向阳极1a供应氢气以消耗阴极1b中的氧，并利用氢气替换燃料气体系统中的气体以防止燃料电池的劣化。

稀释送风机9利用空气稀释包含从放气阀7排出的氢的气体，将其氢浓度降低到不燃范围以下，并将稀释后的气体排出该系统外。

通过压缩机10将空气供给阴极1b。由设在阴极进口侧的压力传感器6b检测阴极1b处的空气压力P2。控制器30通过对由压力传感器6b检测到的空气压力P2进行反馈控制、并驱动空气压力调整阀11，将阴极的空气压力控制到期望的值。

由纯净水泵12从纯净水罐13供应纯净水通道1f和1g中的加湿纯净水。考虑电能生成效率和水平衡，确定空气压力、氢压力和纯净水压力，并将其调整到预定的压力，使得在电解质隔膜1c以及隔板1d和1e中不会产生张力(strain)。纯净水通道1f和1g中的一些水分别经过多孔隔板1d和1e以加湿阳极中的氢气和阴极中的空气。未使用的纯净水通过纯净水关闭阀14d返回到纯净水罐13。

如果在纯净水通道1f和1g中残留有纯净水时停止燃料电池系统，则在冰点以下的温度发生由结冰引起的纯净水的膨胀，在这种情况下，可能损坏燃料电池1。因此，当停止该系统时，将纯净水收集到纯净水罐13。控制器30将通常由压缩机10施加于阴极1b的空气压力送往纯净水通道1f和1g以及纯净水管道，吹走其中的纯净水，并使纯净水返回到纯净水罐13。纯净水罐13具有改良的结构，即使纯净水在内部冻结也可以使用。

纯净水关闭阀14d是防止气体泄露到纯净水管线的截止阀。当将氢气供应给阳极1a时，由于在启动或关闭燃料电池系统时在纯净水通道1f和1g中没有纯净水，因而可以通过关闭纯净水收集阀14b和纯净水关闭阀14d防止氢泄露到纯净水管道中。

通过冷却剂泵15将冷却剂供应给燃料电池1中的冷却剂通道1i。三通阀16切换冷却剂的通道，将冷却剂导引到散热器17或散热器旁路中的任何一个，或同时导引到二者。当行驶中的自然空气流不足以冷却冷却剂时，散热器风扇18将空气强制送到散热器17以冷却冷却剂。冷却剂温度控制单元24通过进行由温度传感器19检测到的冷却剂温度的反馈、并驱动三通阀16和散热器风扇18，调整冷却剂的温度。

电能管理器20从燃料电池1提取电能，并将提取出的电能供应给车辆驱动发动机(未示出)等负载设备。

在启动或关闭燃料电池系统时进行的用于防止燃料电池劣化的控制中，控制器30根据由电压传感器21检测到的燃料电池电压CV和所经过的时间，从燃料电池提取电能以消耗阴极的氧。

接着，参照图6和图7的流程图，对在启动时第一实施例的燃料电池系统中的控制进行说明。图6是在启动第一实施例中的燃料电池系统时控制器30的控制的总体流程图，图7是判断氢气流量增加的流程图。

作为开始图6的流程图的控制前的系统条件，氢罐的主阀3被关闭，压缩机10被停止，氢和空气仍未被供应给燃料电池1。

在图6中，首先，在步骤S10，燃料气体供应开始命令单元101基于来自钥匙开关(key switch)302等各种车辆设备的信号，确定开始氢气供应；将用于对氢供应压力例如用于系统空转的设置压力进行调整的信号，发送给氢供应阀4；并发送用于打开氢罐2的主阀3的信号，从而开始将氢气从氢罐2供应给燃料电池1的阳极1a。接着，在步骤S12，由电压传感器21(工作状态检测器102)检测燃料电池1的电池组电压或总电压CV1，并将检测到的电压读入序列控制器30。

在步骤S14，基于步骤S12检测到的电压，判断是否开始劣化防止控制。在该判断中，对检测到的电压CV1和预定值Vp进行比较，如果检测到的电压等于或大于预定值Vp，则处理进入步骤S16，开始劣化防止控制。预定值Vp被称为劣化防止控制开始阈值。

这里，如果电压传感器21检测燃料电池1的多个电池组的电压，则将检测到的电压的最大值定义为检测到的电压CV1，并将该电压CV1与预定值Vp进行比较。

将待比较的预定值Vp设置成小于劣化阈值Vd(Vp＜Vd)，劣化阈值Vd是导致燃料电池1劣化的、并且是通过实验等预先获得的电压。当在步骤S14中检测到的电压CV1低于预定值Vp时，处理返回到步骤S12。

在步骤S16，开始劣化防止控制以防止燃料电池的劣化。劣化防止控制单元103进行劣化防止控制，其中，在停止向阴极1b供应空气的同时，继续向阳极1a供应氢气，并向电能管理器20发出从燃料电池1提取电能的命令，以消耗阴极中的氧。

可以通过如上所述的电能管理器20、或通过将分别准备的电阻器等连接到燃料电池1的方法，实现在步骤S16的劣化防止控制中从燃料电池1提取电能(电流)，其中该电能管理器20是正常电能生成时的负载设备。

接着，在步骤S18判断是否增加向阳极1a供应的氢气流量。在步骤S20，判断步骤S18的判断结果。

后面将参照图7对步骤S18中增加氢气流量的判断进行说明。

当在步骤S20判断出不增加氢气流量时，处理返回到步骤S18。

当在步骤S20判断出增加氢气流量时，处理进入步骤S22。

在步骤S22，通过增大氢供应压力增加向阳极1a供应的氢气流量，向氢供应阀4发出增大氢供应压力的命令。

可以通过增大从氢供应阀4供应的氢气的目标压力值、或通过增大用于排出氢气的放气阀7的开口，来实现步骤S22中的氢气流量的增加。

另外，在阳极出口处设有多个阀(至少一个低流量阀和一个高流量阀)，该多个阀分别具有大小不同的开口且在打开阀时流量是不同的，并且可以将使用的阀从低流量阀切换到高流量阀。

接着，在步骤S24判断阳极1a中的氢气替换量。在步骤S26，判断阳极气体替换是否结束。

当在步骤S26判断出阳极1a的氢替换没有结束时，处理返回到步骤S24。当在步骤S26判断出阳极1a的氢替换结束时，处理进入步骤S28，使劣化防止控制结束。然后，在步骤S30，开始正常电能生成，将电能生成所需的空气和氢气供应给燃料电池，并且结束该启动控制。

图7是示出在图6的步骤S18中判断氢气流量增加的过程的流程图。在该实施例中，当开始劣化防止控制时，同时增加氢气流量。在步骤S40，判断出无条件地增加氢气流量，并且处理返回到主程序。

第二实施例

接着，将参照图8的流程图，对根据本发明第二实施例的燃料电池系统的启动控制进行说明。第二实施例的燃料电池系统的结构与图2和图3中所示的第一实施例的结构相同。图6的总体流程与第一实施例的相同，因此将仅对图8进行说明。

图8示出图6的步骤S18中的过程。在该实施例中，在开始劣化防止控制后，并且如果在步骤S18判断出消耗了阴极的氧(阴极氧消耗判断单元)，则增加氢气流量。

在图8的步骤S50，检测用于判断阴极的氧消耗的氧消耗参数。在步骤S52，基于检测到的氧消耗参数，判断是否消耗了阴极的氧。

如果在步骤S52判断出消耗了阴极的氧，则在步骤S54增加氢气流量，且处理返回到主程序。

如果在步骤S52判断出未消耗阴极的氧，则处理跳过判断氢气流量增加的步骤返回到主程序。

通过步骤S50检测到的氧消耗参数可以是每个都由多个燃料电池1的电池组成的多个电池组的电压的最大值，或者可以是燃料电池的总电压。

在将氧消耗参数定义为电池组电压的最大值或燃料电池的总电压的情况下，如果电池组电压的最大值或燃料电池的总电压低于预定的氧消耗判断阈值Vc(图5B)，则在步骤S52判断出阴极中的氧被消耗了等于或大于预定量的量。

而且，如果消耗了阴极空气中的氧，则穿过电解质隔膜1c从阳极转移到阴极的氢不能与氧反应。在空气压力调整阀11下游设有氢检测传感器，通过该传感器，如果在空气通道中检测到氢，则可以将来自氢检测传感器的信号定义为氧消耗参数。

另外，提供电流传感器以检测燃料电池1的输出电流，并且可以根据从检测到的电流计算出的累积电流值，来估计消耗掉的氧的量。在这种情况下，根据空气系统的体积和压力来计算在阴极中需要消耗的氧的量。

另外，测量从开始提取电能以防止劣化起经过的时间，并可以将由此获得的时间定义为氧消耗参数。可以单独使用或与其它方法组合使用这些方法。

在如果在阴极空气通道中检测到燃料气体而判断出消耗了阴极的氧的情况下，可以检测到氧的完全消耗。

在判断出消耗了阴极的氧的情况下，当从开始劣化防止控制起经过了预定的时间时，控制软件的架构可以是简单的。

图4A到4E是作为比较例的时间图，示出了燃料电池的启动控制，其中，从开始供应到完成阳极中的氢替换将氢气流量设置为低流量Q1。

当以预定的流量Q1(或压力)开始(时间t0)向燃料电池供应燃料气体(氢气)，且电池组电压或总电压超过劣化防止控制开始阈值Vp时，开始(时间t1)劣化防止控制。因此，开始电能生成，且阴极中的氧的量开始减少。由于将氢气流量抑制为低流量Q1，使得燃料电池的电压被保持在预定的劣化阈值Vd以下，因此从开始供应到完成阳极中的氢替换(时间t3)需要较长时间。因此，处理不能进入下一处理，且需要较长时间启动该系统。

在第二实施例中，如图5A到5 E所示，当以预定的流量Q1(或压力)开始(时间t0)向燃料电池供应燃料气体(氢)，且燃料电池的电池组电压或总电压超过劣化防止控制开始阈值Vp时，开始(时间t1)劣化防止控制。之后，当阴极中的氧的量低于在其下可以避免燃料电池劣化的上限值q时，将氢气的流量增加到预定的流量Q2。因而，当增加向阳极供应的氢气的流量时，可以缩短从开始供应氢气到完成阳极中的氢替换(时间t3′＜t3)的时间，并且还可以在无燃料电池劣化的情况下，缩短系统的启动时间。

第三实施例

接着，将参照图9的流程图对根据本发明第三实施例的燃料电池系统中的启动时的控制进行说明。第三实施例的燃料电池系统的结构与图2和图3中所示的第一实施例的结构相同。

在该实施例中，图3的控制器30用作命令开始供应空气(阴极气体)的阴极气体供应开始命令单元，而且还用作劣化可能性判断单元，该劣化可能性判断单元基于工作状态检测器102的输出，判断燃料电池劣化的可能性。

图9是用于解释在启动时该实施例的燃料电池系统的控制的总体流程图。

对于执行与第一实施例的总体流程图(图6)中的控制步骤的处理相同的处理的控制步骤，使用相同的附图标记，省略其重复说明，仅对该实施例与第一实施例之间的总体流程图中的不同之处进行说明。

在该实施例中，增大氢供应压力，以增加到阳极1a的氢气流量。在判断出增加氢气流量的步骤S20后的步骤S22a中，向氢供应阀4发出增大氢供应压力的命令。此外，在步骤S22a，启动压缩机10以向阴极1b供应空气。

在该实施例中，基于在步骤S18中的氢气流量增加的判断结果，判断出燃料电池劣化的可能性较小，且允许向阴极1b供应空气。

与第一实施例类似，通过增大经氢供应阀4供应的氢气的目标压力值、或通过增大用于排出氢气的放气阀7的开口，可以实现在步骤S22a中的氢气流量的增加。

另外，在阳极出口处设有多个阀(至少一个低流量阀和一个高流量阀)，该多个阀分别具有大小不同的开口且在打开阀时流量是不同的，并且可以将使用的阀从低流量阀切换到高流量阀。

在该实施例中，基于在步骤S18中的氢气流量增加的判断结果，判断出燃料电池劣化的可能性较小，且允许向阴极1b供应空气。因此，通过在完成阳极1a的氢替换前开始向阴极1b供应空气，可以缩短燃料电池系统的启动。

注意，不是必需在增加氢气流量时的时刻开始向阴极1b供应空气。如果通过实验等预先获得使阳极中的氢气分散在可以避免燃料电池劣化的范围内所需的时间，则可基于从开始氢气供应起经过的时间或氢气流量的增加，判断出开始向阴极1b供应空气的定时。

另外，在通过将假定送往阴极1b的压缩空气送到纯净水罐13对纯净水泵12启动注水的情况下，启动燃料电池系统需要额外的时间。在该实施例中，由于在完成氢替换前启动压缩机10，因而进一步缩短了启动燃料电池系统所需的时间。

本公开涉及包含在2003年11月27日提出的日本专利申请2003-396795号和2004年3月25日提出的日本专利申请2004-090115号中的主题，特别将其公开在此全部引入作为参考。

在此所述的优选实施例是示例性的而不是限制性的，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，可以以其它方式实践或实施本发明。这里旨在包括由权利要求表明的本发明的范围和权利要求意义内的所有改变。

工业应用性

在根据本发明的燃料电池系统中，在其启动时，首先开始向燃料电池1供应氢气，并且当由电压传感器21检测到的燃料电池1的电压达到预定值时，开始劣化防止控制，其中，在继续向阳极1a供应氢气且停止向阴极1b供应空气的同时，从燃料电池1提取电能。然后，当判断出消耗了阴极1b中的氧时，增加向阳极1a供应的氢气的流量。

根据该燃料电池系统，由于在开始劣化防止控制后增加氢气的流量，因而可以用氢气迅速地替换阳极中的气体，而不引起燃料电池的劣化。另外，该燃料电池系统可适用于以下技术：在启动燃料电池系统时防止电解质隔膜上的催化剂载体碳的腐蚀/中毒的同时，缩短启动时间。

Claims (15)

1.一种燃料电池系统，其包括：

燃料气体供应开始命令单元，用于命令开始向该燃料电池系统的燃料电池供应燃料气体；

工作状态检测器，用于检测该燃料电池的工作状态；

劣化防止控制单元，用于基于该工作状态检测器的输出和该燃料气体供应开始命令单元的输出，进行用于防止该燃料电池劣化的控制，其中，在用于防止该燃料电池劣化的控制中，该劣化防止控制单元通过从该燃料电池提取电能来消耗该燃料电池阴极中的氧；以及

燃料气体供给量控制单元，用于根据该燃料气体供应开始命令单元的输出和该劣化防止控制单元的控制，控制燃料气体供给量，

其中，在启动该燃料电池系统时，进行用于防止该燃料电池劣化的控制，

其中，根据该燃料气体供应开始命令单元的输出开始该燃料气体供应，且在开始用于防止该燃料电池劣化的控制后，通过该燃料气体供给量控制单元来增加该燃料气体供给量。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，在通过该劣化防止控制单元开始用于防止该燃料电池劣化的控制后，该燃料气体供给量控制单元立即增加该燃料气体供给量。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：

阴极氧消耗判断单元，用于基于该工作状态检测器的输出，判断是否消耗了该燃料电池的阴极中的氧，

其中，在用于防止该燃料电池劣化的控制中，在停止向阴极供应空气的同时，该劣化防止控制单元通过从该燃料电池提取电能来消耗阴极中的氧，以及

在通过该阴极氧消耗判断单元判断出消耗了阴极的氧后，该燃料气体供给量控制单元增加该燃料气体供给量。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，

该工作状态检测器包括用于检测该燃料电池的多个电池的电压的电压传感器，以及

如果通过该电压传感器检测到的该多个电池的电压中的最大值低于预定值，则该阴极氧消耗判断单元判断消耗了阴极的氧。

5.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，

该工作状态检测器包括用于检测该燃料电池的总电压的电压传感器，以及

如果通过该电压传感器检测到的该总电压低于预定值，则该阴极氧消耗判断单元判断消耗了阴极的氧。

6.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，

该工作状态检测器包括用于检测存在于该燃料电池的空气通道中的燃料气体的燃料气体检测器，以及

如果该燃料气体检测器检测到存在于该空气通道中的燃料气体，则该阴极氧消耗判断单元判断消耗了阴极的氧。

7.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，

该工作状态检测器包括用于检测该燃料电池的输出电流的电流检测器，以及

该阴极氧消耗判断单元基于由该电流检测器获得的检测到的值，估计消耗掉的氧的量，如果所估计的消耗掉的氧的量大于预定值，则该阴极氧消耗判断单元判断消耗了阴极的氧。

8.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，

如果从开始用于防止该燃料电池劣化的控制起经过了预定的时间，则该阴极氧消耗判断单元判断消耗了阴极的氧。

9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

该燃料气体供给量控制单元通过改变该燃料气体的目标压力值，进行该燃料气体供给量的可变控制。

10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

该燃料气体供给量控制单元通过改变用于从阳极排出该燃料气体的阀的开口，进行该燃料气体供给量的可变控制。

11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：

多个阀，用于从该燃料电池的阳极排出燃料气体，该多个阀具有大小不同的开口，

其中，该燃料气体供给量控制单元通过切换被打开的阀，进行该燃料气体供给量的可变控制。

12.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

在启动和/或关闭该燃料电池系统时，该劣化防止控制单元通过从该燃料电池提取电能、并将该电能供给正常时间时被供给该电能的负载设备，将该燃料电池的电压保持在预定值以下。

13.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

在启动和/或关闭该燃料电池系统时，该劣化防止控制单元通过从该燃料电池提取电能、并将该电能供给辅助负载设备，将该燃料电池的电压保持在预定值以下。

14.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：

阴极气体供应开始命令单元，用于命令开始向该燃料电池供应阴极气体；以及

劣化可能性判断单元，用于基于该工作状态检测器的输出，判断该燃料电池劣化的可能性，

其中，如果通过该劣化可能性判断单元判断出该燃料电池劣化的可能性较小，则该阴极气体供应开始命令单元命令开始该阴极气体供应。

15.一种用于启动燃料电池系统的方法，其包括：

向燃料电池供应燃料气体；

检测该燃料电池的工作状态；

基于在开始供应该燃料气体后检测到的工作状态，进行用于防止该燃料电池劣化的控制，其中，在用于防止该燃料电池劣化的控制中，通过从该燃料电池提取电能来消耗该燃料电池阴极中的氧；以及

在开始用于防止该燃料电池劣化的控制后，增加供应给该燃料电池的该燃料气体的供给量。

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