CN100547841C - 燃料电池系统 - Google Patents

燃料电池系统 Download PDF

Info

Publication number
CN100547841C
CN100547841C CNB2005800139085A CN200580013908A CN100547841C CN 100547841 C CN100547841 C CN 100547841C CN B2005800139085 A CNB2005800139085 A CN B2005800139085A CN 200580013908 A CN200580013908 A CN 200580013908A CN 100547841 C CN100547841 C CN 100547841C
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
during
supply
oxidizing gas
cell system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB2005800139085A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1950966A (zh
Inventor
柴田和则
近藤政彰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of CN1950966A publication Critical patent/CN1950966A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100547841C publication Critical patent/CN100547841C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04197—Preventing means for fuel crossover
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明的燃料电池系统在燃料电池的停止发电期间向燃料电池供应氧化气体。由此，即使发电自身停止也维持足以与残留的燃料气体继续进行反应的氧化气体量，因此可以保护电解质膜免受因缺氧而导致的损坏。此外，本发明的燃料电池系统不仅可以用于间歇运行中，而且还可以作为因其他原因而引起的燃料电池的停止发电或燃料电池系统的完全停止运行时的措施来应用。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
在燃料电池系统中，当在其停止发电时，会发生交叉泄漏(crossleak)，即残留在燃料电池内的正极一侧的氢气透过电解质膜而向负极一侧移动，并且负极一侧的空气中的氧气和氮气透过电解质膜而向正极一侧移动。若发生交叉泄漏就会损坏电解质膜，因此，为了防止所述交叉泄漏，例如在专利文献1中公开了以下燃料电池停止方法：当停止发电时，使从燃料电池的负极排出的排出气体再循环而将其供应给负极，并通过排出气体中的残留的氧来继续进行发电，然后在发电电压达到规定值以下时停止发电。
专利文献1：日本专利文献特开2003-115317号公报。
发明内容
然而，根据上述的公知技术，由于残留氧的浓度逐渐降低，所以必须以一定的转数驱动用于使氧气循环的压缩机，因此不能称之为燃耗(mileage)优良的停止运行方法。
另外，上述的公知技术涉及燃料电池系统的完全停止运行时的运行方法，并不是用于抑制间歇运行的停止发电期间的燃料电池的电解质膜劣化的技术。该间歇运行是指重复燃料电池的发电和停止发电的运行模式。
根据申请人的经验，在间歇运行的停止发电期间，如果燃料电池的电解质膜表面断断续续地产生缺氧状态，则会观测到燃料电池的耐久性下降的现象。如果在残留有氢气的状态下氧化气体的供应量减少，则二者会在电解质膜内发生电化学反应，从而造成电解质膜受热(反应热)而劣化。也就是说，通过如上述公知技术所公开那样的燃料电池停止方法来消耗残留氧的方法并不适于抑制间歇运行的停止发电期间的电解质膜劣化，在所述间歇运行中频繁地重复正常发电和停止发电。
因此，本发明是鉴于上述情况而作出的，其目的在于提供一种控制方法以及使用该控制方法的燃料电池系统，该控制方法能够在抑制电解质膜损坏和热劣化的情况下使燃料电池系统停止发电，并且不使燃耗恶化。
为了解决上述问题，本发明的燃料电池系统具有燃料电池，在停止发电期间向该燃料电池供应氧化气体。
如上所述，在传统的燃料电池系统中，如果不顾系统整体处于运行当中、因为进入了停止发电期间而停止向燃料电池供应氧化气体的话，则电解质膜可能会产生损坏或热劣化。对此，根据本发明，即使燃料电池处于停止发电期间也供应氧化气体，因此能够避免由于缺乏氧化气体而引起以往的问题。
“燃料电池的停止发电期间”是指燃料电池系统处于运行当中、但停止燃料电池自身的发电的情况，例如可以例举间歇运行中的停止发电期间。但是，本发明不仅可以用于间歇运行中，而且还可以作为因其他原因而引起的燃料电池的停止发电或燃料电池系统的完全停止运行时的措施来应用。
此外，优选在燃料电池的停止发电期间断续地向燃料电池供应氧化气体。根据该结构，通过不改变每单位时间的氧化气体的供应量、而是重复进行有供给和无供给的运行操作(供应和不供应)，能够在停止发电期间供应适量的氧化气体。
或者，还优选在燃料电池的停止发电期间持续地向燃料电池供应氧化气体。根据该结构，例如如果改变氧化气体的供应量而连续地供应氧化气体的话，则能够在停止发电期间供应适量的氧化气体。
另外，优选将在停止发电期间向所述燃料电池供应的所述氧化气体供应量设为防止燃料电池缺氧的最低供氧量以上。根据该结构，如果预先设定为不会发生缺氧的氧化气体的供应量，则由于在停止发电期间供应该供应量以上的氧化气体，因此即使停止了发电自身也可以维持足以与残留的燃料气体继续进行反应的氧化气体量。由此，可以保护电解质膜免受因缺氧而导致的损坏和热劣化。
这里，优选确保氧化气体的供应量以使氧化气体流在燃料电池内(例如隔板表面)均匀。根据该结构，能够进一步防止局部产生缺氧状态或发生热劣化的情形。
而且，也可以将燃料电池的停止发电期间的氧化气体的供应量维持在与燃料电池的过干燥区域的下限对应的供应量以下。
此外，本发明的燃料电池系统包括燃料电池和向该燃料电池供应氧化气体的驱动单元，该驱动单元在燃料电池的停止发电期间从外部引入比该燃料电池的发电期间少的供应量的氧化气体。所述的结构也不仅可以用于间歇运行中，而且还可以作为因其他原因而引起的燃料电池的停止发电或燃料电池系统的完全停止运行时的措施来应用。
根据该结构，由于在燃料电池的停止发电期间以少于发电期间的供应量供应氧化气体，所以能够尽量地抑制由驱动单元消耗的电能。另一方面，由于以所述少的供应量供应的氧化气体是从外部引入的，从而可以确保充足的氧气浓度，因此还能够抑制在燃料电池中产生变为缺氧状态的部分。
更具体来说，优选将燃料电池的停止发电期间的氧化气体的供应量维持在使驱动单元的消耗功率达到规定值以下的供应量。
另外，当燃料电池从发电期间转为停止发电期间时，优选逐渐减少向燃料电池供应的氧化气体的每单位时间的平均供应量。
通常，在发电期间供应充足的氧化气体，因此在停止发电期间有发电期间供应的氧化气体会残留下来的趋势。根据该结构，由于可以考虑残留的氧化气体的量而逐渐地减少氧化气体的供应量，所以能够使燃料电池稳定且快速地停止，而不会因急剧停止而产生局部的缺氧状态。
此外，当持续(连续)地供应氧化气体时，优选线性或渐近线性(一次曲线或渐近线)地减少向燃料电池供应该氧化气体的供应量。
此时，作为逐渐减少氧化气体的有效且具体的步骤，可以举出：进行以不引起缺氧的间隔(时间间隔)来重复氧化气体的供应和不供应的断续供应、并在将供应期间的每单位时间的供应量保持为恒定的情况下不断地延长该时间间隔或者供应期间的方法；在保持固定的时间间隔的情况下逐渐地减少断续供应的供应期间中的每单位时间的氧化气体的供应量的方法；或者它们的混合方法(组合实施这些方法的方法)等。
换句话说，本发明的燃料电池系统是每隔规定的时间间隔就以规定的期间、规定的每单位时间的供应量向所述燃料电池供应氧化气体的系统，其中，可以逐渐地延长规定的时间间隔、或者逐渐地缩短规定的期间、或者逐渐地减少规定的每单位时间的供应量，或者也可以通过将它们的一部分或全部组合起来而使氧化气体的供应量逐渐减少。
此外，根据另一个观点，本发明提供的一种燃料电池系统的特征在于，在燃料电池的停止发电期间向燃料电池供应氧化气体。
此外，优选在燃料电池的停止发电期间断续地向燃料电池供应所述氧化气体。
此外，还优选在燃料电池的停止发电期间持续地向燃料电池供应氧化气体。
另外，燃料电池的停止发电期间的氧化气体的供应量优选在防止燃料电池缺氧的最低供氧量以上。
另外，本发明提供的一种具有供应氧化气体的驱动单元的燃料电池系统的特征在于，在燃料电池的停止发电期间，通过驱动单元从外部引入比燃料电池的发电期间少的供应量的氧化气体。
此外，当燃料电池从发电期间转为停止发电期间时，优选逐渐地减少氧化气体的每单位时间的平均供应量。
如上所述，根据本发明，即使在燃料电池的停止发电期间也向燃料电池供应氧化气体，因此，能够在抑制电解质膜损坏或热劣化的情况下使燃料电池停止发电，并且不使燃耗恶化。
附图说明
图1是示出本发明燃料电池系统的第一实施方式的结构的整体图；
图2是示出第一实施方式的燃料电池系统的动作(运行方法的步骤)的一个例子的流程图；
图3是示意性地示出燃料电池的空气(氧化气体)供应量与因缺氧而引起的电解质膜的耐久性之间的关系的图；
图4是示意性地示出燃料电池的空气(氧化气体)供应量与消耗功率之间的关系的图；
图5是示意性地示出间歇运行模式的发电期间与停止发电期间的电流密度变化的图；
图6是示意性地示出间歇运行模式的发电期间与停止发电期间的本发明的空气供应量的图；
图7是示意性地示出第二实施方式的运行方法中的停止发电期间的空气供应量控制的图；
图8是示意性地示出第二实施方式的运行方法(变形例)中的停止发电期间的空气供应量控制的图；
图9是示意性地示出第三实施方式的运行方法中的停止发电期间的空气供应量控制的图；
图10是示意性地示出第三实施方式的运行方法(第一变形例)中的停止发电期间的空气供应量控制的图；
图11是示意性地示出第三实施方式的运行方法(第二变形例)中的停止发电期间的空气供应量控制的图。
具体实施方式
下面，参考附图来说明本发明的优选实施方式。附图的尺寸比例不限于图示的比例。并且，各个实施方式仅仅是本发明的一个实施方式，本发明可以不局限于此而广泛地应用。
(第一实施方式)
第一实施方式适于用作安装到移动体上的燃料电池系统，所述移动体诸如是电动汽车等车辆、船舶、机器人、以及便携式移动终端等。在第一实施方式中应用了本发明特有的停止发电控制(尤其是间歇运行的停止发电期间的停止发电控制)。
图1是示出该燃料电池系统的结构的整体图。如图1所示，该燃料电池系统包括：燃料气体系统10，用于向燃料电池堆1供应作为燃料气体的氢气；氧化气体系统20，用于供应作为氧化气体的空气；冷却系统30，用于冷却燃料电池堆1；以及电力系统40。
燃料电池堆1具有层叠多个电池(cell)的堆结构，该电池由隔板和夹在一对隔板之间的MEA(Membrane Electrode Assembly：膜电极组)构成，所述隔板具有氢气、空气以及冷却液的流路。
MEA具有将高分子电解质膜夹(夹持)在正极和负极这两个电极之间的结构。正极通过在多孔质支撑层上设置正极用催化剂层而构成，负极通过在多孔质支撑层上设置负极用催化剂层而构成。燃料电池用于引起水的电解的逆反应，向正极(阴极)一侧供应作为燃料气体的氢气，向负极(阳极)一侧供应氧化气体(空气)。由此，在正极一侧发生下述公式(1)表示的反应，并且在负极一侧发生公式(2)表示的反应，从而使电子循环，并有电流流动。
H2→2H++2e-…(1)
2H++2e-+(1/2)O2→H2O…(2)
燃料气体系统10包括：作为氢气供应源的氢气罐11、主阀SV1、调压阀RG、燃料电池入口截止阀SV2，经过了燃料电池堆1之后，还包括：燃料电池出口截止阀SV3、气液分离器12和截止阀SV4、氢泵13、以及止回阀RV。
在氢罐11中充填有高压氢气。氢供应源除了高压氢罐之外，还可以采用使用贮氢合金的氢罐、基于重整气的氢供应机构、液体氢罐、液化燃料罐等各种供应源。
主阀SV1控制氢气的供应。调压阀RG调节下游的循环通路的压力。燃料电池入口截止阀SV2和燃料电池出口截止阀SV3在燃料电池的停止发电时等被关闭。气液分离器12在通常运行时从氢排气中除去由燃料电池堆1的电化学反应生成的水分及其他杂质，并通过截止阀SV4向外排出。氢泵13强制性地使循环通路中的氢气循环。在止回阀RV的前面分支连接有排出通路，在排出通路上设有放气阀SV5。
氧化气体系统20包括：空气过滤器21、压缩机22、以及加湿器23。空气过滤器21将外部气体净化后将其引入到燃料电池系统中。压缩机22(驱动单元)以由控制部2指定的转数来压缩引入的外部气体(作为氧化气体的空气)并将其供应给燃料电池堆1。通过该压缩机22的转数控制来确定在间歇运行的停止发电期间或在燃料电池系统的运行完全停止时向燃料电池堆1供应的的空气的供应量。加湿器23通过在被压缩的空气和空气排气之间进行水分交换而给被压缩的空气施加适当的湿度。
通过图中没有示出的稀释器将从燃料电池堆1排出的空气排气与从放气阀SV5排出的氢排气混合、稀释，然后排出。
此外，冷却系统30包括散热器31、风扇32以及冷却水泵33，向燃料电池堆1内部循环供应冷却液体。
另外，电力系统40包括：蓄电池41、高压变换器42、牵引逆变器43、牵引电动机44、高压辅机45、电流传感器46、以及电压传感器47。
在燃料电池堆1中串联或并联连接了单电池，由此在正极A和负极C之间产生规定的高电压(例如，约为500V)。高压变换器42在电压不同的燃料电池堆1和蓄电池41之间进行电压变换，从而将蓄电池41的电能用作燃料电池堆1的辅助电源，或者将来自燃料电池堆1的剩余电能充电到蓄电池41中。牵引逆变器43将直流电流变换为三相交流电流，并将其供应给牵引电动机44。例如在移动体为车辆的情况下，牵引电动机44产生使车轮旋转的动力。
作为高压辅机45，可以举出压缩机22、氢泵13、风扇32的驱动电动机、冷却水泵33等的电动机类设备。电流传感器46输出与燃料电池堆1的发电电流对应的检测信号Sa，电压传感器47输出与燃料电池堆1的端子电压对应的检测信号Sv。
控制部2例如是在汽车的控制中所使用的公知的计算机系统，其通过图中未示出的CPU(中央处理器)依次执行图中未示出的ROM等所存储的软件程序，使燃料电池系统按照如图2所示那样的步骤工作。
该控制部2由多个微处理器构成而非一个，并且由这些微处理器执行各不相同的程序模块而实现的各个功能通过协作来实现包括适于本发明的方法在内的各种各样的功能。
接着，对第一实施方式的燃料电池系统的动作进行说明。
本实施方式中的间歇运行模式是提高轻载时的燃耗的运行方法，是重复进行一定期间的燃料电池的发电和一定期间的停止发电的运行模式。本第一实施方式的燃料电池系统中的运行控制(停止控制)适用于该间歇运行模式的停止发电期间。具体来说，在间歇运行时的燃料电池堆1的停止发电期间，将空气(氧化气体)的供应量维持在燃料电池堆1不会产生缺氧或热劣化的最低供氧量以上。
这里，图3示出了燃料电池的空气供应量与因缺氧而引起的电解质膜的耐久性之间的关系。耐久性是相对表示MEA的高分子电解质膜的受损程度的指标，耐久性越低就越易于受损，寿命就越短，耐久性越高就越不容易受损，寿命就越高。
从图3可知，如果氧量进入低于规定的最低供氧量的缺氧区域，则高分子电解质膜的耐久性就会出现显著下降的趋势。当将能够确保与该最低供氧量相当的氧量的空气供应量设为最低空气供应量Vmin时，如果向燃料电池供应的空气量在该最低空气供应量Vmin以上，则能够维持燃料电池的耐久性。该最低空气供应量Vmin即为在本发明的燃料电池堆的停止发电期间中压缩机驱动的控制区域中的空气供应量的下限值。
此外，在本实施方式中，不仅考虑高分子电解质膜的耐久性，还考虑功率方面的要求来确定控制区域。即，将燃料电池堆1的停止发电期间的空气供应量维持在压缩机22的消耗功率达到规定值以下的范围内的供应量。
图4示出了燃料电池的空气供应量和消耗功率的关系。随着压缩机22等驱动单元的消耗功率上升，其转数上升，从而可以输出的空气供应量增大。虽然空气供应量会在某一程度内几乎与消耗功率相应地增大，但消耗功率会随着空气供应量的增大而逐渐达到顶点(趋于饱和)。
在燃料电池系统中，由公式(2)决定的必要氧量(公式(2)的反应所需的氧量)根据对燃料电池要求的要求输出功率值而变化，但如果空气供应量过多的话，从MEA的高分子电解质膜表面被带走的水分量就会变得过多，从而导致发电效率下降。这样的区域就是该图中示出的过干燥区域。在燃料电池堆1的发电期间，控制压缩机22的转数，以使空气供应量达到作为该过干燥区域的下限的最大空气供应量Vmax以下。
在空气供应量较少的区域，转数越大、另外空气供应量越多，压缩机22的消耗功率就越发增大。为了抑制消耗功率，优选在可以确保所需空气供应量的范围内将压缩机22的转数尽量抑制得较低。因此，在超过上述最低空气供应量Vmin的范围内，将燃料电池堆1的停止发电期间的消耗功率上限值Plim确定为在控制上不会产生故障的值，并且将以该消耗功率驱动压缩机22时的空气供应量设为消耗功率抑制空气供应上限值Vlim。将该值作为停止发电期间的压缩机驱动的控制区域的上限值。
此外，在本实施方式中，设定能够维持燃料电池堆1的各个单电池中的均匀的氧(氧化气体)供应的供应量。即，当在图3所示的控制区域中驱动压缩机22时，与发电期间相比空气的供应量相对减少，因此流入包围着MEA的隔板中的空气的量也减少。
然而，在隔板中，用于确保空气与电解质膜的接触面积并确保通过时间的通路被设置成复杂的形状。这样的通路形状成为流经隔板表面的空气的阻力，因此尽管对于燃料电池整体来说空气是流动的，但仍有可能局部地产生由于空气滞留而成为缺氧状态的部分。
因此，在本实施方式中，作为燃料电池特有的下限值，将空气会流经单电池的大致所有部分、从而不会产生缺氧状态的空气供应量设定为均匀空气供应量下限值。该均匀空气供应量下限值受单电池的隔板形状的影响，因此通过实验等并根据隔板形状而设定。如果该均匀空气供应量下限值大于上述用于防止缺氧的最低空气供应量Vmin，则将该均匀空气供应量下限值设定为停止发电期间的空气供应的控制区域的下限值。
在由上述用于防止高分子电解质膜的缺氧状态的最低空气供应量(最低供氧量)、用于抑制消耗功率的消耗功率抑制空气供应上限值、以及用于防止局部缺氧的均匀空气供应量下限值(最低供氧量)确定的空气供应的控制区域中驱动压缩机22。
例如在堆叠四百个单电池的燃料电池堆1中，该限制区域的空气供应量的范围如下：总量为20～50NL/min，对应每个电池的量为0.05～0.125NL/min。
在图2中示出了作为本第一实施方式的燃料电池系统的动作(运行方法的步骤)的一个例子的、在该空气供应的限制区域中驱动压缩机22时的流程图。当运行本燃料电池系统时，定期或不定期地执行该流程图中示出的处理程序。只要可以达到本发明的目的，本流程图中的各个处理项目也可以前后颠倒其顺序。
在图2中，在燃料电池的间歇运行模式(间隙运行状态)中，如果处于燃料电池堆1的发电期间(S1：“否”)，控制部2以以下转数来驱动压缩机22(S10)，该转数是通过基于对燃料电池的要求输出功率的运算而确定的。
当进入到间歇运行的停止发电期间时(S1：“是”)，控制部2以进入如图3所示的控制区域那样的、预先设定的转数来驱动压缩机22(S2)。作为所述设定的转数，例如可以例举出预计可达到与控制区域的中心附近对应的空气供应量的转数。
然后，为了将停止发电期间的空气供应量维持在控制区域的范围内，控制部2进行以下控制。
即，控制部2诸如参照压力传感器ps的检测信号来测定空气的供应量，并检查该空气供应量是否在控制区域的下限值Vmin(如上所述，最低空气供应量或者均匀空气供应下限值)以下(S3)。当空气供应量在下限值Vmin以下时(S3：“是”)，由于可以认为进入了燃料电池为局部缺氧状态的缺氧区域(图3)，所以控制部2输出少许提高压缩机22的转数的驱动信号(S4)。
另一方面，当空气供应量达到控制区域的上限值Vlim以上时(S5：“是”)，压缩机22的消耗功率过大，因此控制部2输出少许降低压缩机22的转数的驱动信号(S6)。
另外，有时在燃料电池系统的完全停止运行时也执行所述停止发电期间的空气供应处理。在此情况下，停止供应作为燃料气体的氢气，因此燃料电池的发电功率不断下降。当完全停止运行时，只要高分子电解质膜不发生劣化，就不需要供应空气。
因此，当通过电流传感器46和电压传感器47而掌握的发电功率在规定值Pmin以下时(S8：“是”)，控制部2判断为由于残留氢气已被消耗而不会出现在MEA的高分子电解质膜表面产生的缺氧以及氢气从正极一侧渗透到负极一侧而产生的热劣化，因此使压缩机22停止驱动(S9)。
在图5中示出了各个燃料电池的单电池的电流密度与该第一实施方式的间歇动作(间歇运行)模式相对应地发生变化的情况。另外，在图6中示出了燃料电池堆1的空气供应量与该间歇模式相对应地发生变化的情况。
在间歇运行模式中，以规定的时间间隔交替实施燃料电池堆1的发电期间和停止发电期间。在发电期间，由于系统整体均消耗电能，因此在各个单电池中也有图5所示的电流流动，如图6所示维持与此相应而确定的空气供应量。
另一方面，在燃料电池堆1的停止发电期间，由于没有电能消耗，所以如图5所示实际上没有电流流动。但是，即便在停止发电期间空气的供应量也被维持在控制区域内，例如维持平均空气供应量Vp。在传统的系统中，停止发电期间的空气供应量实际上为零，因此，本发明的燃料电池系统在这一点上与传统的系统大有不同。
在本实施方式中，在燃料电池堆1的停止发电期间进行空气供应，但图2的流程图所示的运行步骤也可以直接用作完全停止燃料电池系统的运行时的防止电解质膜劣化的对策。
以上，根据本第一实施方式的燃料电池系统，即使在燃料电池的停止发电期间也继续供应如下程度的空气量，该程度可以抑制MEA的高分子电解质膜表面由于缺氧而受损、以及由于残留的氢气而进行的电化学反应所导致的热劣化，因此，可以保护燃料电池免受因缺氧和热劣化而导致的损坏，从而可以提高耐久性和可靠性。
此外，由于将尽量抑制压缩机22的消耗功率的空气供应量作为上限，所以能够在抑制高分子电解质膜的缺氧和热劣化的范围内尽可能地抑制消耗功率。
而且，由于将氧的供应量确保在隔板表面的空气流均匀的范围内，因此能够防止局部产生缺氧状态。
另外，由于从外部导入供应给燃料电池堆1的空气，所以可以提供氧浓度较高的空气，从而还能够抑制在燃料电池中产生局部缺氧的情况。
(第二实施方式)
在上述第一实施方式中，当燃料电池从发电期间进入停止发电期间时，使发电期间的空气供应量急剧向被限制的空气供应量变化，但在本第二实施方式中，使空气供应量逐渐变化。作为在本实施方式中使用的燃料电池系统，可以例举出与在第一实施方式中使用的系统具有相同结构的燃料电池系统、即图1所示的燃料电池系统。
在图7中示出了从本第二实施方式的燃料电池的发电期间至停止运行期间的空气供应量的控制特性。该图放大示出了图6所示的发电期间和停止发电期间的空气供应量的变化。
在图7中，到时刻t0为止为发电期间，从时刻t0开始进入停止发电期间。控制部2控制压缩机22的转数，以使空气供应量从发电期间结束时(时刻t0)开始线性地减少。然后，在时刻t1，控制量(空气供应量)变为在上述第一实施方式中说明的平均空气供应量Vp，进而按照图2的流程图所示的步骤使此后的空气供应量稳定。
当使空气供应量急剧变动时，会由于供应量的变动而导致气流紊乱，因此根据情况有可能会产生局部的缺氧状态。对此，在本第二实施方式中，由于进行控制以使空气供应量逐渐变化，所以能够使即将进入燃料电池的停止发电期间之前的残留氧量逐渐地变化，由此使局部的缺氧状态难以产生。
当然也可以如图8所示，使空气供应量渐近线性(多次曲线)地变化，以代替线性(一次曲线)变化。
(第三实施方式)
在上述第一实施方式中，使燃料电池处于停止发电期间的受限制的空气供应量恒定，在本第三实施方式中说明使空气供应量断续地变化的例子。作为在该实施方式中使用的燃料电池系统，也可以例举出与在第一实施方式中使用的系统具有相同结构燃料电池系统、即图1所示的燃料电池系统。
在图9中示出了本第三实施方式中的从燃料电池的发电期间至停止发电期间的空气供应量的控制特性。该图放大示出了图6所示的发电期间和停止发电期间的空气供应量的变化。
如图9所示，从发电期间结束时(时刻t0)开始每隔固定的时间间隔T就以固定的期间t持续地供应相同量的空气。这些断断续续的空气供应的平均值为图6所示的Vp。时间间隔T被设定为以下期间：即便完全不供应空气，也会由于燃料电池中的残留氧而不发生缺氧。控制部2进行控制，使得从发电期间结束时(时刻t0)开始每隔时间间隔T就在期间t内以相同的转数驱动压缩机22。
根据压缩机的情况，有时难以以控制区域中的受抑制的空气供应量来稳定地供应空气。例如，最低驱动转数高到某一程度这样的情况。在该情况下，根据本第三实施方式，能够通过断续地驱动压缩机而将平均空气供应量控制为微小的量。
代替使断续运行的转数在停止发电期间保持恒定的情形，也可以如图10所示那样，每隔驱动的时间间隔T就改变转数，并由此来改变每隔时间间隔T的各个期间t内的空气供应量。此外，如图11所示，也可以改变压缩机驱动期间T1～T5，并由此来改变每隔时间间隔T的各个期间T1～T5内的空气供应量。此外，也可以改变转数和压缩机驱动期间这两者。不管在哪一种情况下，平均空气供应量实际上均为第二实施方式所示那样的渐近线(多次曲线)形状。
(其他实施方式)
本发明不限于上述各个实施方式，只要不改变其宗旨就可以在进行各种变更后来应用。例如，可以考虑各种将燃料电池的停止发电期间的空气供应量维持在上述限制区域内的控制方法，为此也可以适当地改变应检测的物理量。此外，压缩机22的控制定时及控制量也不限定于上述各个实施方式中的例子。
工业实用性
本发明的燃料电池系统即使在燃料电池的停止发电期间也向燃料电池供应氧化气体，由此能够在抑制电解质膜的损坏和热劣化的情况下使燃料电池系统停止发电，并且不使燃耗恶化，因此能够广泛地应用于具备燃料电池的移动体等机器、电动机、设备等中。

Claims (11)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，在停止发电期间向其供应氧化气体；以及
控制单元，在所述停止发电期间，控制向所述燃料电池供应的所述氧化气体的供应量，使得所述氧化气体的供应量为即使发电本身停止也足以继续与残留的燃料气体进行反应的量。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，在所述停止发电期间断续地向所述燃料电池供应所述氧化气体。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，在所述停止发电期间持续地向所述燃料电池供应所述氧化气体。
4.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，将所述燃料电池的停止发电期间的所述氧化气体的供应量维持在与该燃料电池的过干燥区域的下限对应的供应量以下。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，所述燃料电池由多个电池构成，
所述氧化气体为空气，
将所述燃料电池的停止发电期间的所述空气的供应量设为：对应每单个电池为0.05～0.125NL/min。
6.如权利要求3所述的燃料电池系统，向所述燃料电池供应的所述氧化气体的供应量线性或渐近线性地减少。
7.如权利要求2所述的燃料电池系统，每隔规定的时间间隔就以规定的期间、规定的每单位时间的供应量向所述燃料电池供应所述氧化气体，
逐渐地延长所述规定的时间间隔。
8.如权利要求2所述的燃料电池系统，每隔规定的时间间隔就以规定的期间、规定的每单位时间的供应量向所述燃料电池供应所述氧化气体，
逐渐地缩短所述规定的期间。
9.如权利要求2所述的燃料电池系统，每隔规定的时间间隔就以规定的期间、规定的每单位时间的供应量向所述燃料电池供应所述氧化气体，
逐渐地减少所述规定的每单位时间的供应量。
10如权利要求5所述的燃料电池系统，所述停止发电期间是所述燃料电池系统处于运行当中、但停止了所述燃料电池的发电的期间。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统，所述停止发电期间是所述燃料电池系统处于运行当中、但停止了所述燃料电池自身的发电的间歇运行中的停止发电期间。
CNB2005800139085A 2004-05-12 2005-05-11 燃料电池系统 Expired - Fee Related CN100547841C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004142139A JP4645937B2 (ja) 2004-05-12 2004-05-12 燃料電池システム
JP142139/2004 2004-05-12

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008100875563A Division CN101257125B (zh) 2004-05-12 2005-05-11 燃料电池系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1950966A CN1950966A (zh) 2007-04-18
CN100547841C true CN100547841C (zh) 2009-10-07

Family

ID=35320494

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008100875563A Expired - Fee Related CN101257125B (zh) 2004-05-12 2005-05-11 燃料电池系统
CNB2005800139085A Expired - Fee Related CN100547841C (zh) 2004-05-12 2005-05-11 燃料电池系统

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008100875563A Expired - Fee Related CN101257125B (zh) 2004-05-12 2005-05-11 燃料电池系统

Country Status (5)

Country Link
US (2) US20070231637A1 (zh)
JP (1) JP4645937B2 (zh)
CN (2) CN101257125B (zh)
DE (1) DE112005001063B4 (zh)
WO (1) WO2005109559A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102751518A (zh) * 2011-04-20 2012-10-24 本田技研工业株式会社 燃料电池系统以其控制方法

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5103930B2 (ja) * 2006-06-26 2012-12-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US7947403B2 (en) 2006-10-19 2011-05-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
JP5188084B2 (ja) * 2007-03-27 2013-04-24 ダイハツ工業株式会社 燃料電池システム
WO2009115104A1 (en) * 2008-03-20 2009-09-24 Daimler Ag Control method for controlling a fuel cell system and fuel cell system
JP5005661B2 (ja) * 2008-11-21 2012-08-22 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
US20110087389A1 (en) * 2009-10-09 2011-04-14 Gm Global Technology Operations, Inc. Standby mode for optimization of efficiency and durability of a fuel cell vehicle application
JP5395116B2 (ja) * 2011-05-24 2014-01-22 本田技研工業株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
CN102891329B (zh) * 2011-07-19 2014-09-17 同济大学 一种燃料电池系统空气端控制方法
TWI450438B (zh) * 2011-07-29 2014-08-21 Ind Tech Res Inst 液態燃料電池系統關機及自維護運作程序
JP5789162B2 (ja) * 2011-09-28 2015-10-07 京セラ株式会社 エネルギー管理システム、ガスメータ及びエネルギー管理装置
JP6016382B2 (ja) * 2012-03-05 2016-10-26 日本特殊陶業株式会社 燃料電池システム及びその運転停止方法
US9010133B2 (en) * 2012-06-20 2015-04-21 Whirlpool Corporation On-line energy consumption optimization adaptive to environmental condition
US10249893B2 (en) * 2017-04-26 2019-04-02 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell architectures, monitoring systems, and control logic for characterizing fluid flow in fuel cell stacks
JP6992420B2 (ja) * 2017-11-09 2022-02-04 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4435679A (en) * 1981-05-26 1984-03-06 General Electric Company Programmable signal amplitude control circuits
US6921597B2 (en) * 1998-09-14 2005-07-26 Questair Technologies Inc. Electrical current generation system
JP4590047B2 (ja) * 1999-08-13 2010-12-01 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP2003115317A (ja) * 2001-10-03 2003-04-18 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の発電停止方法
JP2003217631A (ja) * 2002-01-17 2003-07-31 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の制御装置
JP2004006166A (ja) * 2002-06-03 2004-01-08 Fuji Electric Holdings Co Ltd 固体高分子電解質形燃料電池とその運転方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102751518A (zh) * 2011-04-20 2012-10-24 本田技研工业株式会社 燃料电池系统以其控制方法
US9331347B2 (en) 2011-04-20 2016-05-03 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell system and control method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP4645937B2 (ja) 2011-03-09
US20130095404A1 (en) 2013-04-18
CN1950966A (zh) 2007-04-18
CN101257125B (zh) 2011-11-09
CN101257125A (zh) 2008-09-03
JP2005327492A (ja) 2005-11-24
DE112005001063B4 (de) 2023-08-17
WO2005109559A1 (ja) 2005-11-17
DE112005001063T5 (de) 2007-03-22
US20070231637A1 (en) 2007-10-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100547841C (zh) 燃料电池系统
US20060216555A1 (en) Fuel cell system and method for removing residual fuel gas
US7862942B2 (en) Strategies for mitigating cell degradation during start-up and shutdown with H2/N2 storage
CN101911357B (zh) 燃料电池系统
US11688869B2 (en) Method and control unit for conditioning a fuel cell stack
US8895200B2 (en) Fuel cell system
US20100310955A1 (en) Combustion of hydrogen in fuel cell cathode upon startup
CN101120477A (zh) 燃料电池系统及其运转方法
US10826092B2 (en) Method for operating fuel cell vehicle
US20180006318A1 (en) Fuel cell system
CN101904037A (zh) 燃料电池系统及燃料电池的老化判断方法
US7943260B2 (en) System and method for recirculating unused fuel in fuel cell application
CN104025372B (zh) 控制混合系统操作的方法
RU2692475C1 (ru) Система топливных элементов и способ управления ею
CN101416339B (zh) 燃料电池系统及其控制方法
Fan et al. Prototype design of an extended range electric sightseeing bus with an air-cooled proton exchange membrane fuel cell stack based on a voltage control logic of hydrogen purging
CN110010929B (zh) 一种怠速系统及其控制方法
US11588162B2 (en) Method of detecting degradation of membrane electrode assembly of fuel cell
JP7402077B2 (ja) 燃料電池システムにおける電解質膜・電極構造体の劣化検出方法
JP5001540B2 (ja) 燃料電池システムおよびその運転方法
JPH07183039A (ja) 燃料電池プラントの発電停止方法
US11489183B2 (en) Fuel cell system and control method thereof
TWI829073B (zh) 運用氮氣之燃料電池系統
KR20240010988A (ko) 연료전지 차량의 연료전지 제어방법 및 그 제어시스템
CN116247233A (zh) 燃料电池车辆及其控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20091007

Termination date: 20140511