CN101669242B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

测量每个单元电池(2)的IR阻抗(步骤S14)，并且基于该IR阻抗和负载电流设定作为阈值电压的最高单元电池电压(步骤S18)。该最高单元电池电压的设定使用与当燃料气体被不充足地供给时的单元电池的电流-电压特性近似的图数据。在这种情况下，基于从该图数据获得的对应于负载电流的电压以及由IR阻抗和负载电流计算出的IR损失来确定该最高单元电池电压。将此最高单元电池电压与测量出的单元电池电压相比较(步骤S22)。如果单元电池电压低于该最高单元电池电压，则停止或抑制燃料电池的发电(步骤S24)。

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
常规地，燃料电池由串联连接的多个单元电池形成。每个单元电池由被供给到阳极的含氢的燃料气体和被供给到阴极的含氧的氧化剂气体发电。每个单元电池所需的反应气体(即，燃料气体或氧化剂气体)的供给量取决于需要生成的电流(即，负载电流)。因此，在燃料电池系统中，根据负载电流控制反应气体的供给量以免使反应气体供给量不充足。
但是，出于一些原因，在一个或多个单元电池中的反应气体的供给量有时可能相对于所需量不足。这种情况的示例包括单元电池中的气体通路被由于发电而生成的水阻塞的情况，或者水在气体通路中冻结且因此阻塞气体通路的情况。如果反应气体的供给量相对于所需的量变得不足，仅通过反应气体的发电反应(即，正常发电反应)不能实现所需的电流流动。但是，由于单元电池串联连接，所以，即使是反应气体的供给不足的单元电池也需要造成与其它正常单元电池相同电流量的流动。因此，当强制电流在反应气体的供给不足的单元电池中流动时，可能发生以下的异常化学反应。
尽管缺乏氢，燃料气体的供给不足的单元电池仍需要从阳极提取电子。结果，发生水的氧化反应(2H2O→O2+4H++4e-)、碳的氧化反应(C+2H2O→CO2+4H++4e-)和Pt的溶出反应/洗脱反应(Pt→Pt2++2e-)以及电解质成分的氧化反应等等。另一方面，尽管缺乏氧，氧化剂气体的供给不足的单元电池仍需要在阴极接收电子。结果，出现这样的现象，即质子从阳极侧通过电解质膜移动到阴极侧，并且与电子重新结合。即，发生所谓的“氢泵现象”。
特别地，由于燃料气体的供给短缺导致的异常化学反应造成MEA(膜电极组件)的损坏和劣化。因此，在燃料电池系统中，重要的是在早期检测燃料气体的供给短缺。这种检测可通过测量每个单元电池的电压来实现。燃料气体的供给不足的单元电池的阳极电位响应于异常化学反应而增加，并且变得高于阴极电位。即，出现所谓的“逆电位现象”。因此，经由每个单元电池的电压(即，逆电位)监测，可确定燃料气体的供给是否不足。
根据现有技术的燃料电池系统，如果任何单元电池的电池电压降到预先设定的阈值电压之下，则执行预定电压恢复处理；例如，将负载电流设定为较低的值，或者临时停止发电。例如，日本专利申请公报第2006-1471178号(JP-A-2006-147178)、日本专利申请公报第11-67254号(JP-A-11-67254)、日本专利申请公报第2004-30979号(JP-A-2004-30979)、日本专利申请公报第2006-73501号(JP-A-2006-73501)、日本专利申请公报第2006-49259号(JP-A-2006-49259)以及日本专利申请公报第2004-241236号(JP-A-2004-241236)描述了与燃料电池的逆电位有关的技术。
当燃料电池在低温下起动、特别地在低于凝固点的温度下起动时，气体通路可能被冰或水阻塞，从而燃料气体可能被不充足地供给到燃料电池。为了除去阻塞气体通路的冰或水，可利用燃料电池的自发热。为了增加燃料电池的自发热，有效地使氧化剂气体的供给量处于短缺状态。从而，通过供给少于从负载电流得出的所需的氧化剂气体量的氧化剂气体，可增加阴极的过电压，从而可加速燃料电池的自发热。
当氧化剂气体被不充足地供给时，阴极电位从稳定工作电位显著降低。此外，MEA的阻抗在低温下变得较大，从而由于MEA的阻抗造成的压力损失也变得明显。结果，如同燃料气体的供给短缺的情况，电池电压有时会变为负的。但是，不同于由于燃料气体的供给短缺造成的阳极电位的增加，由于氧化剂气体的供给短缺造成的阴极电位的减小是容许的。如果这不被容许，则燃料电池的预热不能被加速，从而在低温下的燃料电池的可起动性将变差。
但是，在实践中仅可测量电池电压，从而除非提供基准电极，否则实际上不能测量阳极电位和阴极电位中的每一个。因此，根据现有技术的燃料电池系统，当为了在低温起动时预热燃料电池系统而被迫不充足地供给氧化剂气体时，不能确定燃料电池的逆电位是否是由阳极电位的增加导致的。因此，用于关于是否开始上述电压恢复处理的判定的阈值电压不得不被设定为较高的值，以便实现对膜电极组件的优先保护。
发明内容
本发明提供了一种有效地防止由于燃料气体的供给短缺造成的MEA劣化而无需不必要地停止或抑制发电的燃料电池系统。
除非燃料电池的负电压由阳极电位的升高造成，否则单元电池的负电压可被允许。因此，本发明的燃料电池系统包括用于区别单元电池的负电压的起因的装置。
根据本发明的第一方面的燃料电池系统包括：单元电池，所述单元电池通过被供给到所述单元电池的阳极的燃料气体与被供给到所述单元电池的阴极的氧化剂气体之间的电化学反应发电；燃料电池，所述燃料电池由所述单元电池形成；电压测量装置，所述电压测量装置用于测量所述单元电池的电压；发电控制装置，所述发电控制装置用于在所述单元电池的所述电压低于预定阈值电压时抑制所述燃料电池的发电；IR阻抗测量装置，所述IR阻抗测量装置用于测量所述单元电池的IR阻抗；以及阈值电压设定装置，所述阈值电压设定装置用于基于所述IR阻抗和负载电流设定所述预定阈值电压。
所述阈值电压设定装置可存储与当所述燃料气体被不充足地供给到所述阳极时的电流-电压特性近似的图数据，并且可基于从所述图数据获得的对应于所述负载电流的所述电压以及由所述IR阻抗和所述负载电流计算出的IR损失来设定所述预定阈值电压。
所述燃料电池系统还可包括用于测量所述单元电池的温度的电池温度测量装置，所述阈值电压设定装置可存储与当所述燃料气体被不充足地供给到所述阳极时在多个电池温度下的电流-电压特性近似的图数据，并且可基于从所述图数据获得的对应于所述负载电流和所述电池温度的所述电压以及由所述IR阻抗和所述负载电流计算出的IR损失来设定所述预定阈值电压。
所述燃料电池系统还可包括氧化剂气体供给控制装置，所述氧化剂气体供给控制装置用于相对于从所述负载电流得出的所述氧化剂气体的所需量向所述燃料电池不充足地供给所述氧化剂气体。
根据本发明的第二方面的燃料电池系统包括：单元电池，所述单元电池通过被供给到所述单元电池的阳极的燃料气体与被供给到所述单元电池的阴极的氧化剂气体之间的电化学反应发电；燃料电池，所述燃料电池由所述单元电池形成；电压测量装置，所述电压测量装置用于测量所述单元电池的电压；发电控制装置，所述发电控制装置用于在所述单元电池的所述电压低于预定阈值电压时抑制所述燃料电池的发电；电池温度测量装置，所述电池温度测量装置用于测量所述单元电池的温度；以及阈值电压设定装置，所述阈值电压设定装置用于基于测量出的所述单元电池的温度设定所述预定阈值电压。
所述燃料电池系统还可包括氧化剂气体供给控制装置，所述氧化剂气体供给控制装置用于相对于从负载电流得出的所述氧化剂气体的所需量向所述燃料电池不充足地供给所述氧化剂气体。
所述阈值电压设定装置可存储预测所述单元电池的IR阻抗的温度依存性的图数据，并且可基于由从所述图数据获得的对应于所述电池温度的所述IR阻抗和所述负载电流计算出的IR损失来设定所述预定阈值电压。
根据本发明的第三方面的燃料电池系统包括：单元电池，所述单元电池通过被供给到所述单元电池的阳极的燃料气体与被供给到所述单元电池的阴极的氧化剂气体之间的电化学反应发电；燃料电池，所述燃料电池由所述单元电池形成；氧化剂气体供给控制装置，所述氧化剂气体供给控制装置用于在第一供给模式和第二供给模式之间切换，所述第一供给模式根据从负载电流得出的所述氧化剂气体的所需量向所述燃料电池充足地供给所述氧化剂气体，所述第二供给模式根据所述氧化剂气体的所述所需量向所述燃料电池不充足地供给所述氧化剂气体；电压测量装置，所述电压测量装置用于测量所述单元电池的电压；发电控制装置，所述发电控制装置用于在所述单元电池的所述电压低于预定阈值电压时抑制所述燃料电池的发电；以及阈值电压设定装置，所述阈值电压设定装置用于根据所述氧化剂气体的所述供给模式设定所述预定阈值电压。
根据本发明的第三方面的燃料电池系统包括：单元电池，所述单元电池通过被供给到所述单元电池的阳极的燃料气体与被供给到所述单元电池的阴极的氧化剂气体之间的电化学反应发电；燃料电池，所述燃料电池由所述单元电池形成；电压测量装置，所述电压测量装置用于测量所述单元电池的电压；单元电池电压控制装置，所述单元电池电压控制装置用于在所述单元电池的所述电压降至预定阈值电压时抑制所述单元电池的电压降低；氧化剂气体供给装置，所述氧化剂气体供给装置用于向所述燃料电池供给所述氧化剂气体；氧化剂气体供给控制装置，所述氧化剂气体供给控制装置用于在根据所述燃料电池的第一发电效率的所述氧化剂气体的供给量与根据低于所述第一发电效率的第二发电效率的所述氧化剂气体的供给量之间切换；以及阈值电压设定装置，所述阈值电压设定装置用于根据所述燃料电池的所述发电效率设定所述预定阈值电压。当所述燃料电池以所述第二发电效率发电时，所述单元电池电压控制装置使用比以所述第一发电效率发电时的阈值电压低的阈值电压来抑制所述单元电池的所述电压降低。
所述氧化剂气体供给控制装置可在根据所述燃料电池的第一热值的所述氧化剂气体的供给量与根据大于所述第一热值的第二热值的所述氧化剂气体的供给量之间切换；以及当所述燃料电池以所述第二热值发电时，所述单元电池电压控制装置可使用比以所述第一热值发电时的阈值电压低的阈值电压来抑制所述单元电池的所述电压的降低。
当所述单元电池的所述电压降至所述预定阈值电压时，所述单元电池电压控制装置可减小负载电流。
所述燃料电池可以是通过串联连接多个所述单元电池而形成的。
附图说明
从下文参照附图对优选实施例的描述中，本发明的前述和其它特征和优点将变得明显，在附图中类似的标号用于表示类似的元件，并且其中
图1是示出开路电压与正常发电的条件之间的比较中的单元电池的电极电位的图示；
图2是示出正常发电与缺乏阴极气体的条件之间的比较中的单元电池的电极电位的图示；
图3是示出正常发电与缺乏阳极气体的条件之间的比较中的单元电池的电极电位的图示；
图4是根据本发明的一个实施例的燃料电池组的示意性构造图；
图5是示出在本发明的实施例1中执行的燃料电池的发电的控制程序的流程图；
图6是示出当单元电池缺乏阳极气体时图5的控制程序中使用的I-V特性图的图示；
图7是示出在本发明的实施例1的变型中执行的燃料电池的发电的另一控制程序的流程图；
图8是示出在本发明的实施例2中执行的燃料电池的发电的另一控制程序的流程图；以及
图9是示出用于图8的控制程序的容许负电位的温度图的图示。
具体实施方式
在描述本发明的实施例之前，将参照图1、2和3说明逆电位。
图1是示出开路电压(下文被简称为“OCV”)的条件与正常发电的条件之间的比较中的单元电池的电极电位的图示。在图1中，阳极电位由“AN”表示，而阴极电位由“CA”表示。这里，假设在OCV时阳极电位是0V，并且阴极电位是1V。如图1所示，在正常发电期间，即当向单元电池施加负载时，阳极电位略微升高，并且阴极电位略微降低。此外，由于每个单元电池的IR阻抗(即，每个单元电池的内部阻抗)而导致发生IR损失(即，单元电池电压损失)，从而表观阴极电位(由图1中的虚线所示)进一步降低。表观阴极电位与阳极电位之间的电位差是在发电时的单元电池电压。顺便提及，在发电时单元电池电压、阴极电位、阳极电位和IR损失之间的关系可由下式(1)表示。
单元电池电压＝阴极电位-阳极电位-IR损失...(1)
在发电时，当单元电池缺乏阴极气体时(即，当氧化剂气体未被充足地供给时)，每个单元电池的电极电位变为如图2所示。图2是示出正常发电的条件与缺乏阴极气体的条件之间的比较中的电极电位的图示。在缺乏阴极气体时，阴极电位下降。结果，阴极电位与阳极电位之间的差减小，并且如图2所示，阴极电位有时可变得低于阳极电位。包括IR损失的表观阴极电位(如图2中的虚线所示)也变得更低，从而单元电池电压指示负值。
另一方面，在发电时，当单元电池缺乏阳极气体时(即，当燃料气体被不充足地供给时)，每个单元电池的电极电位变得如图3所示。图3是示出正常发电的条件与缺乏阳极气体的条件之间的比较中的电极电位的图示。如图3所示，在缺乏阳极气体时，阳极电位显著升高，变得高于阴极电位。也就是说，如同缺乏阴极气体时的情况一样，出现逆电位。在电流扫描(sweep)期间，发生IR损失，从而表观阴极电位(图3中的虚线示出)下降。结果，单元电池电压指示大的负值。
因此，在缺乏阳极气体的情况和缺乏阴极气体的情况这两者中，单元电池电压可指示负值。但是，由于缺乏阳极气体而造成的逆电位现象可能是一个问题。当阳极电位升高超过容许值时，发生导致MEA劣化的化学反应，例如碳的氧化反应和Pt的溶出反应。另一方面，尽管在缺乏阴极气体的情况下可发生“氢泵现象”，但是这存在当燃料电池在低温下起动时通过有效地利用阴极气体的缺乏来加速每个单元电池的自发热的优点。
因此，在本发明中，仅将由于阳极气体的缺乏导致的负电池电压看作不允许的逆电位，而由于阴极气体的缺乏导致的负电池电压是允许的。也就是说，在出现逆电位现象的情况下，只有当推定逆电位是由阳极气体的缺乏造成时才执行预定电压恢复处理。这样，可防止由于阳极气体的缺乏造成的MEA劣化，而无需不必要地执行电压恢复处理。
接下来，将描述确定负电池电压的起因的方法。如果每个单元电池具有基准电极以测量阳极电位和阴极电位，则容易确定负电池电压是否是由阳极气体的缺乏造成的。但是，在包括许多单元电池的燃料电池中，实际上难以为每个单元电池提供基准电池并测量阳极电位和阴极电位。另一方面，可容易地测量单元电池电压，即表观阴极电位和阳极电位之间的差。下文的两种确定方法中的每一种方法都是可基于实际可测量的单元电池电压确定负电池电压的起因的方法。
第一确定方法是这样一种方法，其中在缺乏阳极气体时计算每个单元电池的最高单元电池电压，并且将之与测量的单元电池电压相比较。如图3所示，在阳极气体缺乏时的单元电池电压根据IR损失改变。但是，当IR损失最小时，即当聚合物电解质燃料电池的电解质膜处于最潮湿的条件时，获得最高的单元电池电压。因此，如果测量的单元电池电压大于在阳极气体缺乏时的最高单元电池电压，则可确定负电池电压不是由阳极气体的缺乏造成的。
顺便提及，前述最高单元电池电压可使用以下方法获得。当被迫不充足地供给阳极气体并且执行单元电池(测试用途的单元电池)的发电时，测量对应于那时(then)的负载电流的电位差中的改变。然后，根据测量的在阳极气体缺乏时的电流-电压(I-V)特性，制备图数据，并且将该图数据存储在燃料电池系统的控制装置中。接下来，测量燃料电池的每个单元电池的IR阻抗，并且根据测量的IR阻抗和在发电时的负载电流计算IR损失。通过使用IR损失校正图数据的电压值，对于每个单元电池，可获得在阳极气体缺乏时的最高单元电池电压。
第二确定方法是这样的确定方法，其中推定在已发生仅缺乏阴极气体时的单元电池电压，并且将该单元电池电压与测量的单元电池电压相比较。如图2所示，在缺乏阴极气体时，阴极电位和阳极电位之间的差非常小。因此，除非阳极电位由于缺乏阳极气体而升高，否则在阴极气体缺乏时的单元电池电压通常变得等于由IR损失造成的负电池电压。因此，如果测量的单元电池电压变得低于由IR损失造成的负电池电压，则可确定发生由于阳极气体的缺乏造成的阳极电位的升高。
顺便提及，计算IR损失所必需的IR阻抗也可使用测量设施测量。可选择地，由于IR阻抗非常依存于MEA的温度(与MEA的温度非常相关)，所以还可根据单元电池的温度推定IR阻抗。如果预测IR阻抗的温度依存性，制备图数据，并且将该图数据存储在燃料电池系统的控制设备中，则可使用来自温度计的测量的温度获得IR阻抗。
在根据以下实施例1的燃料电池系统中，使用前述第一确定方法控制燃料电池的发电。在根据以下本发明的实施例2的燃料电池系统中，使用前述第二确定方法控制燃料电池系统的发电。接下来将参照附图描述实施例的细节。
将参照图4-7描述本发明的实施例1。
下文将描述图4中所示的根据本发明的实施例1的燃料电池系统。尽管图4示出可应用本发明的燃料电池系统的构造的示例，但是本发明还可应用于具有其它构造的燃料电池系统。例如，尽管图4示出所谓的“阳极气体再循环系统”，本发明还可应用于其中阳极气体没有被再循环的所谓的“阳极盲端(dead end)系统”。
如图4所示，燃料电池系统具有作为电力供给源的燃料电池4。燃料电池4由串联连接的多个单元电池2构成。每个单元电池2由被供给到阳极的含氢的燃料气体(下文被称为“阳极气体”)和被供给到阴极的含氧的氧化剂气体(下文被称为“阴极气体”)发电。
用于供给阴极气体的阴极气体通路10连接到燃料电池4的阴极入口。此外，用于从阴极排出废气的阴极废气通路12连接到燃料电池4的阴极出口。此燃料电池系统使用空气作为阴极气体。空气压缩机14设置在阴极气体通路10的入口。通过空气压缩机14，从大气中吸入空气，并且将空气泵送到阴极气体通路10。阴极废气通路12具有第一压力调节阀16。
用于供给阳极气体的阳极气体通路20连接到燃料电池4的阳极入口。此外，将来自阳极的废气(即，阳极废气)返回阳极气体通路20的阳极废气通路22连接到燃料电池4的阳极出口。在此燃料电池系统中，从诸如氢罐、重整器等的阳极气体供给器24向阳极气体通路20供给阳极气体。第二压力调节阀26设置在阳极气体通路20上。用于使阳极废气再循环的泵28设置在阳极废气通路22上。
在此燃料电池系统中，通过控制单元30控制燃料电池4的发电。空气压缩机14、第一压力调节阀16、第二压力调节阀26、泵28等的致动器连接到控制单元30的输出侧。另一方面，用于测量每个单元电池2的单元电池电压的电压表32、用于测量每个单元电池2的IR阻抗的阻抗计34、以及用于测量每个单元电池2的温度的温度计36连接到控制单元30的输入侧。控制单元30基于来自测量设施32、34、36的测量值确定燃料电池4的发电的状态，并且基于确定结果调整每个致动器的操作范围(作动量)。
在此实施例1中，控制单元30根据图5中所示的程序控制燃料电池4的发电。当燃料电池系统起动时，执行图5中所示的程序。
在图5中所示的程序的步骤S10中，使用温度计36测量每个单元电池2的温度。随后，在步骤S12中，为每个单元电池2选择与该单元电池的测量的温度相对应的I-V特性图。I-V特性图指的是如在第一确定方法中描述的“通过基于阳极气体缺乏时的I-V特性近似获得的图数据”。在实施例1中，在各种温度下制备I-V特性图。这是因为在阳极气体缺乏时的单元电池2的I-V特性根据单元电池温度改变。
在步骤S14中，使用阻抗计34测量每个单元电池2的IR阻抗。然后，在步骤S16中，使用IR损失的量校正I-V特性图中的电压。这被称为“I-V特性的IR校正”。每个单元电池2的IR损失可根据负载电流(电流密度)和测量出的IR阻抗计算出。图6是示出在IR校正后的I-V特性，即在阳极气体缺乏时的IR校正后的电压和电流密度之间的关系。
在步骤S18中，使用IR校正后的I-V特性图确定每个单元电池2的最高电池电压。具体来说，根据如图6所示的图，获得在发电时对应于电流密度I0的IR校正后的电压V0，并且将该IR校正后的电压V0看作最高的单元电池电压。如果测量出的单元电池电压高于计算出的最高单元电池电压，则可确定不存在单元电池2中缺乏阳极气体的可能性。另一方面，如果测量出的单元电池电压小于计算出的最高单元电池电压，则可确定存在单元电池2中缺乏阳极气体的可能性。由于在反映IR损失的情况下计算最高单元电池电压，则单元电池电压可由于IR损失的增加而降低。但是，这不会与由于阳极电位的升高导致的电池电压降低相混淆。
随后，在步骤S20中，开始燃料电池4的发电。此后，在步骤S22中，使用电压表32测量每个单元电池2的电池电压，并且判定测量出的单元电池电压是否低于步骤S18的最高单元电池电压。步骤S22中的判定针对每个单元电池2执行。
如果在步骤S22中单元电池2中任一个的单元电池电压低于最高单元电池电压(即，S22中“是”)，则选择步骤S24的处理。在步骤S24中，执行预定电压恢复处理。电压恢复处理是用于通过降低燃料电池4上的负载来恢复电压的处理。该处理的示例包括：i)通过改变空气压缩机的转速来降低空气理论配比；ii)通过改变泵28的转速升高阳极气体的再循环速率；iii)通过增加由二次电池提供的电力降低燃料电池4的发电。电压恢复处理被一直执行，直至在全部单元电池2中单元电池电压变得高于该最高单元电池电压。
如果在步骤S22中在全部单元电池2中单元电池电压高于该最高单元电池电压(即，S22中的“否”)，选择步骤S26的处理。在步骤S26中，继续进行正常的发电。
根据上述程序，与电压恢复处理有关的阈值电压(即，最高单元电池电压)可被设定为这样的范围中的最小值，即该范围使得阳极电位不超过容许值。通过以此方式严格设定该阈值电压，可防止电压恢复处理的不必要的执行使得发电停止或受到抑制。
此外，在燃料电池4的低温起动时前述程序可与预热发电相结合地执行。预热发电是一种这样的操作方法，即通过相对于从负载电流得出的阴极气体的所需供给量向燃料电池4不充足地供给阴极气体，也即通过主动造成阴极气体缺乏，增加阴极的过电压以加速燃料电池4的自发热。通过使阴极气体缺乏，阴极电位下降。但是，可通过执行前述程序来防止阴极电位的下降与阳极电位的上升之间的混淆。
顺便提及，在实施例1中，执行步骤S22和S24的处理的控制单元30可被看作本发明中的“发电控制装置”。此外，执行步骤S10、S12、S14、S16和S18的控制单元30可被看作本发明中的“阈值电压设定装置”。此外，执行上述预热发电的控制单元30可被看作本发明中的“氧化剂气体供给控制装置”。
在实施例1的变型中，可用由图7的流程图所示的程序替换由图5的流程图示出的程序。顺便提及，图7中所示的程序包括与图5中所示的程序的那些处理相类似的处理。在图7中这些类似的处理被赋予相同的步骤编号。
在图7中所示的程序中，如果满足步骤S22的条件，则执行步骤S30中的判定。在步骤S22中，使用电压表32测量每个单元电池2的单元电池电压，并且判定测量出的单元电池电压是否低于步骤S18的最高单元电池电压。如果单元电池2中任一个的单元电池电压低于最高单元电池电压，则执行步骤S30中的判定。
在步骤S30中，测量在单元电池电压低于最高单元电池电压的单元电池2的单元电池电压变为负之后经过的时间。然后，判定该经过的时间是否已超过预定容许时间α。基于燃料电池系统的使用寿命年限、或者安装燃料电池系统的车辆的使用寿命年限，设定该容许时间α。
如果在步骤S30中，在单元电池电压变为负后经过的时间已超过容许时间α，则选择步骤S24的处理。在步骤S24中，执行预定电压恢复处理。另一方面，如果在单元电池电压变为负后经过的时间还未达到容许时间α，则即使单元电池电压低于该最高单元电池电压，仍选择步骤S26的处理。在步骤S26，继续进行正常的发电。
即使单元电池电压降到最高单元电池电压之下，这并不一定意味着立即发生MEA的这种劣化，并且发电马上变得不可能。关于此，根据图7中所示的程序，即使单元电池电压变为负，仍在一段时间中允许单元电池电压的负状况，从而正常发电可持续对应的时间段。
接下来，将参照图4、8和9描述本发明的实施例2。类似于实施例1，可基本上参照图4描述本发明的实施例2的燃料电池系统。即，根据本发明的实施例2的燃料电池系统具有从图4所示的构造中省去阻抗计34的构造。
在实施例2中，控制单元30根据图8的流程图所示的程序控制燃料电池4的发电。当燃料电池系统起动时执行图8中所示的程序。
在图8所示的程序的步骤S100中，使用温度计36测量每个单元电池2的温度。随后，在步骤S102中，对于每个单元电池2选择根据被测量的单元电池温度的容许负电池电压图(映射图)。图9中示出容许负电池电压图的一个示例。如图9所示，该容许负电池电压图表示在各种温度下的对应于负载电流(电流密度)的容许负电池电压。此图中的容许单元电池电压对应于基于IR阻抗和电流密度计算的IR损失。如上文结合第二确定方法描述的，通过IR阻抗的温度依存性的预测获得的图数据被预先存储在控制单元30中。控制单元30从该图数据中读取依存于单元电池温度的IR阻抗，并且基于该IR阻抗和电流密度计算IR损失(容许负电池电压)。
随后，在步骤S104中，使用容许负电池电压图确定每个单元电池2的最高电池电压。具体来说，根据如图9所示的图，获得在发电时对应于电流密度I0的容许负电池电压V0，并且将其看作最高电池电压。如果单元电池电压大于该最高单元电池电压，可确定不存在单元电池2中缺乏阳极气体的可能性。另一方面，如果单元电池电压小于该最高单元电池电压，则可确定存在单元电池2中缺乏阳极气体的可能性。由于在反映IR损失的情况下计算最高单元电池电压，则单元电池电压可由于IR损失的增加而降低。但是，这不会与由于阳极电位的升高导致的电池电压降低相混淆。
随后，在步骤S106中，开始燃料电池4的预热发电。在预热发电中，通过相对于从负载电流得出的阴极气体的所需供给量向燃料电池4不充足地供给阴极气体，即通过主动造成阴极气体缺乏，增加阴极的过电压以加速燃料电池4的自发热。
然后，在步骤S108中，使用电压表32测量每个单元电池2的单元电池电压，并且判定测量出的电池电压是否低于步骤S104中的最高单元电池电压。对于每个单元电池2执行步骤S108的判定。
如果在步骤S108中单元电池2中任一个的单元电池电压低于最高单元电池电压，则选择步骤S110的处理。在步骤S110中，执行预定电压恢复处理。电压恢复处理是与结合实施例1描述的处理相同的处理，在此省略对其的详细描述。电压恢复处理被一直执行，直至在全部单元电池2中单元电池电压变得高于该最高单元电池电压。
如果在步骤S108中在全部单元电池2中单元电池电压已超过该最高单元电池电压，选择步骤S112的处理。在步骤S112中，继续进行预热发电。
根据上述程序，与电压恢复处理有关的阈值电压(即，最高单元电池电压)可在执行燃料电池4的预热发电时被严格地设定。因此，可防止电压恢复处理的不必要的执行使得发电停止或受到抑制。由于通过利用自发热来加速预热，可提高低温时的稳定性。
顺便提及，在实施例2中，执行步骤S108和S110的处理的控制单元30可被看作本发明中的“发电控制装置”。此外，执行步骤S100、S102、S104的控制单元30可被看作本发明中的“阈值电压设定装置”。此外，执行步骤S106的控制单元30可被看作本发明中的“氧化剂气体供给控制装置”。
尽管已经参照本发明的示例实施例描述了本发明，但是应理解，本发明并不局限于所述的实施例或构造。相反，本发明将涵盖各种变型和等同布置。另外，尽管在各种组合和构型中示出示例实施例的各种元件，但是包括更多的、更少的或仅一个单个元件的其它组合和构型也在本发明的精神和范围内。
例如，尽管在实施例1中，使用阻抗计测量每个单元电池的IR阻抗，但是作为替代，可从另一物理量间接测量IR阻抗。例如，可基于单元电池的温度的测量值和MEA的湿度计算IR阻抗。此外，尽管在实施例1和2中，对于每个单元电池执行单元电池温度的测量，但是可在代表性单元电池上测量单元电池温度，并且将该测量值用于其它单元电池。
此外，在实施例2中的发电控制中，可采用与实施例1的发电控制中的变型相同的变型。即，即使单元电池电压变得低于最高单元电池电压，也可不立即执行电压恢复处理，而是可在自单元电池电压变为负所经过的时间超过容许时间a之后执行电压恢复处理。
如图2所示，在缺乏阴极气体时，与在正常发电期间出现的电位相比，阴极电位被限制为非常低的电位。因此，在利用阴极气体的缺乏的预热发电模式期间，阴极(电位)的波动对单元电池电压的影响可减小，并且阈值电压(最高单元电池电压)可相应地更严格地设定。具体来说，尽管在正常发电模式期间，在考虑了阴极电位的波动的情况下阈值电压被设定为较高(正电压)，但是在预热发电模式期间的阈值电压可被设定为负电压。如果在正常发电模式和预热发电模式期间切换阈值电压的设定，则可防止至少在预热发电模式期间不必要地停止或抑制发电，而不会增大由阳极气体的缺乏造成的MEA劣化的风险。
顺便提及，可在正常发电模式和预热发电模式之间单独控制燃料电池4的阴极气体的供给。控制方法可以是流量控制，或者还可是压力控制。当相对于从负载电流得出的阴极气体的所需供给量(更具体地说，所需的氧摩尔量)充足地供给阴极气体时，执行正常发电。当相对于从负载电流得出的所需供给量不充足地供给阴极气体时，执行预热发电。以此方式控制阴极气体的供给的控制单元30可被看作本发明中的“氧化剂气体供给控制装置”。此外，根据发电模式切换阈值电压的设定的控制单元30可被看作本发明中的“阈值电压设定装置”。
顺便提及，在预热发电模式期间的燃料电池4的发电效率(即，第二发电效率)低于在正常发电模式期间的发电效率(即，第一发电效率)。作为本发明的实施例3，当单元电池2的电压降至预定阈值电压时，控制单元30抑制单元电池电压的降低(即，减小负载电流)。另外，控制单元30基于燃料电池的发电效率控制氧化剂气体的供给，并且根据发电效率切换预定阈值电压的设定。即，当燃料电池4以第二发电效率执行发电时，控制电压30设定比用于第一发电效率的阈值电压低的阈值电压，并且使用该较低的阈值电压抑制单元电池电压的降低。
另一方面，在预热发电模式期间的燃料电池4的热值(即，第二热值)高于在正常发电模式期间的热值(即，第一热值)。因此，控制单元30可基于燃料电池的热值控制氧化剂气体的供给，并且当燃料电池4以第二热值执行发电时，使用比以第一热值发电时的阈值电压低的阈值电压来抑制单元电池的电压的降低。

Claims (11)

1.一种燃料电池系统，包括：
单元电池(2)，所述单元电池通过被供给到所述单元电池的阳极的燃料气体与被供给到所述单元电池的阴极的氧化剂气体之间的电化学反应发电；
燃料电池(4)，所述燃料电池由所述单元电池形成；
电压测量装置(32)，所述电压测量装置用于测量所述单元电池的电压；
发电控制装置(30)，所述发电控制装置用于在所述单元电池的所述电压低于预定阈值电压时抑制所述燃料电池的发电；
内部阻抗测量装置(34)，所述内部阻抗测量装置用于测量所述单元电池的内部阻抗；以及
阈值电压设定装置(30)，所述阈值电压设定装置用于基于所述内部阻抗和所述单元电池的负载电流设定所述预定阈值电压，
其中，所述阈值电压设定装置存储根据当所述燃料气体被不充足地供给到所述阳极时的电流-电压特性制备的图数据，并且基于从所述图数据获得的对应于所述负载电流的所述电压以及由所述内部阻抗和所述负载电流计算出的IR损失来设定所述预定阈值电压。
2.一种燃料电池系统，包括：
单元电池(2)，所述单元电池通过被供给到所述单元电池的阳极的燃料气体与被供给到所述单元电池的阴极的氧化剂气体之间的电化学反应发电；
燃料电池(4)，所述燃料电池由所述单元电池形成；
电压测量装置(32)，所述电压测量装置用于测量所述单元电池的电压；
发电控制装置(30)，所述发电控制装置用于在所述单元电池的所述电压低于预定阈值电压时抑制所述燃料电池的发电；
内部阻抗测量装置(34)，所述内部阻抗测量装置用于测量所述单元电池的内部阻抗；以及
阈值电压设定装置(30)，所述阈值电压设定装置用于基于所述内部阻抗和所述单元电池的负载电流设定所述预定阈值电压，
其中，所述阈值电压设定装置存储根据当所述燃料气体被不充足地供给到所述阳极时在多个电池温度下的电流-电压特性制备的图数据，并且基于从所述图数据获得的对应于所述负载电流和所述电池温度的所述电压以及由所述内部阻抗和所述负载电流计算出的IR损失来设定所述预定阈值电压。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括氧化剂气体供给控制装置(30)，所述氧化剂气体供给控制装置用于相对于从所述负载电流得出的所述氧化剂气体的所需量向所述燃料电池不充足地供给所述氧化剂气体。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，还包括氧化剂气体供给控制装置(30)，所述氧化剂气体供给控制装置用于相对于从所述负载电流得出的所述氧化剂气体的所需量向所述燃料电池不充足地供给所述氧化剂气体。
5.一种燃料电池系统，包括：
单元电池(2)，所述单元电池通过被供给到所述单元电池的阳极的燃料气体与被供给到所述单元电池的阴极的氧化剂气体之间的电化学反应发电；
燃料电池(4)，所述燃料电池由所述单元电池形成；
电压测量装置(32)，所述电压测量装置用于测量所述单元电池的电压；
发电控制装置(30)，所述发电控制装置用于在所述单元电池的所述电压低于预定阈值电压且在所述单元电池的所述电压变为负之后经过的时间已超过容许时间时抑制所述燃料电池的发电；
电池温度测量装置，所述电池温度测量装置用于测量所述单元电池的温度；
阈值电压设定装置(30)，所述阈值电压设定装置用于基于测量出的所述单元电池的温度设定所述预定阈值电压；以及
氧化剂气体供给控制装置(30)，所述氧化剂气体供给控制装置用于相对于从所述单元电池的负载电流得出的所述氧化剂气体的所需量向所述燃料电池不充足地供给所述氧化剂气体，
其中，所述阈值电压设定装置存储预测所述单元电池的内部阻抗的温度依存性的图数据，并且基于由从所述图数据获得的对应于所述电池温度的所述内部阻抗和所述负载电流计算出的IR损失来设定所述预定阈值电压。
6.一种燃料电池系统，包括：
单元电池(2)，所述单元电池通过被供给到所述单元电池的阳极的燃料气体与被供给到所述单元电池的阴极的氧化剂气体之间的电化学反应发电；
燃料电池(4)，所述燃料电池由所述单元电池形成；
氧化剂气体供给控制装置(30)，所述氧化剂气体供给控制装置用于在第一供给模式和第二供给模式之间切换，所述第一供给模式根据从所述单元电池的负载电流得出的所述氧化剂气体的所需量向所述燃料电池充足地供给所述氧化剂气体，所述第二供给模式根据所述氧化剂气体的所述所需量向所述燃料电池不充足地供给所述氧化剂气体；
电压测量装置(32)，所述电压测量装置用于测量所述单元电池的电压；
发电控制装置(30)，所述发电控制装置用于在所述单元电池的所述电压低于预定阈值电压时抑制所述燃料电池的发电；以及
阈值电压设定装置(30)，所述阈值电压设定装置用于根据所述氧化剂气体的所述供给模式设定所述预定阈值电压。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统，其中，当所述单元电池的所述电压变得低于所述预定阈值电压时，所述发电控制装置停止所述燃料电池的发电。
8.一种燃料电池系统，包括：
单元电池(2)，所述单元电池通过被供给到所述单元电池的阳极的燃料气体与被供给到所述单元电池的阴极的氧化剂气体之间的电化学反应发电；
燃料电池(4)，所述燃料电池由所述单元电池形成；
电压测量装置，所述电压测量装置用于测量所述单元电池的电压；
单元电池电压控制装置(30)，所述单元电池电压控制装置用于在所述单元电池的所述电压降至预定阈值电压时通过减小所述燃料电池的负载电流来抑制所述单元电池的电压的降低；
氧化剂气体供给装置，所述氧化剂气体供给装置用于向所述燃料电池供给所述氧化剂气体；
氧化剂气体供给控制装置(30)，所述氧化剂气体供给控制装置用于在根据所述燃料电池的第一发电效率的所述氧化剂气体的供给量与根据低于所述第一发电效率的第二发电效率的所述氧化剂气体的供给量之间切换；以及
阈值电压设定装置(30)，所述阈值电压设定装置用于根据所述燃料电池的发电效率设定所述预定阈值电压，
其中，用于所述第二发电效率的所述预定阈值电压低于用于所述第一发电效率的所述预定阈值电压。
9.一种燃料电池系统，包括：
单元电池(2)，所述单元电池通过被供给到所述单元电池的阳极的燃料气体与被供给到所述单元电池的阴极的氧化剂气体之间的电化学反应发电；
燃料电池(4)，所述燃料电池由所述单元电池形成；
电压测量装置，所述电压测量装置用于测量所述单元电池的电压；
单元电池电压控制装置(30)，所述单元电池电压控制装置用于在所述单元电池的所述电压降至预定阈值电压时通过减小所述燃料电池的负载电流来抑制所述单元电池的电压的降低；
氧化剂气体供给装置，所述氧化剂气体供给装置用于向所述燃料电池供给所述氧化剂气体；
氧化剂气体供给控制装置(30)，所述氧化剂气体供给控制装置在根据所述燃料电池的第一热值的所述氧化剂气体的供给量与根据大于所述第一热值的第二热值的所述氧化剂气体的供给量之间切换；以及
阈值电压设定装置(30)，所述阈值电压设定装置用于根据所述燃料电池的热值设定所述预定阈值电压，
其中，用于所述第二热值的所述阈值电压低于用于所述第一热值的所述阈值电压。
10.根据权利要求1至6和8至9中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池是通过串联连接多个所述单元电池而形成的。
11.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池是通过串联连接多个所述单元电池而形成的。
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