[發明專利]燃料電池系統及燃料電池系統中的起動時控制方法

有效

• 申請號: 200980160017.0
• 申請日: 2009-06-22
• 公開（公告）號: CN102804469A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 田中浩己;弓田修
• 申請（專利權）人: 豐田自動車株式會社
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 段承恩;楊光軍

技術領域

本發明涉及燃料電池系統及該系統中的起動時控制方法。本發明尤其涉及燃料電池堆疊體的溫度為水的凍結溫度以下(冰點以下)時的起動控制。

背景技術

在使燃料電池系統起動時，在檢測到燃料電池堆疊體的溫度為水的結冰溫度以下(冰點以下)時，將通常起動用的控制映射變更為冰點以下起動用控制映射，沿著該冰點以下起動用映射使燃料電池起動。此時，有實施使發電部位快速升溫、突破冰點以下溫度的快速預熱運轉來提高起動性的技術。

快速預熱運轉(低效率發電)是指供給到燃料電池的反應氣體比通常發電時少，且與通常發電相比電力損失大的發電，在縮小空氣化學計量比(エアストイキ比)的狀態下使燃料電池運轉。通過如此特意將電力損失設定得大，能夠對燃料電池快速預熱。另一方面，在通常發電時，為了抑制電力損失而得到高發電效率，在將空氣化學計量比設定為預定值以上的狀態使燃料電池運轉。

專利文獻1：日本特開2007-128698號公報

專利文獻2：日本特開2006-164736號公報

專利文獻3：日本特開2007-184202號公報

發明內容

在以往的冰點以下起動時的快速預熱運轉中，為了發電的均勻化，在使陽極氣體循環泵旋轉的狀態下進行起動。這是為了使燃料電池內的氫氣分布均勻而提高耐久性。

但是，若在陽極流路存在凍結堵塞的單電池，則在被堵塞的單電池，從流入的氣體逐漸消耗氫，因此最終堆積作為雜質的氮。因此，有時產生由于氫不足而單電池電壓降低、不能起動的現象。

為了防止該問題而提高起動性，只要使陽極氣體循環泵停止即可，但如上所述存在耐久性降低的問題。

本發明是鑒于上述情況而做出的，其目的在于提供一種能夠兼顧防止耐久性降低和防止起動性降低的燃料電池系統及該系統的起動時控制方法。

本發明的燃料電池系統，包括：接受燃料氣體及氧化氣體的供給、利用電化學反應發電的燃料電池堆疊體；將氧化氣體向所述燃料電池堆疊體供給的氧化氣體配管系統；和將燃料氣體向所述燃料電池堆疊體供給的燃料氣體配管系統，并且，所述燃料氣體配管系統包括：供給路，從燃料氣體供給源向所述燃料電池堆疊體供給的燃料氣體在該供給路中流動；用于將從所述燃料電池堆疊體排出的燃料廢氣返回所述供給路的循環路；和將所述循環路內的燃料廢氣向所述供給路加壓輸送的循環泵，在冰點以下起動時，能夠選擇性地實施一邊使所述循環泵旋轉一邊以比在常溫起動時低的空氣化學計量比進行發電的快速預熱運轉，其中，所述燃料電池系統包括：堵塞判定部，其在冰點以下起動時，判定在所述燃料電池堆疊體內的燃料氣體流路或所述燃料氣體配管系統是否因凍結而產生堵塞；和快速預熱運轉控制部，其在判定為產生了堵塞的情況下，在所述快速預熱運轉中使所述循環泵停止，并且根據堵塞的程度改變所述快速預熱運轉的結束條件。

如后所述，例如在燃料氣體配管系統堵塞時和/或燃料電池堆疊體的大部分單電池堵塞時，以及僅燃料電池堆疊體的少數單電池堵塞時，改變快速預熱運轉的結束條件，例如在基于燃料電池溫度進行結束判定時改變其判定基準值。由此，可以根據堵塞的程度將停止循環泵運轉的時間最優化，也可以抑制起動性的降低。

所述快速預熱運轉控制部可以在所述堵塞的程度越大時，繼續所述快速預熱運轉直到所述燃料電池堆疊體成為更高溫。

可以將所述堵塞的程度分為至少2階段的堵塞狀態進行判定。

所述堵塞狀態之一可以根據在對所述循環泵給予了旋轉指令的情況下該循環泵的旋轉是否正常進行判斷。例如在指示轉速與實際轉速的旋轉偏差、對指示轉速的設想功耗超過預定的基準值時，由于對于旋轉指令，實際轉速沒有按照指令上升，因此可以判斷為在燃料氣體配管系統、燃料電池堆疊體的大部分單電池產生了堵塞。

所述堵塞狀態的另一個可以根據在進行了所述快速預熱運轉的情況下所述燃料電池堆疊體的單電池電壓的降低進行判定。在預定時間內單電池電壓降低而低于預定值時，可以判斷為該單電池堵塞。或者，在單電池電壓的降低梯度大于預定時，也能夠判斷為該單電池堵塞。

這些情況，與上述的在燃料氣體配管系統、燃料電池堆疊體的大部分單電池發生堵塞的情況相比，堵塞的程度不顯著，因此可判斷為燃料電池堆疊體中的少數單電池堵塞，可以如上述那樣改變(例如緩和)快速預熱運轉的結束條件。