專利名稱：用于燃料電池的控制裝置和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于燃料電池的控制裝置和控制方法。
背景技術(shù)：
聚合物電解質(zhì)燃料電池具有電解質(zhì)膜；兩個催化劑層，其通過在其間夾入電解質(zhì)膜形成；以及一對擴散層，其形成在兩個催化劑層的外側(cè)。向燃料電池中的一個擴散層供應(yīng)包括氫的燃料氣體，而向另一個擴散層則供應(yīng)包括氧的氧化氣體。向其供應(yīng)燃料氣體的擴散層被稱作氫電極或陽極；向其供應(yīng)氧化氣體的擴散層被稱作空氣電極或陰極。
向氫電極供應(yīng)的氫擴散到催化劑層，并且在催化劑層中分開成質(zhì)子和電子。分開的質(zhì)子然后和水分子一起穿過電解質(zhì)膜，并且移動到正電極側(cè)的催化劑層。
相反地，向空氣電極供應(yīng)的氧擴散到空氣電極側(cè)的催化劑層，并且通過質(zhì)子、電子和氧之間的反應(yīng)生成水。通過將空氣電極和氫電極連接到外電路(亦即導線)，電子從氫電極移動到正空氣電極，并且在與上述質(zhì)子的反應(yīng)中被消耗。
為了增加燃料電池中的發(fā)電量，必須分別向空氣電極和氫電極供應(yīng)對應(yīng)于將要生成的電量的氧化氣體和燃料氣體的量。通常，空氣用作氧化氣體。
然而，空氣包括氧和氮。由于在空氣電極側(cè)的反應(yīng)中沒有使用氮，所以除了在空氣電極側(cè)的空間中累積之外，氮也擴散到擴散層和電解質(zhì)膜，并且最終傳到氫電極側(cè)。由于質(zhì)子、電子和氧之間的反應(yīng)而在空氣電極側(cè)生成的水也擴散到擴散層和電解質(zhì)膜，并且最終傳到氫電極側(cè)。因此，與燃料電池氫電極側(cè)的空間中的氫不同，隨著操作燃料電池的時間的延長，增加了諸如水蒸氣和氮之類的雜質(zhì)濃度。涉及燃料電池控制裝置的專利文件包括日本專利公開公布號2002-353837、日本專利公開公布號7-169488、日本專利公開公布號2003-331889和日本專利公開公布號9-259913。
氫電極側(cè)的除了氫之外的雜質(zhì)濃度的增加阻止了氫濃度的增加，其又阻止了發(fā)電量的增加。因為這個原因，傳統(tǒng)聚合物電解質(zhì)燃料電池已在氫電極的燃料氣體通道的下游側(cè)裝備有排氣閥，以便排放氫電極側(cè)的后反應(yīng)燃料氣體(在下文中被稱作“燃料廢氣”)。
這樣的排氣閥(例如，如日本專利公開公布號2002-353837所述)當燃料電池被激活時開啟，并且用于排放氫電極側(cè)的摻雜氣體，導致氫電極側(cè)的氫濃度增加。
在激活燃料電池之后，根據(jù)預(yù)定序列開啟和關(guān)閉排氣閥，以排放氫電極側(cè)的雜質(zhì)并維持發(fā)電量。
然而，燃料電池系統(tǒng)的排氣閥(其中通過在激活期間開啟和關(guān)閉排氣閥來排放雜質(zhì)以增加氫濃度)可能在低溫下凍結(jié)。由于解凍凍結(jié)的排氣閥需要時間，所以不能在短時間期限內(nèi)激活燃料電池。進而，在其中在操作期間開啟和關(guān)閉排氣閥以維持發(fā)電量的燃料電池系統(tǒng)中，燃料效率并不總是令人滿意，因為氫可能和雜質(zhì)一起被排放。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到前述要點，本發(fā)明的目標是提供用于燃料電池的控制裝置和控制方法，其增加發(fā)電量，并且維持預(yù)定的發(fā)電量，而不依賴于氫電極側(cè)的排氣閥的開啟和關(guān)閉。
這樣一來，用于燃料電池的控制裝置就作為充當本發(fā)明例子的實施例而被提供，并且包括氧化氣體供應(yīng)裝置，用于經(jīng)由燃料電池的氧化氣體供應(yīng)線向陰極供應(yīng)氧化氣體；以及氫供應(yīng)裝置，用于經(jīng)由燃料電池的氫供應(yīng)線向陽極供應(yīng)氫。這樣的控制裝置特征在于進一步包括以下裝置，亦即陰極側(cè)氣體壓力檢測裝置，用于檢測所述氧化氣體供應(yīng)線和所述陰極中的至少一個之內(nèi)的氣體壓力；目標氫分壓確定裝置，用于確定關(guān)于所述氫供應(yīng)線和所述陽極中的至少一個之內(nèi)的氣體壓力之中的氫壓力的目標氫分壓；氫供應(yīng)壓力計算裝置，用于基于所述目標氫分壓和所述陰極側(cè)氣體壓力檢測裝置所檢測的所述氣體壓力，計算將要向所述燃料電池供應(yīng)的氫的氫供應(yīng)壓力；以及氫供應(yīng)控制裝置，用于控制氫，以便以所述氫供應(yīng)壓力從所述氫供應(yīng)裝置向所述燃料電池供應(yīng)氫。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，用于燃料電池的控制方法被提供，并且包括氧化氣體供應(yīng)裝置，用于經(jīng)由燃料電池的氧化氣體供應(yīng)線向陰極供應(yīng)氧化氣體；以及氫供應(yīng)裝置，用于經(jīng)由燃料電池的氫供應(yīng)線向陽極供應(yīng)氫。這樣的控制方法特征在于包括以下步驟，亦即檢測所述氧化氣體供應(yīng)線和所述陰極中的至少一個之內(nèi)的氣體壓力；確定關(guān)于所述氫供應(yīng)線和所述陽極中的至少一個之內(nèi)的氣體壓力之中的氫壓力的目標氫分壓；基于所述目標氫分壓和所述檢測的氣體壓力，計算將要向所述燃料電池供應(yīng)的氫的氫供應(yīng)壓力；以及控制氫，以便以所述氫供應(yīng)壓力從所述氫供應(yīng)裝置向所述燃料電池供應(yīng)氫。
根據(jù)如上所述的用于燃料電池的控制裝置和控制方法，在至少陰極和向燃料電池供應(yīng)氧化氣體的氧化氣體供應(yīng)線之內(nèi)檢測氣體壓力，并且基于氣體壓力和目標氫分壓計算氫供應(yīng)壓力。然后以這樣的氫供應(yīng)壓力向陽極供應(yīng)氫。如果假定陰極和氧化氣體供應(yīng)線之內(nèi)的氣體通向陽極側(cè)，那么通過以所述氫供應(yīng)壓力供應(yīng)氫，陽極側(cè)的氫分壓然后就能夠被控制到目標氫分壓。在這種情況下，能夠減少排氣閥用于排放陽極側(cè)氣體的頻率，或者能夠控制燃料電池，而不用使用排氣閥，從而緩解提供這樣的排氣閥的需要。
這里的目標氫分壓同樣優(yōu)選地隨著燃料電池所需的發(fā)電量增加而增加。
通過根據(jù)燃料電池所需的發(fā)電量增加而將陽極側(cè)的目標氫分壓設(shè)置得更高，可以根據(jù)需要的發(fā)電量計算氫供應(yīng)壓力，并且根據(jù)需要的發(fā)電量發(fā)電。
進而，優(yōu)選地包括的是燃料電池溫度檢測裝置，用于檢測所述燃料電池的溫度，以及校正裝置，用于基于所述燃料電池的溫度，校正目標氫分壓，其中，所述氫供應(yīng)壓力計算裝置優(yōu)選地基于所述校正的目標氫分壓和所述陰極側(cè)氣體壓力檢測裝置所檢測的所述氣體壓力，計算將要向所述燃料電池供應(yīng)的氫的所述氫供應(yīng)壓力。
另外，所述控制方法優(yōu)選地進一步包括以下步驟，亦即檢測所述燃料電池的溫度；基于所述燃料電池的溫度，校正所述目標氫分壓；以及基于所述校正的目標氫分壓和所述檢測的氣體壓力，計算將要向所述燃料電池供應(yīng)的氫的所述氫供應(yīng)壓力。
根據(jù)如此構(gòu)造的控制裝置和控制方法，能夠?qū)㈥枠O側(cè)控制到基于所述燃料電池的溫度校正的氫分壓，由此能夠根據(jù)所述溫度和所述發(fā)電量供應(yīng)適當量的氫。
另外，同樣優(yōu)選地設(shè)置所述目標氫分壓，以便隨著所述燃料電池的溫度增加而減少。
由于燃料電池的電池之內(nèi)催化劑的活化度取決于燃料電池的溫度而不同，所以通過當燃料電池的溫度增加時將目標氫分壓設(shè)置得較低，能夠獲得不受溫度影響的適當發(fā)電量。
進而，優(yōu)選地包括的是排氣裝置，用于排放剩余在所述陽極和所述氫供應(yīng)線中的至少一個之內(nèi)的殘留氣體；排氣控制裝置，用于當所述氫供應(yīng)壓力不在陽極側(cè)氣體壓力的容許范圍之內(nèi)時，使用所述排氣裝置排放所述殘留氣體；以及殘留氣體分壓計算裝置，用于當排放殘留氣體時，計算剩余在所述陽極和所述氫供應(yīng)線中的至少一個之內(nèi)的殘留氣體的分壓，其中，所述氫供應(yīng)壓力計算裝置優(yōu)選地基于所述目標氫分壓和所述殘留氣體分壓，計算將要向所述燃料電池供應(yīng)的氫的所述氫供應(yīng)壓力。
另外，所述控制方法同樣優(yōu)選地進一步包括以下步驟，亦即當所述氫供應(yīng)壓力不在陽極側(cè)氣體壓力的容許范圍之內(nèi)時，排放殘留氣體；當排放殘留氣體時，計算剩余在所述陽極和所述氫供應(yīng)線的至少一個之內(nèi)的殘留氣體的分壓；以及基于所述目標氫分壓和所述殘留氣體分壓，計算將要向所述燃料電池供應(yīng)的氫的所述氫供應(yīng)壓力。
根據(jù)如此構(gòu)造的控制裝置和控制方法，如果計算的氫供應(yīng)壓力不在陽極側(cè)氣體壓力的容許范圍之內(nèi)，則能夠排放剩余在陽極和/或氫供應(yīng)線之內(nèi)的殘留氣體，以減少殘留氣體的氣體壓力。這樣一來，就能夠基于減少的殘留氣體的氣體壓力和目標氫分壓來計算氫供應(yīng)壓力。因此，這樣的減少的氣體壓力能夠用于計算陽極側(cè)氣體壓力的容許范圍之內(nèi)的氫供應(yīng)壓力，由此燃料電池能夠被控制在用于陽極側(cè)氣體壓力的容許范圍之內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，可以增加發(fā)電量并且/或者維持預(yù)定的發(fā)電量，而不用在氫電極側(cè)提供排氣閥，并且/或者不用依賴于氫電極側(cè)的排氣閥的開啟和關(guān)閉。


當結(jié)合附圖考慮時，通過閱讀以下本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細說明，會更好地理解本發(fā)明的上述以及其他特征、優(yōu)點、技術(shù)和工業(yè)意義，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池的示意圖；圖2是計算目標氫分壓的映射的概念圖；圖3是顯示燃料電池的激活期間ECU 3的控制的流程圖；圖4是顯示正常操作期間ECU 3的控制的流程圖；圖5是顯示用于使用燃料電池的冷卻液溫度在正常操作期間校正氫分壓的控制的流程圖；圖6是使用燃料電池的冷卻液溫度校正氫分壓的映射的概念圖；以及圖7是顯示用于確定正常操作期間的氫供應(yīng)壓力是否處于容許范圍內(nèi)的ECU 3的控制的流程圖。
具體實施例方式
在以下說明和附圖中，將根據(jù)示范性實施例更加詳細地說明本發(fā)明。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池的示意圖。燃料電池包括以下燃料電池主體1；空氣供應(yīng)單元7，用于向燃料電池主體1的空氣電極(也被稱作陰極)供應(yīng)充當氧化氣體的空氣；大氣壓力傳感器9，其布置在空氣供應(yīng)單元7的空氣導入通道上游；空氣電極壓力傳感器11，用于測量空氣電極側(cè)的氣體壓力；調(diào)節(jié)閥15，用于調(diào)節(jié)空氣電極側(cè)的氣體壓力；燃料箱5，用于向燃料電池主體1的氫電極(也被稱作陽極)供應(yīng)充當燃料氣體的氫；氫供應(yīng)閥13，用于控制來自燃料箱5的氫的供應(yīng)壓力；排氣閥17，用于控制來自氫電極的燃料廢氣的排放；以及冷卻液溫度傳感器19，用于檢測冷卻燃料電池主體1的冷卻液的溫度。
從其中包括膜電極組件(MEA)和分離器的多層電池被串聯(lián)連接并層壓的層壓主體(被稱作電池堆)中構(gòu)造燃料電池主體1。MEA包括氫電極，其將氫分成質(zhì)子和電子；電解質(zhì)膜，其將氫電極生成的質(zhì)子傳導到空氣電極；以及空氣電極，其使用氧、傳導到空氣電極的質(zhì)子和從氫電極經(jīng)由外電路傳導的電子生成水。
在分離器中提供空氣通道，用于向電池之內(nèi)的空氣電極供應(yīng)充當氧化氣體的空氣?？諝庠陔姵刂畠?nèi)的空氣通道中從上游向下游流動，并且在空氣電極之內(nèi)的膜的方向上擴散，以與空氣電極之內(nèi)的質(zhì)子起反應(yīng)。因此，電池之內(nèi)的空氣通道中的氧濃度從上游到下游逐漸降低。
分離器還裝備有氫通道，用于向電池之內(nèi)的氫電極供應(yīng)充當燃料氣體的氫。氫在電池之內(nèi)的氫通道中從上游向下游流動，在氫電極之內(nèi)的膜的方向上擴散，并且由于氫電極之內(nèi)的催化劑的作用而被轉(zhuǎn)換成質(zhì)子。質(zhì)子然后穿過膜并朝向空氣電極移動。因此，電池之內(nèi)的氫通道中的氫濃度從上游到下游逐漸降低。
空氣供應(yīng)單元7(對應(yīng)于氧化氣體供應(yīng)裝置)例如是空氣壓縮機。大氣中的空氣被空氣供應(yīng)單元7加壓，然后經(jīng)由空氣供應(yīng)線L1(上述電池之內(nèi)的空氣通道)被供應(yīng)給燃料電池主體1的空氣電極。通過來自ECU 3的控制信號控制從空氣供應(yīng)單元7向空氣供應(yīng)線L1供應(yīng)的空氣的流速。通過空氣供應(yīng)單元7的空氣導入通道上游中提供的大氣壓力傳感器9測量大氣壓力。
在燃料電池主體1的空氣電極的下游側(cè)，排氣線L2連接到空氣通道的出口，并且在排氣線L2中提供調(diào)節(jié)閥15。通過調(diào)節(jié)閥15控制空氣電極側(cè)氣體的排放。此外，在排氣線L2中提供用于測量空氣電極側(cè)氣體壓力的空氣電極壓力傳感器11(對應(yīng)于陰極側(cè)氣體壓力檢測裝置)。除了被供應(yīng)以來自空氣供應(yīng)單元7的空氣之外，燃料電池主體1的空氣電極被調(diào)節(jié)閥15控制到預(yù)定氣體壓力。注意，空氣供應(yīng)單元7的出口側(cè)的空氣供應(yīng)線L1、燃料電池主體1的空氣電極(電池之內(nèi)的空氣通道)、以及直到排氣線L2中的調(diào)節(jié)閥15的空間，對應(yīng)于本發(fā)明的氧化氣體供應(yīng)通道。
燃料箱5(對應(yīng)于氫供應(yīng)裝置)經(jīng)由氫供應(yīng)線L3上游的氫供應(yīng)閥13向燃料電池主體1的氫電極側(cè)(上述電池之內(nèi)的氫通道)供應(yīng)氫。燃料箱5維持高壓狀態(tài)(超過1個大氣壓的壓力狀態(tài))下的氫。
氫供應(yīng)閥13(對應(yīng)于氫供應(yīng)控制裝置)通過控制所述閥的開啟和關(guān)閉操作來調(diào)節(jié)穿過其間的氣體流速。這里，閥的開啟和關(guān)閉操作例如包括開啟閥循環(huán)、開啟閥周期和關(guān)閉閥周期。然而，氫供應(yīng)閥13同樣可以通過以下控制燃料氣體的供應(yīng)通過閥運動改變其開啟部分的開啟角度。
在燃料電池主體1的氫電極的下游側(cè)，排氣線L4連接到電池之內(nèi)的氫供應(yīng)通道，并且在排氣線L4中提供排氣閥17(對應(yīng)于排氣裝置)。排氣閥17同樣通過控制所述閥的開啟和關(guān)閉操作來調(diào)節(jié)穿過其間的氣體流速。然而，排氣閥17同樣可以通過以下控制排出氣體的流速通過閥運動改變其開啟部分的開啟角度。
在供應(yīng)氫之前(亦即，在激活燃料電池之前)，滲透過MEA的空氣(主要是氮)和空氣電極所產(chǎn)生的生成的水(水蒸氣或小滴)在氫電極側(cè)占優(yōu)勢。在下文中，這樣的氮、水蒸氣等將被稱作摻雜氣體。根據(jù)實施例的燃料電池假定在供應(yīng)氫之前，氫電極側(cè)的摻雜氣體的氣體壓力基本上相當于空氣電極側(cè)的氣體壓力，以便確定將要從氫供應(yīng)閥13供應(yīng)的氫的供應(yīng)壓力。
這里，氫供應(yīng)壓力被規(guī)定為通過氫供應(yīng)閥13向連接到氫電極以及氫電極的內(nèi)部的氫供應(yīng)線L3供應(yīng)的氫的壓力。氫電極的內(nèi)部被填充以由氫供應(yīng)壓力和平衡壓力組成的氣體(氫和摻雜氣體的混合氣體)。例如，能夠考慮這樣的情況，其中，燃料箱5被填充以50個大氣壓的氫，氫供應(yīng)閥13將其減壓到2個大氣壓并且供應(yīng)給氫供應(yīng)線L3。這里，假定供應(yīng)氫之前的摻雜氣體的氣體壓力已變?yōu)?個大氣壓。在這種情況下，以2個大氣壓的氫供應(yīng)壓力供應(yīng)氫，以便氫電極的內(nèi)部變?yōu)橛?個大氣壓的混合氣體填充。此外，摻雜氣體和氫的分壓兩者都為1個大氣壓。
進而，根據(jù)實施例的燃料電池假定氫電極側(cè)的氣體壓力(總壓力)由氫電極側(cè)存在的氫分壓和空氣電極側(cè)的氣體壓力組成，以便在燃料電池的操作期間控制氫的供應(yīng)壓力。同樣要注意，氫供應(yīng)閥13出口側(cè)的氫供應(yīng)線L3、燃料電池主體1的氫電極(電池之內(nèi)的氫通道)、以及直到排氣線L4中的排氣閥17的空間，對應(yīng)于本發(fā)明的氫供應(yīng)通道。
冷卻液溫度傳感器19測量冷卻燃料電池主體1之內(nèi)電池堆的冷卻液溫度。
ECU 3控制根據(jù)實施例的燃料電池的反應(yīng)，并且包括CPU、存儲器和輸入/輸出接口。ECU 3還經(jīng)由輸入/輸出接口(未顯示)控制氫供應(yīng)閥13、空氣調(diào)節(jié)閥15和排氣閥17的開啟與關(guān)閉或開啟部分的開啟角度。另外，ECU 3控制從空氣供應(yīng)單元7供應(yīng)的空氣的流速。進而，ECU 3連接到大氣傳感器9、空氣電極壓力傳感器11和冷卻液溫度傳感器19(對應(yīng)于燃料電池溫度檢測裝置)，從而監(jiān)視大氣壓力、空氣電極之內(nèi)的氣體壓力和冷卻液的溫度。
在燃料電池的激活期間，ECU 3在存儲器的預(yù)定存儲區(qū)中查閱用于穩(wěn)定發(fā)電的目標氫分壓(執(zhí)行這樣的處理的ECU 3對應(yīng)于用于確定目標氫分壓的裝置)。用于穩(wěn)定發(fā)電的目標氫分壓是燃料電池需要以維持穩(wěn)定發(fā)電的氫分壓。同樣要注意，根據(jù)燃料電池規(guī)格、尺寸等事先確定作為實際值或設(shè)計值的用于穩(wěn)定發(fā)電的目標氫分壓，并且保持在ECU 3的存儲器中。
在燃料電池中，ECU 3將激活期間的空氣電極壓力設(shè)置到大氣壓力。進而，ECU 3根據(jù)空氣電極側(cè)的氣體壓力和上述用于穩(wěn)定發(fā)電的目標氫分壓計算目標氫壓力。實施例中的ECU 3假定空氣電極中的氣體壓力基本上就是供應(yīng)氫之前的氫電極側(cè)摻雜氣體的壓力。然后根據(jù)這樣的壓力計算目標氫壓力，所述壓力為空氣電極中氣體壓力與用于穩(wěn)定發(fā)電的目標氫分壓之和(執(zhí)行這樣的處理的ECU 3對應(yīng)于氫供應(yīng)壓力計算裝置)。
ECU 3控制氫供應(yīng)閥13的開啟與關(guān)閉，并且將供應(yīng)給氫電極側(cè)的氫的供應(yīng)壓力控制到目標氫壓力。因此，其分壓從目標氫壓力中排除氫電極側(cè)摻雜氣體壓力的氫，亦即，其壓力是用于穩(wěn)定發(fā)電的目標氫分壓的氫，被供應(yīng)給氫電極。這樣一來，在根據(jù)實施例的燃料電池中，充當燃料氣體的氫就在氫的供應(yīng)期間主要通過氫供應(yīng)壓力的控制向氫電極供應(yīng)，并且盡可能少地開啟和關(guān)閉排氣閥17。
在激活燃料電池之后，ECU 3查閱這樣的映射，所述映射指示需要發(fā)電量和目標氫分壓之間的關(guān)系，得到對應(yīng)于需要發(fā)電量的氫分壓(執(zhí)行這樣的處理的ECU 3對應(yīng)于用于確定目標氫分壓的裝置)。
圖2是計算目標氫分壓的映射的概念圖。當指定需要發(fā)電量時，ECU 3使用這個映射計算生成這樣的電量所需的氫分壓。在圖2的映射中，x軸表示需要發(fā)電量，而y軸則表示實現(xiàn)需要發(fā)電量所需的目標氫分壓(例如以KPa為單位)。對于包括多種氣體的混合氣體，基本上對應(yīng)于每種氣體的分壓設(shè)置每種氣體的濃度。
能夠使用實際測量為每個燃料電池規(guī)格(例如催化劑密度、電池堆數(shù)量、電極材料等)設(shè)置上述映射。如圖2所示，指示需要發(fā)電量和目標氫分壓之間關(guān)系的映射通常向上傾斜，亦即，該映射是這樣的曲線，其中，目標氫分壓與需要發(fā)電量的增加一起增加。這樣的映射作為根據(jù)需要發(fā)電值和目標氫分壓值的多個組合形成的表格保持在ECU 3的存儲器中。然而，ECU 3同樣可以保持需要發(fā)電值和目標氫分壓值之間的基于經(jīng)驗的關(guān)系(例如一次直線，或者二次或更高次的曲線)。應(yīng)當注意的是，用于計算空氣電極氣體壓力的映射和用于計算向空氣電極供應(yīng)的空氣量的映射具有類似的結(jié)構(gòu)。
另外，ECU 3查閱這樣的映射，所述映射指示需要發(fā)電量和氧供應(yīng)量之間的關(guān)系，得到對應(yīng)于需要發(fā)電量的氧供應(yīng)量。使用來自空氣供應(yīng)單元7的空氣通過ECU 3供應(yīng)用于氧供應(yīng)量的氧(執(zhí)行這樣的處理的ECU 3對應(yīng)于氧化氣體量控制裝置)。進而，ECU 3查閱這樣的映射，所述映射指示需要發(fā)電量和空氣電極氣體壓力之間的關(guān)系，得到對應(yīng)于需要發(fā)電量的氣體壓力。通過開啟和關(guān)閉調(diào)節(jié)閥15，ECU 3控制空氣電極的氣體壓力。
ECU 3進一步假定空氣電極的氣體壓力基本上就是氫電極側(cè)摻雜氣體的壓力，并且根據(jù)空氣電極的氣體壓力和目標氫分壓確定目標氫壓力(執(zhí)行這樣的處理的ECU 3對應(yīng)于氫供應(yīng)壓力計算裝置)。ECU 3控制氫供應(yīng)閥13的開啟和關(guān)閉，并且將供應(yīng)到氫電極內(nèi)部的氫的供應(yīng)壓力控制到目標氫壓力。這樣一來，在根據(jù)實施例的燃料電池中，充當燃料氣體的氫在激活燃料電池之后也主要通過氫供應(yīng)壓力的控制向氫電極供應(yīng)，并且盡可能少地開啟和關(guān)閉排氣閥17。
圖3是顯示燃料電池的激活期間ECU 3的控制的流程圖。處理能夠作為ECU 3的CPU所執(zhí)行的控制程序而實現(xiàn)。在燃料電池的激活期間，ECU 3首先查閱用于穩(wěn)定發(fā)電的目標氫分壓(S1)。下一步，ECU3假定空氣電極的壓力和供應(yīng)氫之前的氫電極的壓力處在大氣壓力下，并且根據(jù)大氣壓力和用于穩(wěn)定發(fā)電的目標氫分壓計算目標氫壓力(S3)。這里，目標氫壓力被設(shè)置為大氣壓力和用于穩(wěn)定發(fā)電的目標氫分壓之和。
ECU 3隨后控制氫供應(yīng)閥13以向氫電極供應(yīng)目標氫壓力的氫(S5)。下一步，ECU 3控制空氣調(diào)節(jié)閥15，并且將空氣電極設(shè)置到大氣壓力。這樣的控制導致氫電極側(cè)的氫分壓被控制到用于穩(wěn)定發(fā)電的目標氫分壓。然后通過ECU 3激活燃料電池(S9)。
這里應(yīng)當注意的是，控制空氣電極，以便在激活期間達到大氣壓力。然而，本發(fā)明的實施例并不限于這樣的過程，亦即，用于在激活期間將空氣電極設(shè)置到大氣壓力的過程自身不是強制性的。
圖4是顯示正常操作期間ECU 3的控制的流程圖。這樣的處理同樣能夠作為ECU 3的CPU所執(zhí)行的控制程序而實現(xiàn)。在正常操作狀態(tài)期間，ECU 3首先計算需要發(fā)電量(S10)?；诎ㄓ脩糁噶畹男畔?，諸如對應(yīng)于動力車加速器操作的加速指令值，或者從燃料電池向其供電的家庭、設(shè)施、設(shè)備等的用電史，能夠計算需要發(fā)電量。
ECU 3隨后基于需要發(fā)電量查閱映射以確定目標空氣供應(yīng)量(S11)。目標空氣供應(yīng)量對應(yīng)于根據(jù)發(fā)電量所需的氧量。下一步，ECU3將空氣供應(yīng)單元7的空氣供應(yīng)量控制到目標空氣供應(yīng)量(S12)。
ECU 3隨后基于需要發(fā)電量查閱映射以確定空氣電極的目標氣體壓力(S13)。下一步，ECU 3控制調(diào)節(jié)閥15，以將空氣電極的氣體壓力控制到目標氣體壓力(S14)。
ECU 3隨后基于需要發(fā)電量查閱映射以確定氫電極的目標氫分壓(S15)。目標氫分壓是對應(yīng)于根據(jù)發(fā)電量所需的氫電極側(cè)氫濃度的量。下一步，ECU 3根據(jù)空氣電極的目標氣體壓力和氫電極的目標氫分壓計算目標氫壓力(S17)。在實施例中，目標氫壓力被設(shè)置為空氣電極的目標氣體壓力和目標氫分壓之和。
ECU 3控制氫供應(yīng)閥13，以向氫電極供應(yīng)目標氫壓力的氫(S19)。這樣的控制導致氫電極側(cè)的氫分壓被控制到目標氫分壓。ECU 3然后將控制返回到S11。
如上所述，根據(jù)實施例的燃料電池，在燃料電池的激活期間，基于空氣電極的氣體壓力和用于穩(wěn)定發(fā)電的目標氫分壓，計算目標氫壓力。然后將供應(yīng)給氫電極的氫的供應(yīng)壓力控制到目標氫壓力。這又允許氫電極的氫分壓基本上被控制到用于穩(wěn)定發(fā)電的目標氫分壓，并且允許穩(wěn)定激活所需的氫被供應(yīng)到氫電極。
這樣一來，在根據(jù)實施例的燃料電池中，就可以通過在激活期間控制氫供應(yīng)壓力來控制氫電極側(cè)的氫分壓以及因而的氫濃度。因此，不需要在激活期間開啟排氣閥17，以便排放氫電極之內(nèi)的摻雜氣體，如傳統(tǒng)燃料電池中那樣。所以，即使例如在由于零下溫度而凍結(jié)排氣閥17的情況下，也能夠在短時間期限內(nèi)激活燃料電池。
另外，根據(jù)實施例的燃料電池，空氣電極的氣體壓力在激活期間被控制到大氣壓力。在燃料電池的反應(yīng)中使用向空氣電極供應(yīng)的空氣之中的氧，并且諸如氮之類的雜質(zhì)穿過擴散層和電解質(zhì)膜到達氫電極側(cè)。將空氣壓力設(shè)置到大氣壓力使得可以減少氫電極側(cè)摻雜氣體的分壓，由此與當向空氣電極添加大于大氣壓力的壓力時相比，控制的目標氫壓力實際上能夠被設(shè)置得低。
進而，根據(jù)實施例的燃料電池，在正常操作期間，根據(jù)發(fā)電量，基于空氣電極的氣體壓力和目標氫分壓，計算目標氫壓力，以供應(yīng)目標氫壓力的氫。由于這樣的控制，根據(jù)實施例的燃料電池向氫電極供應(yīng)具有對應(yīng)于需要發(fā)電量的目標氫分壓、亦即目標氫濃度的氫。因此，在根據(jù)實施例的燃料電池中，不需要在正常操作期間開啟和關(guān)閉排氣閥17。所以，可以減少開啟和關(guān)閉排氣閥17所造成的氫的浪費排放。如果排氣閥17受損，則燃料電池的激活和操作同樣能夠根據(jù)圖3和4中顯示的控制而被維持。進而，這樣的控制的實現(xiàn)同樣能夠?qū)崿F(xiàn)其結(jié)構(gòu)省略排氣閥17的燃料電池。
上面的實施例顯示了這樣的例子，其中，根據(jù)映射和需要發(fā)電量計算空氣供應(yīng)量、空氣電極的目標氣體壓力和目標氫分壓，由此通過進一步根據(jù)空氣電極的目標氣體壓力和目標氫分壓計算目標氫壓力，來控制氫電極的氫分壓?；谌剂想姵氐碾姵販囟龋梢孕Ｕ@樣的氫分壓。因為關(guān)于需要發(fā)電量的氫需要量以及因而的目標氫分壓的變化，電池之內(nèi)催化劑的活化度取決于電池溫度而不同。這里，電池溫度被規(guī)定為冷卻燃料電池的電池的冷卻液溫度，并且在下文中將顯示基于冷卻液溫度校正氫分壓的例子。
圖5顯示了這樣的處理例子，其中，根據(jù)來自測量冷卻液溫度的冷卻液溫度傳感器19的溫度，校正目標氫分壓。與圖4的處理中類似的圖5中的處理步驟用類似的參考數(shù)字表示，并且將不再說明。
在這個處理中，在根據(jù)需要發(fā)電量確定空氣電極的氣體壓力和氫電極的目標氫分壓(S13-S15)之后，ECU 3檢測冷卻液溫度傳感器19所測量的冷卻液溫度(S16A)。下一步，ECU 3查閱用于校正目標氫分壓的映射，使用冷卻液溫度校正目標氫分壓(S16B)。
圖6是使用燃料電池中冷卻液溫度校正氫分壓的映射的概念圖。如圖6所示，映射的x軸表示冷卻液溫度，而y軸則表示用于在冷卻液溫度下滿足需要發(fā)電量的目標氫分壓。類似于圖2中的映射，這個映射同樣能夠以表格的格式和基于經(jīng)驗的格式保持在ECU 3的存儲器中。
下一步，ECU 3使用校正的目標氫分壓和空氣電極的目標氣體壓力計算目標氫壓力(S17)。隨后的處理與圖4中的類似。
這樣一來，根據(jù)修改的燃料電池，使用電池中冷卻液的溫度和需要發(fā)電量校正目標氫分壓(執(zhí)行這樣的處理的ECU 3對應(yīng)于用于校正目標氫分壓的裝置)。因此，能夠與圖4的處理相比更加精確地計算目標氫分壓以及擴展的目標氫壓力。所以，關(guān)于需要發(fā)電量能夠供應(yīng)適當?shù)臍?，從而降低生成過多或不足電量的風險。
應(yīng)當注意的是，盡管電池溫度在這里是從測量冷卻液溫度的冷卻液溫度傳感器19檢測的，但是可以提供測量電池溫度自身的傳感器，并且電池溫度自身可以用于校正目標氫分壓。
下一步，將說明使用氫壓力容許值確定的修改。圖7顯示了這樣的處理例子，其中，根據(jù)目標氫壓力是否已超過容許值，一旦計算目標氫壓力，就改變控制序列。這樣的用于目標氫壓力的容許值例如能夠被確定為用于防止形成電池的電解質(zhì)膜的耐久性惡化的實際值或設(shè)計值。可以配置ECU 3以在存儲器中保持這樣的容許值。
與圖4的處理中類似的圖7中的處理步驟用類似的參考數(shù)字表示，并且將不再說明。在這個處理中，在計算目標氫壓力(S17)之后，ECU3確定目標氫壓力是否在容許范圍之內(nèi)(S18A)。
如果目標氫壓力沒有在容許范圍之內(nèi)，則ECU 3控制排氣閥17以開啟氫電極側(cè)的閥，并且同樣控制氫供應(yīng)閥13，以向氫電極供應(yīng)氫并排放氫電極之內(nèi)的殘留氣體(S18B)。執(zhí)行這樣的處理的ECU 3對應(yīng)于排氣控制裝置。因此，氫電極之內(nèi)摻雜氣體的分壓被降低。ECU 3然后根據(jù)自從排氣閥17開啟以來的持續(xù)時間、燃料電池的發(fā)電量、當前開啟閥周期以及供應(yīng)的氫壓力計算氫電極中摻雜氣體的分壓(S18C)。執(zhí)行這樣的處理的ECU 3對應(yīng)于用于計算殘留氣體分壓的裝置。在這之后，ECU 3將控制返回到S15，并且基于S18C中計算的摻雜氣體的壓力，計算目標氫壓力。亦即，在這種情況下，目標氫壓力可以被設(shè)置為氫電極中摻雜氣體的壓力和目標氫分壓之和。
可選擇地，如果在S16中確定目標氫壓力在容許范圍之內(nèi)，則ECU3如此控制氫供應(yīng)閥13，以致于氫電極的氣體壓力變?yōu)槟繕藲鋲毫?S19)。隨后的處理與圖4中的類似。
如上所述，根據(jù)實施例的燃料電池，如果目標氫壓力不在燃料電池容許范圍之內(nèi)，則開啟排氣閥17。另外，從氫供應(yīng)閥13供應(yīng)氫，并且從氫電極排放摻雜氣體。這樣一來，氫電極之內(nèi)摻雜氣體的壓力就被降低，其又降低了目標氫壓力。
因此，根據(jù)修改的燃料電池，可以只有當目標氫壓力在容許范圍之外時才從排氣閥17排放雜質(zhì)，而不用在正常狀態(tài)下使用排氣閥17。這樣一來減少了排氣閥17不必要的開啟和關(guān)閉，從而降低了氫的過多排放。進而，當目標氫壓力在容許范圍之外時，通過排放摻雜氣體并降低氫電極中的目標氫壓力，可以避免基于容許范圍之外的氫電極側(cè)的氣體壓力的操作。這導致了例如增加的電解質(zhì)膜的耐久性，從而延長了它的耐用期(亦即更新周期)。
下面將說明其他修改。在上面的實施例中，說明了如圖1所示的不具有氫循環(huán)系統(tǒng)的燃料電池，其中，氫電極側(cè)的目標氫壓力被設(shè)置為摻雜氣體壓力和目標氫分壓之和。然而，本發(fā)明的實施例不限于這樣的構(gòu)造。例如，通過類似于圖3中的控制，能夠激活具有氫循環(huán)系統(tǒng)的燃料電池，而不用開啟和關(guān)閉氫電極側(cè)的排氣閥17。進而，通過類似于圖4中的控制，具有氫循環(huán)系統(tǒng)的燃料電池能夠控制氫濃度，而不用開啟和關(guān)閉氫電極側(cè)的排氣閥17。
上面的實施例顯示了這樣的例子，其中，以氫作為燃料氣體供應(yīng)的方式供應(yīng)氧化氣體和空氣。然而，本發(fā)明的實施例不限于這樣類型的氣體(亦即氧化氣體和燃料氣體)。例如，氧可以用作氧化氣體，而天然氣則可以用作燃料氣體。
在上面的實施例中，根據(jù)空氣電極的目標氣體壓力和氫電極的目標氫分壓計算目標氫壓力(例如參考圖4中的S17)。然而，本發(fā)明的實施例不限于這樣的過程。同樣能夠考慮空氣電極中氣體的分壓和氫電極中氣體的分壓(電解質(zhì)膜兩側(cè)氣體的分壓)對從空氣電極側(cè)穿過到氫電極側(cè)的氣體的滲透量的影響。因此，例如可以根據(jù)氧電極側(cè)摻雜氣體的分壓來校正氫供應(yīng)壓力，由此氫供應(yīng)壓力可以隨著氧電極側(cè)摻雜氣體的分壓(諸如氮的分壓之類)降低而降低。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的控制裝置，包含氧化氣體供應(yīng)裝置(7)，用于經(jīng)由所述燃料電池(1)的氧化氣體供應(yīng)線(L1)向陰極供應(yīng)氧化氣體；以及氫供應(yīng)裝置(5)，用于經(jīng)由所述燃料電池(1)的氫供應(yīng)線(L3)向陽極供應(yīng)氫，其特征在于進一步包含陰極側(cè)氣體壓力檢測裝置(11)，用于檢測所述氧化氣體供應(yīng)線(L1)和所述陰極中的至少一個之內(nèi)的氣體壓力；目標氫分壓確定裝置(3)，用于確定關(guān)于所述氫供應(yīng)線(L3)和所述陽極中的至少一個之內(nèi)的氣體壓力之中的氫壓力的目標氫分壓；氫供應(yīng)壓力計算裝置(3)，用于基于所述目標氫分壓和所述陰極側(cè)氣體壓力檢測裝置(11)所檢測的所述氣體壓力，計算將要向所述燃料電池(1)供應(yīng)的氫的氫供應(yīng)壓力；以及氫供應(yīng)控制裝置(13)，用于控制氫，以便以所述氫供應(yīng)壓力從所述氫供應(yīng)裝置(5)向所述燃料電池(1)供應(yīng)氫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池的控制裝置，其特征在于所述目標氫分壓隨著所述燃料電池(1)所需的發(fā)電量增加而增加。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于燃料電池的控制裝置，其特征在于進一步包含燃料電池溫度檢測裝置(19)，用于檢測所述燃料電池(1)的溫度；以及校正裝置(3)，用于基于所述燃料電池(1)的溫度，校正目標氫分壓，其中所述氫供應(yīng)壓力計算裝置(3)基于所述校正的目標氫分壓和所述陰極側(cè)氣體壓力檢測裝置(11)所檢測的所述氣體壓力，計算將要向所述燃料電池(1)供應(yīng)的氫的所述氫供應(yīng)壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于燃料電池的控制裝置，其特征在于所述目標氫分壓隨著所述燃料電池(1)的溫度增加而減小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項所述的用于燃料電池的控制裝置，其特征在于進一步包含排氣裝置(17)，用于排放剩余在所述陽極和所述氫供應(yīng)線(L3)中的至少一個之內(nèi)的殘留氣體；排氣控制裝置(3)，用于當所述氫供應(yīng)壓力不在陽極側(cè)氣體壓力的容許范圍之內(nèi)時，使用所述排氣裝置(17)排放所述殘留氣體；以及殘留氣體分壓計算裝置(3)，用于當排放殘留氣體時，計算剩余在所述陽極和所述氫供應(yīng)線(L3)中的至少一個之內(nèi)的殘留氣體的分壓，其中所述氫供應(yīng)壓力計算裝置(3)基于所述目標氫分壓和所述殘留氣體分壓，計算將要向所述燃料電池(1)供應(yīng)的氫的所述氫供應(yīng)壓力。
6.一種用于燃料電池的控制方法，包含氧化氣體供應(yīng)裝置(7)，用于經(jīng)由所述燃料電池(1)的氧化氣體供應(yīng)線(L1)向陰極供應(yīng)氧化氣體；以及氫供應(yīng)裝置(5)，用于經(jīng)由所述燃料電池(1)的氫供應(yīng)線(L3)向陽極供應(yīng)氫，其特征在于包含以下步驟檢測所述氧化氣體供應(yīng)線(L1)和所述陰極中的至少一個之內(nèi)的氣體壓力；確定關(guān)于所述氫供應(yīng)線(L3)和所述陽極中的至少一個之內(nèi)的氣體壓力之中的氫壓力的目標氫分壓；基于所述目標氫分壓和所述檢測的氣體壓力，計算將要向所述燃料電池(1)供應(yīng)的氫的氫供應(yīng)壓力；以及控制氫，以便以所述氫供應(yīng)壓力從所述氫供應(yīng)裝置(5)向所述燃料電池(1)供應(yīng)氫。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于燃料電池的控制方法，其特征在于所述目標氫分壓隨著所述燃料電池(1)所需的發(fā)電量增加而增加。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的用于燃料電池的控制方法，其特征在于進一步包含以下步驟檢測所述燃料電池(1)的溫度；基于所述燃料電池(1)的溫度，校正所述目標氫分壓；以及基于所述校正的目標氫分壓和所述檢測的氣體壓力，計算將要向所述燃料電池(1)供應(yīng)的氫的所述氫供應(yīng)壓力。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于燃料電池的控制方法，其特征在于所述目標氫分壓隨著所述燃料電池(1)的溫度增加而減小。
10.根據(jù)權(quán)利要求6到9中任何一項所述的用于燃料電池的控制方法，其特征在于進一步包含以下步驟當所述氫供應(yīng)壓力不在陽極側(cè)氣體壓力的容許范圍之內(nèi)時，排放殘留氣體；當排放殘留氣體時，計算剩余在所述陽極和所述氫供應(yīng)線(L3)的至少一個之內(nèi)的殘留氣體的分壓；以及基于所述目標氫分壓和所述殘留氣體分壓，計算將要向所述燃料電池(1)供應(yīng)的氫的所述氫供應(yīng)壓力。
全文摘要
一種用于燃料電池(1)的控制裝置及其控制方法，所述控制裝置包括氧化氣體供應(yīng)裝置(7)，用于經(jīng)由氧化氣體供應(yīng)線(L1)向陰極供應(yīng)氧化氣體；陰極側(cè)氣體壓力檢測裝置(11)，用于檢測所述氧化氣體供應(yīng)線(L1)或所述陰極內(nèi)的氣體壓力；氫供應(yīng)裝置(5)，用于經(jīng)由氫供應(yīng)線(L3)向陽極供應(yīng)氫；目標氫分壓確定裝置，用于確定所述氫供應(yīng)線(L3)或所述陽極內(nèi)氣體壓力之中的氫壓力；氫供應(yīng)壓力計算裝置，用于基于所述目標氫分壓和所述陰極側(cè)氣體壓力檢測裝置(11)所檢測的所述氣體壓力，計算將要向所述燃料電池(1)供應(yīng)的氫的氫供應(yīng)壓力；以及氫供應(yīng)控制裝置(13)，用于以所述氫供應(yīng)壓力從所述氫供應(yīng)裝置(5)向所述燃料電池(1)供應(yīng)氫。
文檔編號H01MGK1943065SQ200580011071
公開日2007年4月4日 申請日期2005年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月13日
發(fā)明者片野剛司 申請人:豐田自動車株式會社