專利名稱：燃料電池系統(tǒng)、陽極氣體產(chǎn)生量估算裝置及陽極氣體產(chǎn)生量估算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)及用于估算在燃料電池陰極內(nèi)產(chǎn)生的陽 極氣體量的技術(shù)。
背景技術(shù)：
安裝在燃料電池汽車等上的燃料電池利用燃料氣體和氧化氣體產(chǎn) 生電力，其中所述燃料氣體包括供給到陽極的氫，所述氧化氣體包括 供給到陰極的氧。從燃料電池排出的氫廢氣與氧氣廢氣混合在一起并 得到稀釋，以降低氫濃度的狀態(tài)從汽車排出。為排出這種氫廢氣，需 要充分地稀釋該氣體，使得不排出高濃度的氫(參見，如專利文獻(xiàn)l)。
此外，為充分地稀釋氣體以便不排出高濃度的氫，需要高度精確 地檢測氫廢氣的濃度。作為檢測這種氫廢氣濃度的方法，設(shè)計(jì)了一種 在陰極廢氣通道內(nèi)安裝氫傳感器，并使用氫傳感器檢測從陰極側(cè)排出 的氫廢氣濃度的方法，其中氧氣廢氣通過所述陰極廢氣通道循環(huán)(參見 專利文獻(xiàn)2)。國際專利申請公告No.2003-504807 [專利文獻(xiàn)2]日本專利申請?zhí)亻_No.2003-29467
發(fā)明內(nèi)容
但是，在燃料電池運(yùn)行于低發(fā)電效率的狀態(tài)的情況下，氫不只從 陽極排出，氫(主要為泵送氫)還從陰極排出，并且有時候從系統(tǒng)排出超 過規(guī)定范圍的氫。
此外，上面?zhèn)鹘y(tǒng)的氫廢氣濃度檢測方法具有在氫廢氣達(dá)到氫傳感器之前無法檢測該濃度且檢測需要大量時間的問題。
考慮到上述情況，已經(jīng)研制了本發(fā)明，其目的是提供一種即使燃 料電池運(yùn)行于低發(fā)電效率狀態(tài)下也能夠充分降低排出的氫濃度的燃料 電池系統(tǒng)。另外，本發(fā)明的目的是提供一種能夠快速準(zhǔn)確地獲得從陰 極側(cè)排出的氫廢氣濃度的技術(shù)。
為解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)是一種燃料電池系 統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)選擇性地執(zhí)行具有第一效率的運(yùn)行和具有第二 效率的運(yùn)行(下文中稱為低效率運(yùn)行)，所述第二效率低于所述第一效 率，其特征在于所述燃料電池系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)裝置，用于根據(jù)從所述
排出的氣體的稀釋量。
這里，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)在于，從所述陰極排出的氣 體中包含的所述陽極氣體為在所述低效率運(yùn)行期間在所述燃料電池的 所述陰極中產(chǎn)生的氫氣，所述系統(tǒng)還包括旁通通道，所述旁通通道 允許流過所述燃料電池的氣體供給路徑的陰極氣體的一部分繞過所述 燃料電池，并將所述部分引入排出通道；并且所述調(diào)節(jié)裝置包括旁通 閥，所述旁通閥根據(jù)從所述燃料電池的所述陰極排出的氣體中包含的 氫氣的氣體量來控制旁通的所述陰極氣體的氣體量。
此外，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)在于，所述調(diào)節(jié)裝置控制旁 通的所述陰極氣體的所述氣體量，使得從所述系統(tǒng)排出的氫的排出濃 度不大于基準(zhǔn)值。
另外，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)在于，供給到所述燃料電池 的所述陰極的所述陰極氣體為包含氧的氧化氣體，并且所述系統(tǒng)還包 括氧化氣體供給源，所述氧化氣體供給源根據(jù)給定的指令排出所述 氧化氣體；和控制裝置，用于基于所述燃料電池的發(fā)電所需的氧化氣體量和允許繞過所述燃料電池的氧化氣體量來控制由所述氧化氣體供 給源排出的氧化氣體量。
另外，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)在于，所述控制裝置包括壓 力調(diào)節(jié)閥，所述壓力調(diào)節(jié)閥控制從所述氧化氣體供給源供給到所述燃 料電池的所述陰極的氧化氣體的氣體量，并且在所述低效率運(yùn)行期間， 在所述燃料電池的所述陰極中產(chǎn)生的氫氣量不大于所述基準(zhǔn)值的情況 下，所述調(diào)節(jié)裝置完全關(guān)閉所述旁通閥，而所述控制裝置根據(jù)所述燃 料電池的發(fā)電所需的氧化氣體量來在將所述壓力調(diào)節(jié)閥的開度保持恒 定的同時控制排出的氧化氣體量。
此外，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)在于，其中所述氧化氣體供 給源為空氣壓縮機(jī)，并且所述控制裝置根據(jù)所述燃料電池的發(fā)電所需 的氧化氣體量來在將所述壓力調(diào)節(jié)閥保持全開的同時控制排出的氧化 氣體量。
另外，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)在于，還包括估算裝置，用 于估算在所述低效率運(yùn)行期間在所述燃料電池的所述陰極中產(chǎn)生的氫 氣的氣體量。
另外，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)在于，所述估算裝置基于所 述燃料電池的輸出電流、所述燃料電池的空氣化學(xué)計(jì)量比和所述燃料 電池的溫度來估算氫的量。
此外，根據(jù)本發(fā)明的氫產(chǎn)生量的估算方法是在低效率運(yùn)行期間燃 料電池的陰極中產(chǎn)生的氫氣的氣體量的估算方法，包括第一估算步 驟，所述第一估算步驟基于所述燃料電池的輸出電壓和輸出電流來估 算所述燃料電池的空氣化學(xué)計(jì)量比；和第二估算步驟，所述第二估算 步驟基于所述燃料電池的所述輸出電流、所述空氣化學(xué)計(jì)量比和溫度 來估算在所述燃料電池的所述陰極中產(chǎn)生的氫氣的氣體量。另外，根據(jù)本發(fā)明的陽極氣體產(chǎn)生量估算器件是一種陽極氣體產(chǎn) 生量估算器件，所述陽極氣體產(chǎn)生量估算器件估算在燃料電池的陰極 中產(chǎn)生的陽極氣體量，其特征在于包括運(yùn)行控制裝置，用于在滿足 預(yù)定條件的情況下將所述燃料電池運(yùn)行于低效率運(yùn)行點(diǎn)，所述低效率 運(yùn)行點(diǎn)具有比通常運(yùn)行點(diǎn)的電力損失大的電力損失；以及估算裝置， 用于在所述燃料電池運(yùn)行于所述低效率運(yùn)行點(diǎn)的情況下基于所述燃料 電池的發(fā)電特性來估算在所述陰極中產(chǎn)生的陽極氣體量。
這里，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)在于，所述估算裝置考慮在 所述燃料電池的陰極側(cè)剩余的未反應(yīng)陰極氣體的剩余量和構(gòu)成所述燃 料電池的單電池的壓力損失的波動中的至少之一連同所述燃料電池的 發(fā)電特性及供給到所述燃料電池的陰極氣體量來估算陽極氣體產(chǎn)生
此外，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)在于，所述估算裝置既考慮 所述未反應(yīng)陰極氣體的剩余量又考慮所述單電池的壓力損失的波動來 估算所述陽極氣體產(chǎn)生量。
另外，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)還包括電壓監(jiān)測器，所述電 壓監(jiān)測器檢測所述燃料電池的輸出電壓，并且所述估算裝置基于由所 述電壓監(jiān)測器檢測到的所述輸出電壓來估算所述陰極中產(chǎn)生的陽極氣 體量。
另外，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)在于，所述電壓監(jiān)測器檢測 每個單電池的電池電壓，所述估算裝置包括指示在基準(zhǔn)電池的電池電
壓與所述陽極氣體產(chǎn)生量之間的關(guān)系的基準(zhǔn)函數(shù)；并且所述估算裝置 通過使用由所述電壓監(jiān)測器檢測到的每個單電池的電池電壓和所述基 準(zhǔn)函數(shù)來估算在所述陰極中產(chǎn)生的所述陽極氣體量。此外，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)在于，在需要預(yù)熱所述燃料 電池的情況下或者在需要恢復(fù)所述燃料電池的催化劑活性的情況下， 所述運(yùn)行控制裝置將所述燃料電池運(yùn)行于所述低效率運(yùn)行點(diǎn)。
另外，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)在于，在所述陰極中產(chǎn)生的 所述陽極氣體為氫。
另外，根據(jù)本發(fā)明的陽極氣體產(chǎn)生量的估算方法是在燃料電池的 陰極中產(chǎn)生的陽極氣體量的估算方法，包括運(yùn)行控制步驟，所述運(yùn) 行控制步驟在滿足預(yù)定條件的情況下將所述燃料電池運(yùn)行于低效率運(yùn) 行點(diǎn)，所述低效率運(yùn)行點(diǎn)具有比通常運(yùn)行點(diǎn)的電力損失大的電力損失； 以及估算步驟，所述估算步驟在所述燃料電池運(yùn)行于所述低效率運(yùn)行 點(diǎn)的情況下基于所述燃料電池的發(fā)電特性估算在所述陰極中產(chǎn)生的陽 極氣體量。
這里，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)為，所述估算步驟考慮在所 述燃料電池的陰極側(cè)剩余的未反應(yīng)陰極氣體的剩余量和構(gòu)成所述燃料 電池的單電池的壓力損失的波動中的至少之一連同所述燃料電池的發(fā) 電特性及供給到所述燃料電池的陰極氣體量來估算陽極氣體產(chǎn)生量。
此外，在上面的結(jié)構(gòu)中，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)為，所述估算步驟基于由電 壓監(jiān)測器檢測到的所述燃料電池的輸出電壓來估算所述陰極中產(chǎn)生的 所述陽極氣體量。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，即使是在燃料電池運(yùn)行在低發(fā)電效率的 狀態(tài)的情況下，也能充分地降低排出的氫濃度。根據(jù)本發(fā)明，可快速 準(zhǔn)確地獲得從陰極側(cè)排出的氫廢氣等的濃度。


圖1為示出根據(jù)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖；圖2為示出根據(jù)實(shí)施例的FC電流與FC電壓之間關(guān)系的圖； 圖3A為示出根據(jù)實(shí)施例的通常運(yùn)行期間的單電池反應(yīng)的圖； 圖3B為示出根據(jù)實(shí)施例的低效率運(yùn)行期間的單電池反應(yīng)的圖； 圖4為示出根據(jù)實(shí)施例的低效率運(yùn)行期間的運(yùn)行的流程圖； 圖5為示出根據(jù)第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖； 圖6A為示出根據(jù)實(shí)施例的通常運(yùn)行期間輸出電力與電力損失之 間關(guān)系的圖6B為示出根據(jù)實(shí)施例的低效率運(yùn)行期間輸出電力與電力損失 之間關(guān)系的圖7A為示出根據(jù)實(shí)施例的通常運(yùn)行期間的單電池反應(yīng)的圖； 圖7B為示出根據(jù)實(shí)施例的低效率運(yùn)行期間的單電池反應(yīng)的圖； 圖8為示出根據(jù)實(shí)施例的空氣化學(xué)計(jì)量比和產(chǎn)生的泵送氫的量之 間關(guān)系的圖9為示出根據(jù)第三實(shí)施例的燃料電池周圍結(jié)構(gòu)的圖IO為根據(jù)實(shí)施例的基準(zhǔn)函數(shù)的示意圖11為示出根據(jù)實(shí)施例的空氣流率調(diào)節(jié)圖的圖12為示出根據(jù)第四實(shí)施例的燃料電池周圍結(jié)構(gòu)的圖13為示出根據(jù)實(shí)施例的運(yùn)行的流程圖14為根據(jù)實(shí)施例的各運(yùn)行點(diǎn)的示意圖；以及
圖15為示出根據(jù)實(shí)施例的低效率預(yù)運(yùn)行的運(yùn)行的流程圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中，參考附圖，對根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述。 A.第一實(shí)施例
圖1為示出根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)100的主要部分的結(jié)構(gòu) 的圖。在本實(shí)施例中，假定燃料電池系統(tǒng)安裝在車輛上，如燃料電池 汽車(FCHV)、電動車或混合動力車上，但是該系統(tǒng)不只可應(yīng)用于車輛 上，還可應(yīng)用于各種運(yùn)動物體(例如，輪船、飛機(jī)、機(jī)器人等)和固定動 力源上。燃料電池系統(tǒng)100包括燃料氣體循環(huán)供給系統(tǒng)和氧化氣體供給系統(tǒng)。
燃料氣體循環(huán)供給系統(tǒng)包括燃料氣體供給源30、燃料氣體供給路 徑21、燃料電池40、燃料氣體循環(huán)路徑22和陽極廢氣通道23，氧化 氣體供給系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)60、氧化氣體供給路徑11和陰極廢氣通 道12。
燃料電池40為用于從供給的反應(yīng)氣體(燃料氣體和氧化氣體)發(fā)電 的裝置，并具有將多個單電池連續(xù)堆疊在一起的堆結(jié)構(gòu)，其中單電池 包括MEA(膜/電極復(fù)合材料)等。具體地，可使用各種類型的燃料電池， 例如固態(tài)聚合物型、磷酸型和溶解碳酸鹽型。
燃料氣體供給源30為用于向燃料電池40供給諸如氫氣的燃料氣 體的裝置，包括如高壓氫罐、氫存儲罐等。燃料氣體供給路徑21為氣 體通道，其將從燃料氣體供給源30排出的燃料氣體引入燃料電池40 的陽極，并且該氣體通道設(shè)有閥，如從上游到下游設(shè)有罐閥H1、氫供 給閥H2禾B FC入口閥H3。罐閥Hl 、氫供給閥H2和FC入口閥H3為 用于供給(或切斷供給)燃料氣體到氣體通道21至23或燃料電池40的 截止閥，且該閥包括例如電磁閥。
燃料氣體循環(huán)路徑22為用于將未反應(yīng)的燃料氣體返回到燃料電 池40的回流氣體通道，該氣體通道從上游到下游分別設(shè)有FC出口閥 H4、氫泵50和止回閥51。從燃料電池40排出的低壓未反應(yīng)燃料氣體 由氫泵50適當(dāng)?shù)卦鰤?，并引入燃料氣體供給路徑21。應(yīng)當(dāng)注意，止回 閥51抑制了燃料氣體從燃料氣體供給路徑21逆流至燃料氣體循環(huán)路 徑22。
陽極廢氣通道23為用于將從燃料電池40排出的包括氫廢氣的陽極廢氣排到系統(tǒng)外部的氣體通道，該氣體通道設(shè)有放氣閥H5。
空氣壓縮機(jī)60將從外界空氣獲取的氧氣(氧化氣體)通過空氣濾清 器(未示出)供給到燃料電池40的陰極。陰極廢氣從燃料電池40的陰極 排出。除了經(jīng)受燃料電池40的單電池反應(yīng)的氧氣廢氣(將在后面詳細(xì)描 述)之外，陰極廢氣還包括在陰極側(cè)等產(chǎn)生的泵送氫。由于該陰極廢氣 包括由燃料電池40的燃料反應(yīng)產(chǎn)生的水分，所以使該氣體達(dá)到高濕狀 態(tài)。
增濕模塊70在流過氧化氣體供給路徑11的低濕氧化氣體與流過 陰極廢氣通道12的高濕陰極廢氣之間進(jìn)行水分交換，以適當(dāng)?shù)卦鰸窆?給到燃料電池40的氧化氣體。供給到燃料電池40的氧化氣體的背壓 由布置在陰極廢氣通道12的陰極出口附近的空氣壓力調(diào)節(jié)閥A1調(diào)節(jié)。
這里，從空氣壓縮機(jī)60延伸到增濕模塊70的氧化氣體供給路徑 11經(jīng)由旁通閥Bl連接到從增濕模塊70延伸至稀釋單元80的陰極廢氣 通道12。旁通閥Bl和旁通通道31為用于允許流過氧化氣體供給路徑 11的氧化氣體的一部分繞過燃料電池40并將該部分引入陰極廢氣通道 12的裝置，且繞過的氧化氣體量由控制單元(調(diào)節(jié)裝置)160調(diào)節(jié)。應(yīng)當(dāng) 注意，在下面的描述中，繞過的氧化氣體稱為旁通空氣。
稀釋單元80稀釋氣體，使得排出的氫氣氣體濃度落入預(yù)定濃度范 圍內(nèi)(基于環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)等確定的范圍)。該稀釋單元80將陰極廢氣通道12 的下游側(cè)與陰極廢氣通道23的下游側(cè)連通，并混合和稀釋氫廢氣、泵 送氫、氧氣廢氣和旁通空氣，以便將該氣體從系統(tǒng)排出。
燃料電池40中產(chǎn)生的直流電力的一部分的電壓通過直流/直流轉(zhuǎn) 換器130升高和降低，以給電池140充電。
電池140為可充放電的二次電池，包括各種形式的二次電池(例如，鎳氫電池等)。當(dāng)然，除了二次電池之外，還可使用可充放電的電力存
儲單元來替代電池140,例如電容。
牽引逆變器110和輔助機(jī)械逆變器120為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的 PWM逆變器，其根據(jù)給定的控制指令，將從燃料電池40或電池140 輸出的直流電力轉(zhuǎn)換為三相交流電力，以將該電力供應(yīng)到牽引電機(jī)M3 和輔助機(jī)械電機(jī)M4。
牽引電機(jī)M3為驅(qū)動車輪150L、 150R的電機(jī)，輔助機(jī)械電機(jī)M4 為驅(qū)動各種輔助機(jī)械的電機(jī)。應(yīng)當(dāng)注意，輔助機(jī)械電機(jī)M4通常指的是 驅(qū)動氫氣循環(huán)泵50的電機(jī)Ml、驅(qū)動空氣壓縮機(jī)60的電機(jī)M2等。
控制單元(調(diào)節(jié)裝置)160包括CPU、 ROM、 RAM等，其在中央基 于輸入傳感器信號控制系統(tǒng)的各部分。具體地，該單元基于從檢測加 速踏板開度的加速踏板傳感器sl、檢測電池140的充電狀態(tài)(SOC)的 SOC傳感器s2、檢測牽引電機(jī)M3的轉(zhuǎn)數(shù)的T/C電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)檢測傳感器 s3、以及分別檢測燃料電池40的輸出電壓、輸出電流和內(nèi)部溫度的電 壓傳感器s4、電流傳感器s5、溫度傳感器s6等輸出的信號來控制逆變 器IIO、 120的輸出脈沖寬度等。
此外，在低溫等情況下起動期間，當(dāng)燃料電池40需要預(yù)熱時，控 制單元160使用存儲在存儲器170內(nèi)的圖mpl至mp5,執(zhí)行低發(fā)電效 率的運(yùn)行。
圖2為示出燃料電池的輸出電流(FC電流)與輸出電壓(FC電壓)之 間關(guān)系的示意圖。執(zhí)行高發(fā)電效率運(yùn)行(通常運(yùn)行；具有第一效率的運(yùn) 行)的情形由實(shí)線示出，降低氧化氣體量以執(zhí)行低發(fā)電效率運(yùn)行(低效率 運(yùn)行；具有低于第一效率的第二效率的運(yùn)行)的情形由虛線示出。應(yīng)當(dāng) 注意，橫坐標(biāo)表示FC電流，縱坐標(biāo)表示FC電壓。通常，當(dāng)燃料電池40運(yùn)行時，燃料電池40運(yùn)行于空氣化學(xué)計(jì)量 比設(shè)定為l.O或更高(理論值)的狀態(tài)，以抑制電力損失，并獲得高發(fā)電 效率(見圖2的實(shí)線部分)。這里，空氣化學(xué)計(jì)量比為實(shí)際空氣供給量相 對于產(chǎn)生FC電流所需理論空氣供給量的過量比。
另一方面，當(dāng)燃料電池40預(yù)熱時，燃料電池40運(yùn)行于空氣化學(xué) 計(jì)量比設(shè)定為大致l.O(理論值)的狀態(tài)，以增加電力損失，并提高燃料 電池40的溫度(見圖2的虛線部分)。當(dāng)空氣化學(xué)計(jì)量比設(shè)定為低來運(yùn) 行燃料電池時，與通過氫與氧之間的反應(yīng)所獲取的能量相關(guān)，正向增 加補(bǔ)償電力損失(即，熱損失)的能量。因此，可迅速預(yù)熱電池。另一方 面，在陰極產(chǎn)生泵送氫。
圖3為泵送氫產(chǎn)生機(jī)構(gòu)的示意圖，圖3A為示出通常運(yùn)行期間的單 電池反應(yīng)的圖，圖3B為示出低效率運(yùn)行期間的單電池反應(yīng)的圖。
每個單電池4都包括電解質(zhì)膜4a以及夾著該電解質(zhì)膜4a的陽極 電極和陰極電極。向陽極供給包括氫氣(H2)的燃料氣體，向陰極供給包 括氧氣(02)的氧化氣體。當(dāng)向陽極供給燃料氣體時，發(fā)生下面化學(xué)式(A) 的反應(yīng)，氫氣分離為氫離子和電子。陽極產(chǎn)生的氫離子滲透過電解質(zhì) 膜4a,移到陰極，而電子從陽極經(jīng)過外部電路，移到陰極。
這里，當(dāng)向陰極供給充足的氧化氣體時(空氣化學(xué)計(jì)量比s.o)，發(fā)
生下面化學(xué)式(B)的反應(yīng)，從氧氣、氫離子和電子產(chǎn)生水(見圖3A)。另
一方面，當(dāng)向陰極供給的氧化氣體不充足時(空氣化學(xué)計(jì)量比<1.0)，發(fā) 生與缺少氧化氣體量相一致的下面化學(xué)式(C)的反應(yīng)，并且氫離子再次 結(jié)合到電子上形成氫氣(見圖3)。產(chǎn)生的氫氣與氧氣廢氣一起從陰極排 出。應(yīng)當(dāng)注意，在陰極通過將分離的氫原子與電子彼此再次結(jié)合而產(chǎn) 生的氫，即在陰極產(chǎn)生的陽極氣體稱為泵送氫。
陽極<formula>formula see original document page 15</formula>陰極2H+ + 2e- + (l/2)02— H20…(B) 陰極2H+ + 2e-— H2…(C)
在供給到陰極的氧化氣體以這樣的方式而不足的情況下，陰極廢 氣中含有泵送氫。因此，在本實(shí)施例中，根據(jù)陰極廢氣中含有的泵送 氫的量來調(diào)節(jié)旁通空氣的流率，以控制排出的氫濃度。在下文中描述 低效率運(yùn)行期間燃料電池系統(tǒng)100的運(yùn)行。
圖4為示出低效率運(yùn)行期間燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行的流程圖。
在根據(jù)預(yù)熱溫度等(見圖2)將低效率運(yùn)行點(diǎn)(It， Vt)確定為目標(biāo)之 后，控制單元160引用存儲在存儲器170內(nèi)的低效率運(yùn)行化學(xué)計(jì)量比 圖mpl。低效率運(yùn)行化學(xué)計(jì)量比圖mpl從FC電流指令值It和FC電壓 指令值Vt確定空氣化學(xué)計(jì)量比，并基于通過實(shí)驗(yàn)等獲得的值來準(zhǔn)備。 控制單元160通過使用確定的FC電壓指令值It、 FC電壓指令值Vt和 低效率運(yùn)行化學(xué)計(jì)量比圖mpl來確定運(yùn)行點(diǎn)的空氣化學(xué)計(jì)量比Ra(步 驟Sl)。
當(dāng)確定空氣化學(xué)計(jì)量比Ra時，控制單元160引用存儲在存儲器 170內(nèi)的泵送氫量的圖mp2和排出氫量的圖mp3。參考泵送氫量的圖 mp2，從FC電壓指令值It、確定的空氣化學(xué)計(jì)量比Ra和由溫度傳感 器s6檢測的燃料電池40的溫度來估算產(chǎn)生的泵送氫的量(泵送氫量)， 并基于通過實(shí)驗(yàn)等獲得的值來準(zhǔn)備。排出氫量的圖mp3為用于從FC 電流估算包括氫廢氣的陽極廢氣排出量(排出氫量)的圖。
控制單元160通過使用確定的FC電流指令值It、空氣化學(xué)計(jì)量比 Ra、燃料電池40的溫度和泵送氫量的圖mp2來估算泵送氫量Apl。另 一方面，通過使用確定的FC電流指令值It和排出氫量的圖mp3來估 算排出氫量Ap2，且推導(dǎo)出低效率運(yùn)行點(diǎn)(It， Vt)的總排出氫量At作為 目標(biāo)(步驟S2;見下面的公式(l))。<formula>formula see original document page 17</formula>…(1)
在獲得總排出氫量At后，控制單元160得到將排出氫濃度設(shè)定為 不高于基準(zhǔn)值所需的FC空氣流率、空氣掃氣量指令值和旁通空氣流率 (歩驟S3)。具體地，使用下面的公式(2)獲得燃料電池40所需的空氣流 率(所需的FC空氣流率)An。
<formula>formula see original document page 17</formula>…(2)
然后，控制單元160使用下面的公式(3)獲得燃料電池40消耗的空 氣流率(FC消耗的空氣流率)Ac，并獲得用于稀釋氣體所需的空氣流率 (總空氣流率)Ad，以便使用下面的公式(4)將排出氫濃度設(shè)定為不高于 基準(zhǔn)值。
<formula>formula see original document page 17</formula>…(4) 其中，Dt為排出氫的目標(biāo)濃度(。/。)。
另外，控制單元(調(diào)節(jié)裝置)160將通過將最小旁通空氣流率Abl加 上FC所需空氣流率An所得的值與總空氣流率Ad相比較，并且該單 元將較大的值設(shè)定為空氣壓縮機(jī)60的送氣量指令值A(chǔ)sp(見下面的公式 (5))。此外，將設(shè)定的送氣量指令值A(chǔ)sp和FC所需空氣流率An代入 下面的公式(6),以獲得旁通空氣流率Abp。應(yīng)當(dāng)注意，最小旁通空氣 流率Abl表示低效率運(yùn)行期間通過旁通通道31的空氣的流率最小值。
<formula>formula see original document page 17</formula>... (6)
在獲得了 FC所需空氣流率An和旁通空氣流率Abp之后，控制單元160引用空氣壓力調(diào)節(jié)閥開度圖mp4和旁通閥開度圖mp5?？諝鈮?力調(diào)節(jié)閥開度圖mp4為用于從FC所需空氣流率An和旁通空氣流率 Abp確定空氣壓力調(diào)節(jié)閥Al的閥開度的圖，旁通閥開度圖mp5為用于 從FC所需空氣流率An和旁通空氣流率Abp確定旁通閥Bl的閥開度 的圖。
控制單元160使用FC所需空氣流率An、旁通空氣流率Abp、空 氣壓力調(diào)節(jié)闊開度圖mp4和旁通閥開度圖mp5來確定空氣壓力調(diào)節(jié)閥 A1和旁通閥B1的閥開度(步驟S4)。此時，使用從由電流計(jì)s5檢測的 FC電流測量值與目標(biāo)值之間的偏差產(chǎn)生的PID修正項(xiàng)來修正空氣壓力 調(diào)節(jié)閥Al的閥開度。
另外，在控制根據(jù)設(shè)定的送氣量指令值A(chǔ)s的空氣壓縮機(jī)60的驅(qū) 動后(步驟S5)，控制單元160前進(jìn)到步驟S6，以判斷是否結(jié)束低效率 運(yùn)行(即，是否結(jié)束燃料電池40的預(yù)熱運(yùn)行)。這里，當(dāng)燃料電池40的 溫度超過預(yù)定基準(zhǔn)溫度時，結(jié)束低效率運(yùn)行。當(dāng)溫度不高于基準(zhǔn)溫度 時，控制單元返回至步驟Sl，繼續(xù)上面的過程。當(dāng)然，本發(fā)明不限于 該實(shí)施例?？刂茊卧苫诋a(chǎn)生的熱量、低效率運(yùn)行的時間等來判斷 是否結(jié)束低效率運(yùn)行。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，不只考慮從陽極排出的排出氫的量， 還考慮從陰極排出的泵送氫的量來確定旁通空氣流率等。因此，即使 是在執(zhí)行低效率運(yùn)行時，也可充分地降低排出氫濃度，還可預(yù)先防止 從系統(tǒng)排出超出規(guī)定范圍的氫的問題。
<變型>
(l)在本實(shí)施例中，已經(jīng)描述了從處于供給到陰極的氧化氣體缺乏 的狀態(tài)下的燃料電池發(fā)電的情形，但是可替代地(或者另外地)，也可從 處于供給到陽極的燃料氣體缺乏的狀態(tài)下的燃料電池發(fā)電。(2) 此外，在本實(shí)施例中，示出了作為稀釋氣體供給到陰極的氧化 氣體，但是除氫氣氣體以外，還可使用任何其它氣體。
(3) 另外，在本實(shí)施例中，允許稀釋氣體(氧化氣體)流過氣體供給 路徑的部分繞過燃料電池，并進(jìn)入排氣通道，以降低排出的氫濃度。 但是，例如，可單獨(dú)地布置稀釋氣體供給裝置，并且稀釋氣體可從該 氣體供給裝置輸入排氣通道以降低排出的氫濃度。
(4) 另外，在本實(shí)施例中，已經(jīng)示出了起動系統(tǒng)期間執(zhí)行低效率運(yùn) 行的情形，但是，也可在例如系統(tǒng)所需電力不超過預(yù)定值的情形下和 給出停止系統(tǒng)指令的情形下執(zhí)行低效率運(yùn)行。
B.第二實(shí)施例
圖5為示出根據(jù)第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1000的主要部分的結(jié) 構(gòu)的圖。與上述第一實(shí)施例的方式相同，在第二實(shí)施例中，也假定燃 料電池系統(tǒng)安裝在車輛上，如燃料電池汽車(FCHV)、電動車或混合動 力車上，但是該系統(tǒng)不只可應(yīng)用于車輛上，還可應(yīng)用于各種運(yùn)動物體(例 如，輪船、飛機(jī)、機(jī)器人等)和固定動力源上。
燃料電池400為用于從供給的反應(yīng)氣體(燃料氣體和氧化氣體)發(fā) 電的裝置，并具有將多個單電池連續(xù)堆疊在一起的堆結(jié)構(gòu)，其中單電 池包括MEA(膜/電極復(fù)合材料)等。具體地，可使用各種類型的燃料電 池，例如固態(tài)聚合物型、磷酸型和溶解碳酸鹽型。從諸如高壓氫罐、 氫存儲罐或氫改質(zhì)單元的燃料氣體供給源1100向燃料電池400的燃料 極(陽極)供給包括氫的燃料氣體，而由空氣壓縮機(jī)700向氧極(陰極)供 給包括空氣的氧化氣體。
電池200為可充放電的二次電池，包括任何形式的二次電池(例如， 鎳氫電池等)。當(dāng)然，除了二次電池之外，還可使用可充放電的電力存 儲單元來替代電池200，例如可使用電容。該電池200通過直流/直流轉(zhuǎn)換器300插在燃料電池400的放電路徑之間。
燃料電池400和電池200與逆變器500a、 500b并聯(lián)。從燃料電池 400延伸至逆變器500a、 500b的路徑上設(shè)有防止電池200的電流逆流 的二極管420。
逆變器500a、 50bO為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的PWM逆變器，其根據(jù) 給定的控制指令，將從燃料電池400或電池200輸出的直流電力轉(zhuǎn)換 為三相交流電力，以將該電力供應(yīng)到電機(jī)600a、 600b。
空氣壓縮機(jī)電機(jī)600a為調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)700供給的氧化氣體量的 電機(jī)，牽引電機(jī)600b為驅(qū)動車輪800L、 800R的電機(jī)。應(yīng)當(dāng)注意，另 外，還布置有驅(qū)動各種輔助機(jī)械(氫氣泵等)的電機(jī)、逆變器等。
控制單元(運(yùn)行控制裝置、估算裝置)1500包括CPU、 ROM、 RAM 等，其在中央基于輸入傳感器信號控制系統(tǒng)的各部分。具體地，該單 元基于從檢測加速踏板開度的加速踏板傳感器1550、檢測電池200的 充電狀態(tài)(SOC)的SOC傳感器210、檢測牽引電機(jī)600b的轉(zhuǎn)數(shù)的T/C 電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)檢測傳感器610b等輸出的傳感器信號來控制逆變器500a、 500b的輸出脈沖寬度等。
此外，控制單元1500基于溫度傳感器410檢測的燃料電池400的 溫度判定是否需要預(yù)熱運(yùn)行。當(dāng)判斷需要預(yù)熱運(yùn)行時，控制單元1500 減少供給到陰極的氧化氣體，以執(zhí)行低發(fā)電效率操作。
圖6A為示出執(zhí)行高發(fā)電效率運(yùn)行(通常運(yùn)行)時，輸出電力與電力 損失之間關(guān)系圖，圖6B為示出執(zhí)行低發(fā)電效率運(yùn)行(低效率運(yùn)行)時， 輸出電力與電力損失之間關(guān)系的圖。應(yīng)當(dāng)注意，橫軸表示FC電流，縱 橫表示FC電壓，開環(huán)電壓(OCV)表示電壓處于沒有任何電流通過燃料 電池400的狀態(tài)。通常，在獲得如圖6所示的電流和電壓特性(下文中稱為IV特性)的燃料電池400中，控制單元1500在相對于輸出電力具有小電力損失 的通常運(yùn)行點(diǎn)(Ifcl， Vfcl)執(zhí)行運(yùn)行(見圖6A)。另一方面，當(dāng)執(zhí)行預(yù)熱操作時，控制單元(運(yùn)行控制裝置)1500在 具有大電力損失的低效率運(yùn)行點(diǎn)(Ifc2， Vfc2)執(zhí)行運(yùn)行，且升高燃料電 池400的內(nèi)部溫度(見圖6B)。在執(zhí)行這種低效率運(yùn)行的過程中，與通 過氫與氧之間的反應(yīng)所獲取的能量相關(guān)，正向增加補(bǔ)償電力損失(即， 熱損失)的能量。因此，可迅速預(yù)熱電池。下面詳細(xì)描述低效率運(yùn)行的控制?？刂茊卧?500使用直流/直流 轉(zhuǎn)換器300控制FC電壓，并減少供給到燃料電池400的氧化氣體量， 以控制FC電流。當(dāng)以這種方式來減少供給的氧化氣體量時，在燃料電 池400的陰極中產(chǎn)生泵送氫(后面描述)。在下文中描述泵送氫的產(chǎn)生機(jī) 構(gòu)。圖7為示出組成燃料電池400的單電池400a的示意圖。每個單電池400a都包括電解質(zhì)膜400b以及夾著該電解質(zhì)膜400b 的陽極電極和陰極電極。向陽極供給包括氫氣(H2)的燃料氣體，向陰極 供給包括氧氣(02)的氧化氣體。當(dāng)向陽極供給燃料氣體時，發(fā)生下面化 學(xué)式(ll)的反應(yīng)，氫氣分離為氫離子和電子。陽極產(chǎn)生的氫離子滲透過 電解質(zhì)膜400b，移到陰極，而電子從陽極經(jīng)過外部電路，移到陰極。這里，當(dāng)向陰極供給充足的氧化氣體時，發(fā)生下面化學(xué)式(12)的反 應(yīng)，從氧氣、氫離子和電子產(chǎn)生水(見圖7A)。另一方面，當(dāng)向陰極供 給的氧化氣體不充足時，發(fā)生與缺少氧化氣體量相一致的下面化學(xué)式 (13)的反應(yīng)，并且氫離子再次結(jié)合到電子上形成氫氣(見圖7B)。產(chǎn)生的 氫氣與氧氣廢氣一起從陰極排出。在陰極通過將分離的氫原子與電子彼此再次結(jié)合而產(chǎn)生的氫氣，即在陰極產(chǎn)生的陽極氣體稱為泵送氫。陽極H2— 2H+ + 2e-…(11);陰極2H+ + 2e- + (l/2)02— H20 (12);及陰極2H+ + 2e—— H2…(13)。圖8為示出空氣化學(xué)計(jì)量比與燃料電池中產(chǎn)生的泵送氫的量之間 關(guān)系的圖(單點(diǎn)劃線理論值；實(shí)線實(shí)際測量值)。縱坐標(biāo)表示產(chǎn)生的 泵送氫的量，橫坐標(biāo)表示空氣化學(xué)計(jì)量比。這里，空氣化學(xué)計(jì)量比為 氧過量比，其表示供給的氧相對于沒有任何過量或不足的反應(yīng)所需的 氧的過量比。理論上產(chǎn)生的泵送氫的量可由下面的公式(14)表示。當(dāng)空氣化學(xué)計(jì) 量比低于1時，理論上開始產(chǎn)生泵送氫。該理論上產(chǎn)生的泵送氫的量 隨著空氣化學(xué)計(jì)量比的降低而升高，如下面的公式(14)和圖8的單點(diǎn)劃 線所示。Vt = (l-St)*Ifc*{n/(2*F)}*22.4*60…(14) 其中，Vt —理論上產(chǎn)生的泵送氫的量； St —空氣化學(xué)計(jì)量比； Ifc 一輸出電流(發(fā)電特性)； F —法拉第常數(shù)； n —單電池?cái)?shù)目。上面的量為理論上得到的值，但實(shí)際上，如圖8中實(shí)線所示，當(dāng) 空氣化學(xué)計(jì)量比大于l.O時，開始產(chǎn)生泵送氫。本發(fā)明人估算，在理論 值與實(shí)際測量值之間產(chǎn)生偏差的原因之一是，在電池中存在未反應(yīng)的 氧含量(未達(dá)到反應(yīng)表面和沒有反應(yīng)的氧；未反應(yīng)的陰極氣體)，并評價 這些單電池。因此，發(fā)現(xiàn)圖8中所示的偏差量As基本上與未反應(yīng)的氧含量一致。應(yīng)當(dāng)注意，由于偏差量As依賴于單電池的特性(材料、形狀等)，所以可使用預(yù)先通過實(shí)驗(yàn)等獲得的該量。另外，本發(fā)明人估算，存在由于單電池中的分配波動(近似等于單 電池中的電壓損失波動)而無法供給到單電池的氧含量，并評價這些單 電池。具體地，把檢査要裝載的各制造單電池期間的電壓損失代入下 面的公式(15)至(17)，獲得分配比等以計(jì)算產(chǎn)生的泵送氫的量。從而， 發(fā)現(xiàn)該量基本上與實(shí)線的彎曲部分相一致。D(i) = Plave/Pl(i) ... (15); Bl= 1/Dmin + As…(16);及 B2= 1/Dmax + As…(17), 其中，D(i) —第i個單電池的分配比； Plave —單電池的平均電壓損失；Pl(i)—第i個單電池的電壓損失； Dmin —最小分配比； Dmax —最大分配比；Bl開始產(chǎn)生泵送氫時的空氣化學(xué)計(jì)量比；和 B2 —在直線與曲線交叉處的空氣化學(xué)計(jì)量比。下面對其更加詳細(xì)地描述。例如，當(dāng)單電池的平均電壓損失Plave 為1.0時，單電池中會有±20%的電壓損失波動(0.8至1.2)，偏差量As 為0.05，開始產(chǎn)生泵送氫時的最小分配比Dmin、最大分配比Dmax、 空氣化學(xué)計(jì)量比Bl和直線與曲線交叉時的空氣化學(xué)計(jì)量比B2分別如 下。還應(yīng)當(dāng)注意，在本發(fā)明中，在產(chǎn)生泵送氫時的空氣化學(xué)計(jì)量比的 運(yùn)行稱為低效率運(yùn)行，在不產(chǎn)生泵送氫時的空氣化學(xué)計(jì)量比的運(yùn)行稱 為通常運(yùn)行。Dmin = 1/1.2; Dmax- 1/0.8;Bl = 1/Dmin+As = 1.2/1+0.05 = 1.25; 和<formula>formula see original document page 24</formula>
如上所述，考慮了電池中未反應(yīng)的氧含量和由于分配波動而無法 供給的氧含量，可更加精確地估算產(chǎn)生的實(shí)際泵送氫的量。具體地， 可由下面的公式(18)估算在化學(xué)計(jì)量比X下產(chǎn)生的實(shí)際泵送氫的量。
<formula>formula see original document page 24</formula>
如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，考慮了電池中未反應(yīng)的氧含量和由于 分配波動而無法供給的氧含量，可更加精確地估算產(chǎn)生的實(shí)際泵送氫 的量。
<變型〉
在上面的實(shí)施例中，使用上面的公式(18)等檢測泵送氫。但是，例 如，排出泵送氫的陰極廢氣通道可設(shè)有氫傳感器，既可執(zhí)行氫傳感器 對泵送氫的檢測，又可執(zhí)行通過使用上面的公式(18)等對泵送氫的檢
此外，在上面的實(shí)施例中，考慮了電池中未反應(yīng)的氧含量和由于 分配波動而無法供給的氧含量，來估算產(chǎn)生的泵送氫的量，但可至少 考慮其中的一個來估算產(chǎn)生的泵送氫的量。
例如，當(dāng)只考慮電池中未反應(yīng)的氧含量時，可根據(jù)下面的公式(18)' 估算產(chǎn)生的泵送氫的量。另一方面，當(dāng)考慮了由于分配波動而無法供 給的氧含量時，根據(jù)下面的公式(18)"估算產(chǎn)生的泵送氫的量。
<formula>formula see original document page 24</formula>此外，在上面的實(shí)施例中，當(dāng)燃料電池400預(yù)熱時，電池運(yùn)行于低效率運(yùn)行點(diǎn)，但是當(dāng)恢復(fù)燃料電池400的催化劑活性時，電池可運(yùn) 行于低效率運(yùn)行點(diǎn)。例如，當(dāng)檢測到燃料電池400的電極催化劑達(dá)到中毒狀態(tài)時，電 池可運(yùn)行于低效率運(yùn)行點(diǎn)。在系統(tǒng)起動期間，電池一旦運(yùn)行于低效率 運(yùn)行點(diǎn)之后，該點(diǎn)可換至通常運(yùn)行點(diǎn)。另外，當(dāng)系統(tǒng)所需的電力不超 過預(yù)定值(例如，在怠速輸出附近)時，通常運(yùn)行點(diǎn)可換至低效率運(yùn)行點(diǎn)。 另外，在系統(tǒng)停止之后，可在低效率運(yùn)行點(diǎn)執(zhí)行其運(yùn)行，以在運(yùn)行期 間恢復(fù)惡化的催化劑活性，并準(zhǔn)備下一次起動。C.第三實(shí)施例圖9為示出根據(jù)第三實(shí)施例的燃料電池周圍結(jié)構(gòu)的圖。與上面實(shí) 施例的方式相同，在第三實(shí)施例中，也假定燃料電池系統(tǒng)安裝在車輛 上，如燃料電池汽車(FCHV)、電動車或混合動力車上，但是該系統(tǒng)不 只可應(yīng)用于車輛上，還可應(yīng)用于各種運(yùn)動物體(例如，輪船、飛機(jī)、機(jī) 器人等)和固定動力源上。圖9中所示燃料電池2400設(shè)有用于各單電池450-k(1 ^k^n)的單 電池監(jiān)測器460-k(l《k《n)。本實(shí)施例的特征在于，基于由單電池監(jiān)測 器460-k檢測的電池電壓來估算產(chǎn)生的泵送氫的量(或泵送氫濃度)。將 在下文中詳細(xì)描述。各單電池監(jiān)測器460-k檢測相應(yīng)單電池450-k的電壓值(電池電 壓)，以將該值提供給控制單元2500。當(dāng)從各單電池監(jiān)測器460-k接收 到電池電壓時，控制單元2500參考存儲在存儲器2510內(nèi)的基準(zhǔn)函數(shù) 估算各單電池內(nèi)產(chǎn)生的泵送氫的量。圖10為存儲在存儲器2510內(nèi)的基準(zhǔn)函數(shù)的示意圖。左側(cè)的縱坐標(biāo)表示產(chǎn)生的泵送氫的量，右面的縱坐標(biāo)表示電池電壓，橫坐標(biāo)表示 空氣化學(xué)計(jì)量比。
產(chǎn)生的泵送氫的量、電池電壓和空氣化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系通過 評價制造和裝載期間的預(yù)定單電池(下文中稱為基準(zhǔn)電池)來獲得。此 外，基于該評價結(jié)果，得到從基準(zhǔn)電池的電池電壓獲得產(chǎn)生的泵送氫
量的基準(zhǔn)函數(shù)(見公式(19)，并存儲在存儲器2510中。
Fs-f(Vs)…(19) 其中，F(xiàn)s —基準(zhǔn)電池中產(chǎn)生的泵送氫的量； Vs —基準(zhǔn)電池中的電池電壓； f 一基準(zhǔn)函數(shù)(任意的近似函數(shù))。
當(dāng)從各單電池監(jiān)測器460-k接收到電池電壓時，控制單元(估算裝 置)2500將各電池電壓代入上面公式(19)中所示的基準(zhǔn)函數(shù)f內(nèi)，從而 估算各單電池內(nèi)產(chǎn)生的泵送氫的量(見公式(20))。此外，將得到的單電 池中產(chǎn)生的泵送氫的量加起來，從而估算整個燃料電池中產(chǎn)生的泵送 氫的量(見公式(21))。
Fk = f(Vk) ... (20)
其中，F(xiàn)k—第k個單電池中產(chǎn)生的泵送氫的量； Vk —第k個單電池中的電池電壓。
<formula>formula see original document page 26</formula> (21)
控制單元2500將整個燃料電池內(nèi)產(chǎn)生的泵送氫的量除以燃料電 池2400陰極出口側(cè)上的空氣流率(氧化廢氣)，從而計(jì)算泵送氫濃度(見 公式(22))。應(yīng)當(dāng)注意，可通過布置在陰極出口側(cè)上的流率計(jì)來檢測陰 極出口側(cè)的空氣流率，但也可通過其它方法檢測。Dh = Fp/Fair ... (22)其中，F(xiàn)air為陰極出口側(cè)的空氣流率。在計(jì)算泵送氫濃度時，控制單元2500訪問存儲在存儲器2510內(nèi) 的空氣流率調(diào)節(jié)圖mp(見圖11)，并調(diào)節(jié)供給到燃料電池2400的氧化 氣體的流率?，F(xiàn)在描述一個實(shí)例。例如，當(dāng)泵送氫濃度Dh高于第一閾 值Dthl時，控制單元2500提高供給到燃料電池2400的氧化氣體的流 率，以降低泵送氫濃度。另一方面，當(dāng)泵送氫氣濃度Dh低于第二閾值 Dth2時，該單元降低供給到燃料電池2400的氧化氣體的流率，以增提 高泵送氫濃度。另外，當(dāng)泵送氫濃度Dh不小于第二閾值Dth2并且不 高于第一閾值Dthl時，該單元判斷泵送氫濃度落入適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，并 不再改變供給到燃料電池2400的氧化氣體的流量。如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，可檢測電池電壓，從而獲得產(chǎn)生的泵 送氫的量和泵送氫濃度。因此，不必單獨(dú)布置用于檢測的傳感器，可 降低零件的數(shù)目和制造成本。D.第四實(shí)施例圖12為示出根據(jù)第四實(shí)施例的燃料電池周圍結(jié)構(gòu)的圖。與上面實(shí) 施例的方式相同，在第四實(shí)施例中，也假定燃料電池系統(tǒng)安裝在車輛 上，如燃料電池汽車(FCHV)、電動車或混合動力車上，但是該系統(tǒng)不 只可應(yīng)用于車輛上，還可應(yīng)用于各種運(yùn)動物體(例如，輪船、飛機(jī)、機(jī) 器人等)和固定動力源上。燃料電池3400為用于從供給的反應(yīng)氣體(燃料氣體和氧化氣體)發(fā) 電的裝置，并具有將多個單電池連續(xù)堆疊在一起的堆結(jié)構(gòu)，其中各單 電池包括MEA(膜/電極復(fù)合材料)等。具體地，可使用各種類型的燃料 電池，例如固態(tài)聚合物型、磷酸型和溶解碳酸鹽型?？諝鈮嚎s機(jī)3700將從外界空氣獲取的氧(氧化氣體)通過空氣濾清器(未示出)供給到燃料電池3400的陰極?？諝鈮嚎s機(jī)電機(jī)3600為調(diào)節(jié) 空氣壓縮機(jī)3700供給的氧化氣體量(排出量)的電機(jī)，該電機(jī)的轉(zhuǎn)速根 據(jù)從控制單元3500給出的指令轉(zhuǎn)數(shù)來控制。
另外，陰極廢氣從燃料電池3400的陰極排出。陰極廢氣不只包括 經(jīng)歷燃料電池3400的單電池反應(yīng)的氧氣廢氣，還包括在陰極側(cè)等產(chǎn)生 的泵送氫。該陰極廢氣包括由燃料電池3400的單電池反應(yīng)產(chǎn)生的水分， 因此達(dá)到高濕狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)注意，由于在上面實(shí)施例中已經(jīng)闡明了泵送 氫的產(chǎn)生機(jī)構(gòu)等的細(xì)節(jié)，所以這里省略。
增濕模塊3700在流過氧化氣體供給路徑3110的低濕氧化氣體與 流過陰極廢氣通道3120的高濕陰極廢氣之間進(jìn)行水分交換，以適當(dāng)?shù)?增濕供給到燃料電池3400的氧化氣體。供給到燃料電池3400的氧化 氣體的背壓由布置在陰極廢氣通道3120陰極出口附近的空氣壓力調(diào)節(jié) 閥All調(diào)節(jié)。
這里，從空氣壓縮機(jī)3600延伸到增濕模塊3700的氧化氣體供給 路徑3110經(jīng)由旁通閥Bll連接到從增濕模塊3700延伸至稀釋單元 3800的陰極廢氣通道3120。旁通閥Bll和旁通通道3130為用于允許 流過氧化氣體供給路徑3110的氧化氣體的一部分繞過燃料電池3400， 并將該部分氣體引入陰極廢氣通道3120的裝置，旁通的氧化氣體量由 控制單元(控制裝置，調(diào)節(jié)裝置)3500調(diào)節(jié)。應(yīng)當(dāng)注意，在下面的描述中， 旁通的氧化氣體稱為旁通空氣。
稀釋單元3800稀釋氣體，使得排出的氫氣氣體濃度落入預(yù)定濃度 范圍內(nèi)(基于環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)等確定的范圍)。該稀釋單元3800將陰極廢氣通 道3120的下游側(cè)與陽極廢氣通道(未示出)的下游側(cè)連通，并混合和稀 釋氫廢氣、泵送氫、氧氣廢氣和旁通空氣，以便將該氣體從系統(tǒng)排出。
控制單元3500包括CPU、 ROM、 RAM等，其在中央基于輸入傳感器信號控制系統(tǒng)的各部分。具體地，該單元基于從檢測加速踏板開度的加速踏板傳感器、檢測電池的充電狀態(tài)(soc)的SOC傳感器等獲得燃料電池3400的所需輸出電力。另外，該單元控制空氣壓力調(diào)節(jié)閥 All和旁通閥Bll的開度，并基于從分別檢測燃料電池3400的輸出電 壓、輸出電流和內(nèi)部溫度的電壓傳感器s14、電流傳感器sl5、溫度傳 感器si6等輸入的傳感器信號來控制空氣壓縮機(jī)電機(jī)3600的轉(zhuǎn)數(shù)(即， 氧化氣體的指令流率)等。應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)根 據(jù)下述的產(chǎn)生的泵送氫的量來執(zhí)行兩種低效率運(yùn)行。圖13為示出根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行的流程圖?？刂茊卧?500基于從溫度傳感器s16輸出的傳感器信號檢測燃料 電池3400的溫度(FC溫度)(步驟SllO)。控制單元3500將檢測的FC溫 度與存儲器(未示出)內(nèi)存儲的基準(zhǔn)溫度作比較，從而判斷是否需要預(yù)熱 (步驟S120)。當(dāng)判斷FC溫度超過基準(zhǔn)溫度、不必預(yù)熱時，控制單元 3500執(zhí)行通常運(yùn)行過程(步驟S130)。這里，通常運(yùn)行過程為系統(tǒng)運(yùn)行 在無需預(yù)熱的高效率運(yùn)行點(diǎn)(即，具有小電力損失的運(yùn)行點(diǎn))的過程。另一方面，當(dāng)判斷FC溫度不高于基準(zhǔn)溫度、需要預(yù)熱時，控制單 元3500前進(jìn)到步驟S140，以判斷是否執(zhí)行低效率預(yù)運(yùn)行或低效率主運(yùn) 行。這里，低效率主運(yùn)行為預(yù)熱期間一直執(zhí)行的低效率運(yùn)行(見第二實(shí) 施例的描述及圖6等)。低效率預(yù)運(yùn)行為在電力損失小于低效率主運(yùn)行 而大于通常運(yùn)行的運(yùn)行點(diǎn)(見圖14中所示(Ifc3， Vfc3))執(zhí)行的運(yùn)行。例 如，當(dāng)燃料電池3400的OCV約為400V時，如圖14中所示，在低效 率預(yù)運(yùn)行點(diǎn)的FC電壓Vfc3為約200V(在本實(shí)施例中為固定值)，在低 效率主運(yùn)行點(diǎn)的FC電壓Vfc4為約50V。從該描述可理解，由于低效 率預(yù)運(yùn)行的電力損失小于低效率主運(yùn)行的電力損失，所以低效率預(yù)運(yùn) 行期間燃料電池3400的溫度上升速度低于低效率主運(yùn)行期間的上升速 度。在本實(shí)施例中，控制單元3500判斷當(dāng)車輛行駛時應(yīng)當(dāng)執(zhí)行低效率 預(yù)運(yùn)行，當(dāng)車輛停止時(包括起動時)判斷應(yīng)當(dāng)執(zhí)行低效率主運(yùn)行。另外， 該判斷標(biāo)準(zhǔn)只是一個例子，其可基于FC溫度與基準(zhǔn)溫度之間的溫度差 判斷是執(zhí)行低效率預(yù)運(yùn)行還是低效率主運(yùn)行。具體地，當(dāng)FC溫度與基 準(zhǔn)溫度之間的溫度差超過設(shè)定的閾值時，執(zhí)行低效率主運(yùn)行。另一方 面，當(dāng)溫度差不大于設(shè)定的閾值時，執(zhí)行低效率預(yù)運(yùn)行?？筛鶕?jù)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)等適當(dāng)?shù)卦O(shè)定以這種方式判斷執(zhí)行低效率主運(yùn)行還是低效率預(yù)運(yùn) 行的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)因?yàn)檐囕v停止而判斷應(yīng)當(dāng)執(zhí)行低效率主運(yùn)行時，控制單元3500 前進(jìn)到步驟S150，以執(zhí)行低效率主運(yùn)行。具體地，從燃料電池3400所 需的電力(FC所需電力)和預(yù)熱所需的熱量(電力損失)來確定FC電流值 和FC電壓值，并且在對應(yīng)于確定的FC電流指令值和FC電壓指令值 的運(yùn)行點(diǎn)處執(zhí)行運(yùn)行(細(xì)節(jié)可參考第二實(shí)施例)。另一方面，當(dāng)因?yàn)檐囕v行駛而判斷應(yīng)當(dāng)執(zhí)行低效率預(yù)運(yùn)行時，控 制單元3500前進(jìn)到步驟S160,以執(zhí)行低效率預(yù)運(yùn)行。圖15為示出低效率預(yù)運(yùn)行的運(yùn)行流程圖?？刂茊卧?500首先將旁通閥B11的閥開度設(shè)為"全閉"，將空氣 壓力調(diào)節(jié)閥All的閥開度設(shè)為"全開"(步驟S210—步驟S220)。這里， 將旁通閥Bll的閥開度設(shè)為"全閉"的理由在于，低效率預(yù)運(yùn)行期間 產(chǎn)生的泵送氫的量小，氣體不必使用未反應(yīng)的氧化氣體來稀釋。換句 話說，低效率預(yù)運(yùn)行期間的運(yùn)行點(diǎn)控制為使得減少產(chǎn)生的泵送氫的量 (該量落入無需稀釋的調(diào)節(jié)范圍內(nèi))。當(dāng)如上調(diào)節(jié)旁通閥Bll和空氣壓力調(diào)節(jié)閥All的閥開度時，控制 單元3500讀取預(yù)先存儲在存儲器(未示出)內(nèi)的低效率預(yù)運(yùn)行的運(yùn)行點(diǎn) (見圖14),以確定FC電流指令值和FC電壓指令值(步驟S230)。此外，控制單元3500基于確定的FC電流指令值來確定空氣化學(xué) 計(jì)量比。為對其進(jìn)行詳細(xì)描述，控制單元3500根據(jù)FC電流-空氣化學(xué) 計(jì)量比圖來確定與確定的FC電流指令值相對應(yīng)的化學(xué)計(jì)量比(步驟 S240)，其中FC電流-空氣化學(xué)計(jì)量比圖示出了預(yù)先存儲在存儲器等內(nèi) 的FC電流指令值與化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系。此外，控制單元3500將 確定的空氣化學(xué)計(jì)量比Ap代入下面的公式(22),從而獲得FC所需空 氣流率Ar(步驟S250)。Ar = Ac*Ap/(96500*4) ... (22) 其中，Ap為FC消耗的氧量。應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)FC電流指令值和構(gòu)成燃料電池的單電池?cái)?shù)目來確 定由FC消耗的氧量Ap。此外，控制單元3500將FC電流指令值與由電流傳感器sl5檢測 的FC電流值(實(shí)際測量值)作比較，以獲得其差別(步驟S260)。控制單 元3500基于這樣獲得的差別修正FC所需空氣流率(步驟S270)。此外， 控制單元3500從修正的FC所需空氣流率(指令的氧化氣體流率)獲得空 氣壓縮機(jī)3600的轉(zhuǎn)數(shù)，并將該轉(zhuǎn)數(shù)作為指令的轉(zhuǎn)數(shù)供給到空氣壓縮機(jī) 3600，從而控制燃料電池3400的電流(步驟S280)。當(dāng)執(zhí)行該控制時，控制單元3500基于從溫度傳感器s16提供的傳 感器信號判斷檢測的FC溫度是否超過了基準(zhǔn)溫度，即，是否可結(jié)束預(yù) 熱(步驟S290)。當(dāng)FC溫度未超過基準(zhǔn)溫度時，控制單元3500返回到 步驟S230，以繼續(xù)系統(tǒng)的預(yù)熱，并反復(fù)執(zhí)行一系列上述過程。另一方 面，當(dāng)FC溫度超過基準(zhǔn)溫度時，控制單元3500判斷該系統(tǒng)不必再預(yù) 熱，上述過程結(jié)束。如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，在不必稀釋泵送氫的低效率預(yù)運(yùn)行期間，旁通閥全閉，空氣壓力調(diào)節(jié)闊全開，并控制由空氣壓縮機(jī)供給的 空氣流率，以控制FC電流。因此，與通常運(yùn)行和使用空氣壓力調(diào)節(jié)閥
和空氣壓縮機(jī)控制FC電流的低效率主運(yùn)行相比，可執(zhí)行簡單的控制。 <變型>
(1) 在上面的實(shí)施例中，在低效率預(yù)運(yùn)行期間，旁通閥全閉，空氣 壓力調(diào)節(jié)閥全開，并控制由空氣壓縮機(jī)供給的空氣流率，以控制FC電 流。但是，本發(fā)明不限于該實(shí)施例。旁通閥和空氣壓力調(diào)節(jié)閥的閥開 度可設(shè)定為恒定，并控制由空氣壓縮機(jī)供給的空氣流率，以控制FC電 流。
(2) 此外，在上面的實(shí)施例中，檢測FC溫度，以判斷系統(tǒng)是否需 要預(yù)熱，但是除了FC溫度，還可檢測外界空氣溫度和燃料電池周圍組 件的溫度，以判斷系統(tǒng)是否需要預(yù)熱。
(3) 另外，在上面的實(shí)施例中，低效率預(yù)運(yùn)行點(diǎn)是固定的，但是低 效率預(yù)運(yùn)行點(diǎn)可在一定范圍內(nèi)變化，其中產(chǎn)生的泵送氫的量落入調(diào)節(jié) 范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)選擇性地執(zhí)行具有第一效率的運(yùn)行和具有第二效率的運(yùn)行即低效率運(yùn)行，所述第二效率低于所述第一效率，所述燃料電池系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)裝置，用于根據(jù)在所述低效率運(yùn)行期間從所述燃料電池的陰極排出的氣體中包含的陽極氣體的氣體量來調(diào)節(jié)從陰極排出的氣體的稀釋量。
2. 如權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中從所述陰極排出的氣 體中包含的所述陽極氣體為在所述低效率運(yùn)行期間在所述燃料電池的 所述陰極中產(chǎn)生的氫氣，所述系統(tǒng)還包括-旁通通道，所述旁通通道允許流過所述燃料電池的氣體供給路徑 的陰極氣體的一部分繞過所述燃料電池，并將所述部分引入排出通道；所述調(diào)節(jié)裝置包括旁通閥，所述旁通閥根據(jù)從所述燃料電池的所 述陰極排出的氣體中包含的氫氣的氣體量來控制旁通的所述陰極氣體 的氣體量。
3. 如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述調(diào)節(jié)裝置控制旁 通的所述陰極氣體的所述氣體量，使得從所述系統(tǒng)排出的氫的排出濃 度不大于基準(zhǔn)值。
4. 如權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中供給到所述燃料電池 的所述陰極的所述陰極氣體為包含氧的氧化氣體，所述燃料電池系統(tǒng)還包括氧化氣體供給源，所述氧化氣體供給源根據(jù)給定的指令排出所述 氧化氣體；和控制裝置，用于基于所述燃料電池的發(fā)電所需的氧化氣體量和允 許繞過所述燃料電池的氧化氣體量來控制由所述氧化氣體供給源排出的氧化氣體量。
5. 如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制裝置包括壓 力調(diào)節(jié)閥，所述壓力調(diào)節(jié)閥控制從所述氧化氣體供給源供給到所述燃 料電池的所述陰極的氧化氣體量，并且在所述低效率運(yùn)行期間，在所述燃料電池的所述陰極中產(chǎn)生的氫 氣量不大于所述基準(zhǔn)值的情況下，所述調(diào)節(jié)裝置完全關(guān)閉所述旁通閥， 而所述控制裝置根據(jù)所述燃料電池的發(fā)電所需的氧化氣體量來在將所 述壓力調(diào)節(jié)閥的開度保持恒定的同時控制排出的氧化氣體量。
6. 如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述氧化氣體供給源 為空氣壓縮機(jī)，并且所述控制裝置根據(jù)所述燃料電池的發(fā)電所需的氧化氣體量來在將 所述壓力調(diào)節(jié)閥保持全開的同時控制排出的氧化氣體量。
7. 如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括估算裝置，用于估算在所述低效率運(yùn)行期間在所述燃料電池的所 述陰極中產(chǎn)生的氫氣的氣體量。
8. 如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述估算裝置基于所 述燃料電池的輸出電流、所述燃料電池的空氣化學(xué)計(jì)量比和所述燃料 電池的溫度來估算氫的量。
9. 一種氫產(chǎn)生量的估算方法，所述方法估算在低效率運(yùn)行期間燃 料電池的陰極中產(chǎn)生的氫氣的氣體量，所述方法包括第一估算步驟，所述第一估算步驟基于所述燃料電池的輸出電壓 和輸出電流來估算所述燃料電池的空氣化學(xué)計(jì)量比；和第二估算步驟，所述第二估算步驟基于所述燃料電池的所述輸出 電流、所述空氣化學(xué)計(jì)量比和溫度來估算在所述燃料電池的所述陰極 中產(chǎn)生的氫氣的氣體量。
10. —種陽極氣體產(chǎn)生量估算器件，所述陽極氣體產(chǎn)生量估算器 件估算在燃料電池的陰極中產(chǎn)生的陽極氣體量，所述陽極氣體產(chǎn)生量 估算器件包括-運(yùn)行控制裝置，用于在滿足預(yù)定條件的情況下將所述燃料電池運(yùn) 行于低效率運(yùn)行點(diǎn)，所述低效率運(yùn)行點(diǎn)具有比通常運(yùn)行點(diǎn)的電力損失 大的電力損失；以及估算裝置，用于在所述燃料電池運(yùn)行于所述低效率運(yùn)行點(diǎn)的情況 下基于所述燃料電池的發(fā)電特性來估算在所述陰極中產(chǎn)生的陽極氣體里。
11. 如權(quán)利要求io所述的陽極氣體產(chǎn)生量估算器件，其中所述估算裝置考慮在所述燃料電池的陰極側(cè)剩余的未反應(yīng)陰極氣體的剩余量 和構(gòu)成所述燃料電池的單電池的壓力損失的波動中的至少之一連同所 述燃料電池的發(fā)電特性及供給到所述燃料電池的陰極氣體量來估算陽 極氣體產(chǎn)生量。
12. 如權(quán)利要求ll所述的陽極氣體產(chǎn)生量估算器件，其中所述估 算裝置既考慮所述未反應(yīng)陰極氣體的剩余量又考慮所述單電池的壓力 損失的波動來估算所述陽極氣體產(chǎn)生量。
13. 如權(quán)利要求IO所述的陽極氣體產(chǎn)生量估算器件，還包括 電壓監(jiān)測器，所述電壓監(jiān)測器檢測所述燃料電池的輸出電壓； 其中所述估算裝置基于由所述電壓監(jiān)測器檢測到的所述輸出電壓來估算所述陰極中產(chǎn)生的陽極氣體量。
14. 如權(quán)利要求13所述的陽極氣體產(chǎn)生量估算器件，其中所述電 壓監(jiān)測器檢測每個單電池的電池電壓，所述估算裝置包括指示在基準(zhǔn)電池的電池電壓與所述陽極氣體產(chǎn) 生量之間的關(guān)系的基準(zhǔn)函數(shù)；并且所述估算裝置通過使用由所述電壓監(jiān)測器檢測到的每個單電池的 電池電壓和所述基準(zhǔn)函數(shù)來估算在所述陰極中產(chǎn)生的所述陽極氣體量。
15. 如權(quán)利要求10至14中任一項(xiàng)所述的陽極氣體產(chǎn)生量估算器 件，其中在需要預(yù)熱所述燃料電池的情況下或者在需要恢復(fù)所述燃料 電池的催化劑活性的情況下，所述運(yùn)行控制裝置將所述燃料電池運(yùn)行 于所述低效率運(yùn)行點(diǎn)。
16. 如權(quán)利要求10至15中任一項(xiàng)所述的陽極氣體產(chǎn)生量估算器 件，其中在所述陰極中產(chǎn)生的所述陽極氣體為氫。
17. —種陽極氣體產(chǎn)生量估算方法，所述陽極氣體產(chǎn)生量估算方 法估算在燃料電池的陰極中產(chǎn)生的陽極氣體量，所述陽極氣體產(chǎn)生量 估算方法包括運(yùn)行控制步驟，所述運(yùn)行控制步驟在滿足預(yù)定條件的情況下將所 述燃料電池運(yùn)行于低效率運(yùn)行點(diǎn)，所述低效率運(yùn)行點(diǎn)具有比通常運(yùn)行 點(diǎn)的電力損失大的電力損失；以及估算步驟，所述估算步驟在所述燃料電池運(yùn)行于所述低效率運(yùn)行 點(diǎn)的情況下基于所述燃料電池的發(fā)電特性估算在所述陰極中產(chǎn)生的陽 極氣體量。
18. 如權(quán)利要求17所述的陽極氣體產(chǎn)生量估算方法，其中所述估 算步驟考慮在所述燃料電池的陰極側(cè)剩余的未反應(yīng)陰極氣體的剩余量 和構(gòu)成所述燃料電池的單電池的壓力損失的波動中的至少之一連同所 述燃料電池的發(fā)電特性及供給到所述燃料電池的陰極氣體量來估算陽 極氣體產(chǎn)生量。
19. 如權(quán)利要求17所述的陽極氣體產(chǎn)生量估算方法，其中所述估 算步驟基于由電壓監(jiān)測器檢測到的所述燃料電池的輸出電壓來估算所 述陰極中產(chǎn)生的所述陽極氣體量。
全文摘要
公開了一種即使燃料電池在低發(fā)電效率狀態(tài)下運(yùn)行的情況下，也能夠充分降低排出的氫濃度的燃料電池系統(tǒng)等。在氧化氣體供給路徑(11)與陰極廢氣通道(12)之間布置有旁通閥(B1)。在供給到陰極的氧化氣體不足的狀態(tài)下，在陰極廢氣中含有泵送氫。因此，調(diào)節(jié)旁通閥(B1)的閥開度，并調(diào)節(jié)旁通空氣的流率，以控制排出的氫濃度。
文檔編號H01M8/04GK101292384SQ20068003917
公開日2008年10月22日 申請日期2006年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者今西啟之, 小川朋也, 手島剛, 真鍋晃太, 能登博則, 長沼良明 申請人:豐田自動車株式會社