燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及一种燃料电池系统。更具体地，本发 明涉及一种用于确定燃料电池中的湿度状态的方法及设备。
背景技术：
燃料电池是釆用氢与氧之间的电化学反应以产生电能或电 力的电化学装置。在燃料系统中，由于供气不足、由通道内残 留液滴引起的发电不良、以及由电解质的干燥引起的导电性降 低，产生来自电池的输出降低。当燃料电池在这样的条件下运 行时，引起电池劣化加速的问题。因此，为解决上述问题，必 须确定燃料电池中的湿度状态。
在日本特开2004-127915号公报中公开了用于确定湿度状 态的方法。在该公报中，当平均电池电压在第一预定范围内且 存在输出电压在第二预定范围之外的电池块时，认为过湿。当 平均电池电压在第 一预定范围之外且电压的变化在第三预定范 围内时，认为不够湿。当电压的变化在第三预定范围之外时， 认为燃料气体不足。
在日本特开2002-184438号公报中公开了确定电压降低的 电池单元(unit cell)在堆中所占的位置的技术。如果电池单元位 于靠近端部的位置，则判断为电池堆处于过湿的状态，然而如 果电池单元位于靠近中部的位置，则判断为电池堆处于不够湿 的状态。
在日本特开平9-245826号公报中公开了通过如下方法来确 定湿度状态的方法预先在存储装置中存储包括一个或多个电 池单元的电池块的电压随时间的改变模式；测量各电池单元或
电池块的电压随时间的改变模式；并将作为结果测得的电压模 式与所存储的模式进行比较。
在曰本特开2005-228688号公报中，为多个电池单元中的每 一个测量电压。如果当影响负载或加湿状态的因素改变时最小 电池单元电压超过第一预定值，则电池单元一皮判断为湿，并且， 如果影响湿度的因素还在改变或已经结束了改变而电压降至低 于第二预定值，则判断的结果生效。

发明内容
然而，已经发现在日本特开2004-127915号公报中，不能区 分以下两种情况由于在电池内的通道中积累的水(过湿)和气 体分布发生变化而降低了电池电压的情况，以及由于电池内部 和电解质膜干燥(不够湿)而使反应效率和电池输出降低的情况。
在日本特开2002-184438号公报中，基于电压降低了的电池 的位置来确定湿度状态，对于电池堆的端部由于电池温度低且 水分不易蒸发而确定为过湿，但对于电池堆的中部由于电池温 度高且水分容易蒸发而确定为不够湿。然而，在实际使用中， 电池堆的端部可能不够湿或电池堆的中部可能过湿，因此湿度 状态不取决于电池在电池堆中的位置。因而产生给出错误判断 的风险。
此外，在日本特开平9-245826以及日本特开2005-228688号 公报中，不能区分以下两种情况由于在电池通道中收集的水 (过湿)和气体分布发生变化而使电池电压降低的情况，以及由 于电池内部和电解质膜干燥(不够湿)而4吏反应效率和电池输出 降低的情况。
根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池温度确定方
法，该方法基本包括确定燃料电池堆的多个独立电池的平均 电池电压与由独立电池输出的电压的最小电池值之间的绝对电 压差，将绝对电压差与第一预设值进行比较，基于绝对电压差 与第一预设值之间的比较，改变氧化剂气体的流量，并且在改 变了氧化剂气体的流量之后，基于绝对电压差的改变，确定燃 料电池堆中的湿度状态。
通过以下结合附图、公开本发明优选实施例的详细说明， 对于本技术领域的技术人员来说，本发明的这些和其它目的、 特征、方面以及优点将变得明显。


现在参考构成本原始公开的 一 部分的附图
图l是示出根据本发明第 一 实施例的燃料电池系统的整体 构造的示意框图2是示出根据本发明第一实施例用于确定燃料电池堆内 的湿度状态的方法的流程图3是示出当通过减少氧化剂气体的流量(flow rate)来改变
湿度状态时的电压波形的图4是图3的局部放大图，示出图3中的A！时刻(稳定工作) 的电压波形；
图5是图3的局部放大图，示出图3中的Bi时刻(过湿)的电压 波形；
图6是图3的局部放大图，示出图3中的Ci时刻(缺氧)的电压 波形；
图7是示出当燃料电池在运行(在拥挤路段行驶)时最小电 池电压随时间的改变的图8是图7的局部放大图，示出在图7中的A2时刻当燃料电
池在运行(在拥挤路段行驶)时最小电池电压随时间的改变；
图9是图7的局部放大图，示出在图7中的B2时刻当燃料电池 在运行(在拥挤路段行驶)时最小电池电压随时间的改变；
图10是图7的局部放大图，示出在图7中的C2时刻当燃料电 池在运行(在拥挤路段行驶)时最小电池电压随时间的改变；
图ll是根据本发明第二实施例用于确定燃料电池堆中的湿 度状态的处理的流程图12是示出根据本发明第二实施例在用于确定湿度状态的 方法中的最小电池电压与平均电池电压Va的差的实际测量的 例子的图13是示出根据本发明第三实施例用于确定燃料电池堆中 的湿度状态的方法的流程图。
具体实施例方式
现在将参考

本发明所选的实施例。根据该公开， 本领域的技术人员明白以下对本发明实施例的说明仅用于例 证，其目的不在于如同权利要求书及其等同物定义本发明那样 限制本发明。下面将参考附图来说明本发明的实施例。在附图
第一实施例
首先参考图1,示出根据本发明第一实施例的燃料电池系 统。本实施例的燃料电池系统基本包括具有多个电池单元2 的燃料电池堆l、燃料气体(氢)通道3、氧化剂气体(空气)通道4、 氧化剂气体流量调节器5、电子负载(electric 1oad)6、第一电压 传感器8、多个第二电压传感器9(l) 9(n)、控制器IO、压缩机ll、 以及氢罐12。燃料电池堆1用于通过采用氢与氧之间的电化学反 应来产生电力。燃料气体(氢)通道3被连接到燃料电池堆1的阳
极端。氧化剂气体(空气)通道4被连接到燃料电池堆1的阴极端。 压縮机ll和氧化剂气体流量调节器5被连接到氧化剂气体通道 4。氢罐12被连接到燃料气体通道3。电子负载6被连接到燃料电 池堆l。
电池单元2#:电串4关并构成多个电池块7。电池单元2具有电 极对，其中作为电解质的固体电解质膜被夹在阳极与阴极之间。
配置第一电压传感器8并用于测量由燃料电池堆l生成的电压 (下文称之为"燃料电池的总燃料电池电压，，)。配置第二电压传 感器9(1) 9(n)并用于测量各电池块7(1) 7(n)的电压 VCB( 1 ) VCB(n)。常量n的值对应于燃料电池堆1中所包含的电池 块7的数量。例如，在本发明的一个实施例中，燃料电池堆l具 有50个电池块7，常量n被设置为50。
通过燃料气体通道3将氢罐12连接到燃料电池堆1，并且氲 罐12以高压贮存被供给燃料电池堆1的氢。贮存于氢罐12中的氲 气通过氢压调节阀(未示出)来降压至燃料电池堆1所需的氢压。
通过氧化剂气体通道4将压缩机11连接到燃料电池堆1。压 缩机ll压缩空气，然后将空气供给氧化剂气体通道4。
通过氧化剂气体通道4将氧化剂气体流量调节器5连接到燃 料电池堆1 ，并且氧化剂气体流量调节器5 据来自控制器10的 命令改变氧化剂气体的流量。例如，可以使用调节孔径以使气 体流量能够被控制的阀(节气阀)作为氧化剂气体流量调节器5。
控制器10从第一电压传感器8和第二电压传感器9接收电压 信号，然后基于计算结果，向氧化剂气体流量调节器5输出控制 信号。控制器10包括平均电池电压计算器13、最小电池电压计 算器14、绝对电压差计算器15、电压差比较器16、氧化剂气体 流量命令部17、以及湿度状态确定部18。
接着，将使用图2的流程图说明上述结构中获取的燃料电池
系统的操作，即，用于确定根据本发明实施例的燃料电池的湿 度状态的方法。
首先，在步骤S01中，在由第二电压传感器9(l) 9(n)检测电 池块电压VcB(l) Vc(n)的同时，通过第一电压传感器8检测总燃
津牛电池电压VT。
接着，在步骤S02中，如公式(l)所示，平均电池电压计算 器13通过将总燃#牛电池电压V t除以组成燃冲牛电池堆的电池总 数(以下称之为"电池总数N，，)，来确定平均电池电压VA。最小电 池电压计算器14通过使用电池块电压Vcb和平均电池电压VA, 通过公式(2)为各电池块7( 1 ) 7(n)计算电池电压Vc( 1 ) Vc(n)，其 中n，是组成电池块7的电池数，并且将计算Vc(l) Vc(n)的结果 中的最小值设置为最小电池电压Vn^。
平均电池电压(VA) = VT/N (1) 电池电压Vc(n)- VCB(n)- (n， - 1 "VA (2) 在步骤S03中，绝对电压差计算器15计算在步骤S02中所获
得的平均电池电压Va与最小电池电压Vmin之间的绝对电压差， 例如，通过从平均电池电压Va中减去最小电池电压Vmin来获得 绝对电压差。可选地，代替计算平均电池电压VA与最小电池电 压Vw"可以使用产生表示平均电池电压VA与最小电池电压 Vmin之间的差的电压偏差的数字电路来确定绝对电压差。因此， 这些电压偏差可以构成绝对电压差。
在步骤S04中，绝对电压差比较器16将在步骤SO:3中计算出
的绝对电压差与第 一预设值进行比较。由于绝对电压差总具有 正值，因而第一预设值与下述的预设值被设置为绝对值或正值。
当通过从平均电池电压Va中减去最小电池电压Vmin所获得的绝
对电压差小于第一预设值时(步骤S04中的"否，，)，处理进入步骤 S05,燃料电池继续运行而保持氧化剂气体的流量。
另一方面，在步骤S04中，当通过从平均电池电压VA中减
去最小电池电压Vmin所获得的绝对电压差大于或等于第 一预设
值时(步骤S04中的"是")，处理进入步骤S06。在步骤S06中，氧 化剂气体流量命令部17向氧化剂气体流量调节器5发送控制信 号以增加氧化剂气体的流量。
一旦在步骤S06中增加了氧化剂气体的流量，则在步骤S07 中，绝对电压差比较器16进一步将大于或等于第一预设值的第
二预设值与通过从平均电池电压VA中减去最小电池电压Vmin所
获得的绝对电压差进行比较。然后，当通过从平均电池电压v八
中减去最小电池电压V m i n所获得的绝对电压差小于第二预设值
时(步骤S07中的"否，，)，处理进入步-骤S09。因此，增加氧^f匕剂 气体的流量，这是用于使燃料电池堆l湿度更小的动作，从而，
最小电池电压Vmin相应地返回到平均电池电压VA。结果，湿度
状态确定部18确定燃料电池堆1处于不够湿状态以外的过湿状
态。在这种情形中，通过进一步增加氧化剂气体的流量并驱散 残留在燃料电池堆l中的水，来消除该过湿状态，或执行其它相
应动作。
另一方面，当在步骤S07中的电压比较结果表明通过从平
均电池电压VA中减去最小电池电压Vmin所获得的绝对电压差已 由于氧化剂气体的流量增加而进 一 步降低、并且大于或等于第
二预设值时(步骤S07中的"是")，处理进入步骤S08。在这种情
形中，由于最小电池电压Vmin没有因为氧化剂气体流量增加而 返回到平均电池电压VA,因而湿度状态确定部18确定燃料电池 堆l不够湿，其中氧化剂气体流量增加是用于使燃料电池堆l湿 度更小的动作。在这种情形中，降低氧化剂气体的流量，以便 残留在燃料电池堆1中的水增加，或执行其它相应的动作。
本发明中的第一预设值可以被设置为当燃料电池运行于最
佳状态时可获得的绝对电压值，其高于通过从平均电池电压V A 中减去最小电池电压Vmin所获得的绝对电压差的最大绝对值。 绝对值的设置最好考虑到电池中的变化。例如，第一预设值优
选为绝对值l - 0.15|V | - 0.05|V。
当燃料电池堆l不够湿时，电池电压降低。因此，绝对电池 电压进一步从第一预设值增加，并且在某些不够湿状态下发生 电压突然下降。因此，绝对电压差(例如，通过乂人平均电池电压 Va中咸去最小电池电压Vmin获得，并且存在于不够湿状态期间 而在发生电压突然下降之前)优选为通过实^^确定。然后，优选 地将不够湿期间比该绝对电压差的实验值小的值设置为第二预 设值。例如，为确定不够湿状态，将绝对值I- 0.3 I V I -
0.2 I V优选地设置为第二预设值。在本发明中，第一预设值与
第二预设值也可以相同。
根据本实施例， 一旦增加了氧化剂气体的流量，则将通过
从平均电池电压Va中减去最小电池电压Vmin所获得的绝对电压 差与预设值进行比较，从而能够无误地确定燃料堆正处于不够 湿的情况。
在日本特开2004-127915号公报中，公开了如下方法通过 将输出电压随时间的变化划分为非振荡部分与振荡部分来判断 运行状态。图3示出当存在过湿、缺氧的状态时，电池单元的电 压的振荡的实际测量结果。图4示出电池单元的湿度状态没有不 规律(稳定状态)的Ai时刻的电压放大图。图5示出出现过湿状态 的Bi时刻的电压放大图。图6示出出现缺氧状态的d时刻的电压 放大图。图7示出当出现过湿和不缺氧时，实际运行期间(在拥 挤路段行驶)电池单元电压的振荡测量结果。图8 10示出图7中 的电压正振荡部分(时刻A2、 B2、以及C2)的扩展图。
从图4可以理解，只要电池单元处于稳定状态，电池电压将
不会振荡。然而，从图7可以理解，当燃料电池处于运行状态时， 即使在湿度状态没有出现不规律的情形下，电池单元的电压也 会振荡。因此，如果将图8 10与图5和图6进行比较，则由于在 波形中看不到明显的差别，因而不能进行区分，其中图8 10是 各时刻的扩展图，图5和图6示出当湿度状态实际出现不规律时 做出的电压测量结果。
因此，在日本特开2004-127915号公报中，即使在湿度状态 中没有发生不规律，由于如果燃料电池处于运行状态，电池的 输出电压将会振荡，因此也可能做出发生了不规律的决定。然 而，在本实施例中，将第一预设值与不易受电池单元输出电压 的振荡影响的、通过从平均电池电压VA中减去最小电池电压 Vmi。所获得的绝对电压差进行比较。因此，即使当燃料电池处 于运行状态时，也能够准确确定在湿度状态中发生不规律的情 况。
作为使燃料电池堆1不够湿的动作， 一旦增加了氧化剂气体
的流量，则将通过从平均电池电压VA中减去最小电池电压Vmin 所获得的绝对电压差与第二预设值进行比较，其中第二预设值 小于在不够湿引发电压突然下降之前的、用于确定不够湿状态 的绝对电压差。能够相应地确定燃料电池堆1处于不够湿状态或 其它状态(过湿、缺氧)。具体地，如果通过增加氧化剂气体的 流量，燃料电池堆l的湿度状态没有恢复，并且绝对电压差进一 步增大到大于或等于第二预设值，则能够推测燃料电池堆l原本 处于不够湿的状态。可选地，如果通过增加氧化剂气体的流量 绝对电压差返回，则能够推测燃料电池堆处于不够湿以外的状 态。
在步骤S04中，做出是否改变氧化剂气体的流量的决定。
仅当通过从平均电池电压VA中减去最小电池电压Vmin所获得的绝对电压差大于或等于第一预设值两次或更多次时，才能够改 变流量。采用这样的配置使得可以仅当燃料电池堆的湿度状态 中发生不规律时，才执行根据本实施例的用于确定湿度状态的 方法。
当基于在规定时间内测量多次的绝对电压差与第 一 或第二 预设值的比较，达到肯定结果的预设的数量时，能够做出步骤
S08和S09中的关于湿度状态的肯定决定。例如，当在3秒的时 间跨度内，测量结果的六次中有五次为肯定时，能够做出肯定 的决定。通过采用这种配置，能够更准确地确定湿度状态。
在步骤S06中氧化剂气体的流量被改变的度可以是随着 从燃料电池堆取出的负载电流的增加，流量降低。当负载电流 高时，例如，当氧化剂气体的流量突然增加时，采用这种配置 使得能够防止燃料电池堆变干。
如公式(l)所示，通过将燃料电池堆的电压除以组成燃料电 池堆的电池总数来确定步骤S02中的平均电池电压VA。从而与 用总电池块电压除以电池总数时相比，更大程度地降低测量误 差。
如公式(2)所示，在步骤S02中计算最小电池电压Vn^。不规 律能够相应地在湿度状态改变的初期被确定，因为在电池块的 所有电池遭受小的电压降低的情况下，该计算将 会算出电池单元电压的减少量。
本实施例中的电池块可由电池单元或多个电池构成。如果 电池块由电池单元构成，则测量整个电池的电压。因此，电压 测量是精确的，并且湿度状态能够被准确确定。可选地，如果 电池块由多个电池构成，则燃料电池系统的结构可以被简化。
第二实施例
在第一实施例中，当通过从平均电池电压VA中减去最小电
池电压Vmin所获得的绝对电压差已上升到高于第 一预设值时， 增加氧化剂气体的流量，并且根据通过从平均电池电压V A中减 去最小电池电压Vmin所获得的绝对电压差的改变来确定燃料电 池堆l的湿度状态。在第二实施例中，当绝对电压差已上升至高 于第一预设值时，降低氧化剂气体的流量，并且基于后续电压 的改变来确定湿度状态。
根据第二实施例的燃料电池系统的结构与图1中的结构相 同，因此，在此省略图及其说明。
将使用图ll的流程图来说明用于确定根据第二实施例的燃 料电池堆的湿度状态的方法。步骤S101 S104的处理与图2中的
步骤S01 S04的处理相同。
在步骤S104中，当通过/人平均电池电压VA中减去最小电池 电压V m; n所获得的绝对电压差小于第 一 预设值时(步骤S104中 的"否，，)，处理进入步骤S105,燃料电池堆继续运行，同时保持 氧化剂气体的流量。
在步-骤S104中，当通过/人平均电池电压VA中减去最小电池 电压Vmin所获得的绝对电压差大于或等于第 一 预设值(步骤 S104中的"是，，)时，处理进入步骤S106，氧化剂气体流量命令部 17向氧化剂气体流量调节器5发送控制信号，以降低氧化剂气体 的流量。
一旦降低了氧化剂气体的流量，则在步骤S107中，绝对电 压差比较器16将通过从平均电池电压VA中减去最小电池电压 V m i n所获得的绝对电压差与大于或等于第 一 预设值的第三预设 值进行比较。
当通过从平均电池电压VA中减去最小电池电压Vmin所获得
的绝对电压差小于第三预设值(步骤S107中的"否，，)时，处理进 入步骤S108。湿度状态确定部18根据以下的事实确定燃料电池
堆l不够湿由于降低氧化剂气体的流量而使最小电池电压V^ 返回到平均电池电压VA,其中降低氧化剂气体的流量是用于使 燃料电池堆l过湿的动作。在这种情况下，氧化剂气体的流量进 一步降低，从而使得残留在燃料电池堆l中的水增加，或执行其 它相应的动作。
另一方面，当绝对电压差由于在S106中降低了氧化剂气体 的流量而进一 步降低，并且通过从平均电池电压Va中减去最小
电池电压Vmin所获得的绝对电压差大于或等于第三预设值时
(步骤S107中的"是，，)，处理进入步骤S109。绝对电压差比较器
16进一步将通过从平均电池电压VA中减去最小电池电压Vmin所 获得的绝对电压差与大于或等于第三预设值的第四预设值进行 比较。
当通过从平均电池电压VA中减去最小电池电压V^n所获得 的绝对电压差大于或等于第四预设值时(步骤S109中的"否")，
处理进入步骤S110。由于作为降低氧化剂气体的流量的结果，
氧化反应在燃料电池堆l中进行不充分，并且电压降低，因此，
湿度状态确定部18确定燃料电池堆1缺氧。在这种情况下，例如，
可增加氧化剂气体的流量，并且驱散残留在燃料电池堆1中的水 以消除过湿状态，或执行其它动作。
另一方面，当通过/人平均电池电压VA中减去最小电池电压 Vmin所获得的绝对电压差小于第四预设值时(步骤S109中的
"是")处理进入步骤Slll。湿度状态确定部18根据如下事实确定 燃料电池堆l过湿由于降低氧化剂气体的流量而使最小电池电
压Vmin不返回到平均电池电压VA,并且最小电池电压Vmin进一
步降低，其中降低氧化剂气体的流量是用于使燃料电池堆1过湿 的操作。同样，在这种情况中，例如，可以增加氧化剂气体的 流量，并且驱散残留在燃料电池堆l中的水，以消除过湿状态或
执行其它动作。当燃料电池堆l被确定为缺氧且过湿进一步加剧 时，与燃料电池堆H皮确定为过湿时相比，可以更大程度地增加 氧化剂气体的流量。
如果在规定时间帧内测量多次的绝对电压差与第 一 、第三、 或第四预设值之间的比较结果为肯定的次数超过预设次数，贝寸
在步骤S108、 S110及S111中，关于湿度状态的判断可以为肯定， 其中绝对电压差是通过/人平均电池电压中Va中减去最小电池
电压Vmin而获得的。例如，当在3秒的时间跨度内，测量结果的 六次中有五次为肯定时，判断可以为肯定。
当燃料电池堆l变得过湿时，电池电压降低。从而，绝对电 池电压进一 步降低至低于第 一预设值，并且在某些过湿状态下 发生电压的突然下降。因此，绝对电压差(例如，存在于过湿状
态期间但在电压突然下降之前，并通过从平均电池电压Va中减
去最小电池电压Vmin而获得)优选地通过实验获取。然后，优选 地将低于过湿期间的该绝对电压差的实验值的值设置为第三预 设值。在本发明中，第一和第三预设值也可以相同。例如，优
选地将第三预设值设置为绝对值I - 0.3lV l - 0.2 I V。
当降低氧化剂气体的流量时，由于缺少氧化剂气体中包含 的氧，因而在燃料电池堆l中将不会发生反应气体间的反应，并 且电压可能急剧下降。因此，优选地通过实验获取绝对电压差 (例如，存在于缺氧状态期间但在电压急剧下降之前，并且通过
从平均电池电压VA中减去最小电池电压Vmin而获得)。然后，将 低于缺氧期间的绝对电压差的实验值的值设置为第四预设值。
例如，优选地将第四预设值设置为绝对值I - 0.5 I V I -0.3 I V。
根据第二实施例， 一旦降低了氧化剂气体的流量，则将第
三预设值与通过从平均电池电压VA中减去最小电池电压Vmin所
获得的绝对电压差进行比较，从而能够根据如下事实确定燃料
电池堆1不够湿通过降低氧化剂气体的流量而使最小电池电压
Vmin返回到平均电池电压VA，其中降低氧化剂气体的流量是用 于使燃料电池堆1过湿的操作。
此外，作为用于使燃料电池堆l过湿的动作，降低氧化剂气 体的流量将会使得通过从平均电池电压VA中减去最小电池电
压v偷而获得的绝对电压差大于或等于第三预设值且大于或等
于第四预设值，其中第三和第四预设值用于确定电力生成反应 已经由于缺氧而停止并且电压已经降低。此时，能够确定燃料 电池堆1缺氧。另外，当通过从平均电池电压VA中减去最小电 池电压Vmin所获得的绝对电压差大于或等于第三预设值、并且 小于第四预:没值时，认为缺氧状态以外的过湿状态将成立，并 且电压将降低，其中第四预设值用于确定电力生成反应已经由 于缺氧而停止并且已经发生电压下降。然后燃料电池堆l可以被 确定为过湿。
例如，图12示出通过/人平均电池电压VA中减去最小电池电 压V m i n所获得的绝对电压差的测量结果。测量在如下情况下进 行当通过从平均电池电压Va中减去最小电池电压Vmin所获得 的绝对电压差大于第 一值时，氧化剂气体的流量已经实际降低。 图12中，第一和第三预设值相同。纵轴(平均电池电压VA-最小 电池电压Vmin)在右侧(电压差/V)，并且绝对数值沿向下的方向 增加。纵轴"平均电池电压VA，，和"最小电池电压Vmin"在左侧(电 压/V)，并且数值沿向上的方向增加。
图12中，在A3时刻，通过从最小电池电压Vmin中减去平均 电池电压Va所荻得的绝对电压差大于第 一预设值，因此氧化剂 气体的流量开始降低。结果，通过从最小电池电压Vn^中减去 平均电池电压VA所获得的绝对电压差进一步增加，因此，第一预设值不大于第四预设值。从而，在这种情况下，燃料电池堆 -故确定为缺氧。 第三实施例
使用图13的流程图，将说明用于确定根据本发明第三实施
例的燃料电池堆的湿度状态的方法。在根据本发明第三实施例 的燃料电池系统中，向根据第一实施例的燃料电池系统(参见图
1)添加燃料电池堆温度检测器19 。燃料电池堆温度4企测器19具 有用于检测燃料电池堆l的温度的功能。例如，热连接到燃料电 池堆l的温度传感器对应于这种装置。
在本发明第三实施例中，步骤S201 S204与图2中的步骤 S0卜S04、以及图ll中的步骤S101 S104相同。
在本发明第三实施例中，在步骤S2(M中， 一旦通过从平均
电池电压VA中减去最小电池电压Vmin所获得的绝对电压差被确
定为大于或等于第一预设值(步骤S204中的"否")，则处理进入 步骤S220。 一旦燃料电池堆温度检测器19检测到燃料电池堆的 温度，则处理进入步骤S206。如果通过从平均电池电压VA中减
去最小电池电压V^所获得的绝对电压差小于第 一预设值(步
骤S104中的"是")，则处理进入步骤S205，燃冲牛电池堆继续运行， 同时保持氧化剂气体的流量。
饱和水蒸气的量随气体温度的增加成二次方增加。因此， 当燃料电池堆l的温度增加时，趋于发生不够湿。另一方面，当 燃料电池堆l的温度下降时，更容易发生过湿。因此，当燃料电 池堆1的温度大于或等于预设的温度时(步骤S206中的"是")，燃 料电池堆l很可能不够湿并且电压已降低。因此，氧化剂气体流 量命令部17向氧化剂气体流量调节器5发送控制信号，以降低氧 化剂气体的流量(步骤S207)。以与图ll中的步骤S107 S111相同 的方式，进行在降低了氧'化剂气体的流量后发生的步骤
S209 S213。
另一方面，在步骤S206中，如果燃料电池堆l的温度低于 预设的温度(步骤S206中的"否")，则燃料电池堆l很可能过湿并 且电压已降低。因此，氧化剂气体流量命令部17向氧化剂气体 流量调节器5发送控制信号，以增加氧化剂气体的流量(步骤 S208)。增加氧化剂气体的流量之后的处理与图2中的步骤 S07 S09相同。
在第三实施例中，根据燃料电池堆l的温度确定氧化剂气体 流量的改变方向。如果燃料电池堆1的温度大于或等于预设的温 度，则湿度很可能不够。因此，降低氧化剂气体的流量，从而 可以防止燃料电池堆变得不够湿。另一方面，如果燃料电池堆l 的温度低于预设的温度，则很可能过湿。因此，增加氧化剂气 体的流量，从而可以防止燃料电池变得过湿。
以上根据第一 第三实施例及其变形例说明了本发明。然 而，应当理解，构成该公开一部分的说明及附图不限制本发明。 基于该公开，各种可选模式、例子、以及可应用技术对于本领 域的技术人员来说都是显而易见的。换句话说，应当理解，本 发明包括未记载于此的各种实施例等。因此，本发明仅由根据 该公开的适当权利要求对本发明有特定贡献的项来限定。
术语通用解释
在理解本发明的范围时，此处所用的术语"包括"及其衍生 词，意指如下开放式用语指定存在所陈述的特征、元件、组 件、组、整数、和/或步骤，但并不排除存在其它未陈述的特征、 元素、组件、组、整数、和/或步骤。这还可应用到术语"包含"、
"部件"、"部"、"部分"、"构件"或"元件"在单独j吏用时，可具有 单个部件或多个部件的双重含义。此处用于"i兌明由组件、部、
装置等执行的操作或功能的术语"检测"包括不需要物理检测的 组件、部、装置等，而且还包括用于执行操作或功能的确定、
测量、模型化、预测、计算等。此处用于说明装置的组件、部、 或部件的术语"结构"，包括被构建和/或被编程以执行期望的功
能的硬件和/或软件。此外，在权利要求书中表述为"部件+功能" 的术语应包括能够用于执行本发明该部件的功能的任意结构。 尽管仅选4奪了所选的实施例来说明本发明，但显而易见， 根据本公开，本领域的技术人员能够进行各种改变和修改而不 脱离所附权利要求书所定义的本发明的范围。例如，各种组件 的大小、形状、位置或方向能够根据需要或期望改变。显示为 直接相连或彼此接触的组件能够在它们之间插入中间结构。一 个元件的功能可以由两个元件执行，反之亦然。 一个实施例的 结构及功能可以在另一个实施例中采用。不要求所有优点同时 出现在特定实施例中。单独或与其它特征组合的区别于现有技 术的每个特征，也应被认为是本申请人的进一步发明的单独描 述，包括由这一(些)特征实现的结构概念和/或功能概念。因此， 根据本发明的前述实施例的说明仅〗又是示例性的，而不是为了 限制由权利要求书及其等同物限定的本发明。 关联申请的交叉引用
本申请要求于2006年1月23日提交的日本专利申请2006-013834的优先权。日本专利申请2006-013834的全部内容通过引 用包含于此。
权利要求
1.一种燃料电池湿度确定方法，包括确定燃料电池堆的多个独立电池的平均电池电压与由所述独立电池输出的电压的最小电池值之间的绝对电压差；将所述绝对电压差与第一预设值进行比较；基于所述绝对电压差与所述第一预设值之间的比较，改变氧化剂气体的流量；以及在改变了所述氧化剂气体的流量后，基于所述绝对电压差的改变，确定所述燃料电池堆中的湿度状态。
2. 根据权利要求l所述的燃料电池湿度确定方法，其特征 在于，当所述绝对电压差小于所述第 一预设值时，禁止基于所述 绝对电压差与所述第一预设值之间的比较来改变所述氧化剂气 体的流量，从而保持所述氧化剂气体的流量；以及当所述绝对电压差大于或等于所述第一预设值时，基于所 述绝对电压差与所述第 一 预设值之间的比较，改变所述氧化剂 气体的流量。
3. 根据权利要求l所述的燃料电池湿度确定方法，其特征 在于，基于所述绝对电压差与所述第 一预设值之间的比较来改变 所述氧化剂气体的流量，需要增加所述氧化剂气体的流量；以及还包括在增加了所述氧化剂气体的流量后，将所述绝对电压差与大于或等于所述第 一 预设值的第二预设值进行比较，并且当所 述绝对电压差大于或等于所述第二预设值时，确定所述燃料电 池堆中的湿度状态为不够湿状态。
4. 根据权利要求l所述的燃料电池湿度确定方法，其特征 在于，还包括 在增加了所述氧化剂气体的流量之后，将所述绝对电压差 与大于或等于所述第一预设值的第二预设值进行比较，并且当 所述绝对电压差小于所述第二预设值时，确定所述燃料电池堆 中的湿度状态为过湿状态或缺氧状态。
5. 根据权利要求l所述的燃料电池湿度确定方法，其特征 在于，基于所述绝对电压差与所述第 一预设值之间的比较来改变所述氧化剂气体的流量，需要降低所述氧化剂气体的流量；以及还包括在降低了所述氧化剂气体的流量之后，将所述绝对电压差 与小于或等于所述第 一 预设值的第三预设值进行比较，并且当 所述绝对电压差大于或等于所述第三预设值时，确定所述燃料 电池堆中的湿度状态为过湿状态。
6. 根据权利要求5所述的燃料电池湿度确定方法，其特征 在于，还包括当所述绝对电压差大于或等于第四预设值时，确定所述燃 料电池堆中缺氧，其中所述第四预设值大于或等于所述第三预 设值。
7. 根据片又利要求l所述的燃料电池湿度确定方法，其特征 在于，基于所述绝对电压差与所述第一预设值之间的比较来改变所述氧化剂气体的流量，需要降低所述氧化剂气体的流量；以及还包括在降低了所述氧化剂气体的流量之后，将所述绝对电压差 与小于或等于所述第 一 预设值的第三预设值进行比较，并且当 所述绝对电压差小于所述第三预设值时，确定所述燃料电池堆 中的湿度状态为不够湿状态。
8. 根据权利要求l所述的燃料电池湿度确定方法，其特征 在于，还包括在改变所述氧化剂气体的流量之前，测量所述燃料电池堆 的温度；当所述温度小于预设的温度时，增加所述氧化剂气体的流 量；以及当所述温度大于或等于所述预设的温度时，降低所述氧化 剂气体的流量。在于， "、 、'又 、、
9.仅当作为所述绝对电压差与所述第 一预设值的比较结果， 所述绝对电压差至少两次小于所述第 一 预设值时，基于所述绝 对电压差与所述第一预设值之间的比较来改变所述氧化剂气体 的流量，才需要改变所述氧化剂气体的流量。
10. 根据权利要求l所述的燃料电池湿度确定方法，其特征 在于，基于所述绝对电压差的改变确定所述燃料电池堆的湿度状 态，需要在改变了所述氧化剂气体的流量之后，至少测量两次 所述绝对电压差，并且当所述绝对电压差至少两次相同时，需 要进一步确定所述燃料电池堆的湿度状态。
11. 根据权利要求l所述的燃料电池湿度确定方法，其特征 在于，随着从所述燃料电池堆取出的负载电流增加，所述氧化剂 气体的流量的改变降低。
12. 根据权利要求l所述的燃料电池湿度确定方法，其特征 在于，通过如下计算完成所述绝对电压差的确定计算所述燃料 电池堆的所述独立电池的平均电池电压；计算由所述独立电池 输出的电压的最小电池值；以及
13. 根据权利要求12所述的燃料电池湿度确定方法，其特堆的电池总数来确定所述平均电池电压。
14. 根据权利要求12所述的燃料电池湿度确定方法，其特 征在于， <吏用以下公式来确定所述最小电池电压F = C - (D - l)xE意数量的独立电池的电池块的电压C、以及组成所述电池块的 电池数量D计算出的电池电压的最小值。
15. 根据权利要求14所述的燃料电池湿度确定方法，其特 征在于，所述电池块由单个所述独立电池构成。征在于，所述电池块由多个所述独立电池构成。 17. —种燃料电池系统，包括氧化剂气体流量调节器，用于调节燃料电池堆的氧化剂气 体的流量；以及控制器，其可操作地连接到所述氧化剂气体流量调节器， 以控制所述氧化剂气体流量调节器，所述控制器包括电压比较 器，所述电压比较器用于将燃料电池堆的多个独立电池的平均 电池电压和由所述独立电池输出的电压的最小电池值之间的绝 对电压差与第 一预设值进行比较，所述控制器用于指示所述氧化剂气体流量调节器，以基于 所述绝对电压差和所述第一预设值之间的比较来改变所述氧化 剂气体的流量，以及所述控制器还用于在改变了所述氧化剂气体的流量后，基 于所述绝对电压差的改变，确定所述燃料电池堆中的湿度状态。
16.
17.
18. 根据权利要求17所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述控制器还包括平均电池电压计算器，用于计算所述燃料电池堆的所述多 个独立电池的平均电池电压；最小电池电压计算器，用于计算由所述独立电池输出的电 压的最小电池值；以及电压差计算器，用于计算所述平均电池电压与所述最小电 池电压之间的绝^]"电压差。
19. 一种燃诗牛电池系统，包4舌氧化剂气体流量调节部件，用于调节燃料电池堆的氧化剂 气体的流量；用于将所述燃料电池堆的多个独立电池的平均电池电压和 由所述独立电池输出的电压的最小电池值之间的绝对电压差与 第 一 预设值进行比较的部件；用于指示所述氧化剂气体流量调节部件以基于所述绝对电 压差与所述第一预设值之间的比较来改变所述氧化剂气体的流 量的部件；以及用于在改变了所述氧化剂气体的流量后、基于所述绝对电 压差的改变来确定所述燃料电池堆中的湿度状态的部件。
20. 根据权利要求19所述的燃料电池系统，其特征在于， 还包括用于确定所述平均电池电压与所述最小电池电压之间的绝 对电压差的部件；用于确定所述燃料电池堆的所述多个独立电池的平均电池 电压的部件；以及用于确定由所述独立电池输出的电压的最小电池值的部件。
全文摘要
一种燃料电池系统，具有调节燃料电池堆(1)的氧化剂气体的流量的氧化剂气体流量调节器(5)以及确定燃料电池堆(1)的湿度状态的控制器(10)。所述控制器(10)具有计算平均电池电压的平均电池电压计算器(13)，计算最小电池值的最小电池电压计算器(14)，计算平均电池电压与最小电池电压之间的电压差的电压差计算器(15)，以及比较绝对电压差与预设值的电压比较器(16)。基于绝对电压差与预设值之间的比较，改变氧化剂气体的流量，然后基于绝对电压差的改变，确定燃料电池堆(1)中的湿度状态。
文档编号H01M8/10GK101371392SQ200780002930
公开日2009年2月18日 申请日期2007年1月22日 优先权日2006年1月23日
发明者垣内孝宏 申请人:日产自动车株式会社