专利名称：燃料电池系统和相关的启动方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统和相关的方法，尤其涉及一种能够缩短启动时间间隔的燃料电池系统及其相关的启动方法。
背景技术：
近些年来，燃料电池一直吸引着公众的注意，其作为具有高的能量转换效率和最小量的废物例如二氧化碳排放的电源，因此，不仅用于汽车中，而且用于一般的工业领域或宽范围的家庭应用中。这种燃料电池可以操作用于利用氢和氧实现电化学反应，从而获得电能，为此，迄今为止，进行了许多研究和研制工作。
日本专利公开No.2735396披露了一种燃料电池系统的启动方法。在这种启动方法中，当燃料电池系统被启动时，在向燃料电池供应燃料和空气的期间内，监视燃料电池的输出电压，当输出电压电平超过一个可允许的较低的限制值时，通过接通负载从燃料电池中取出电能。
发明内容
不过，在本发明人进行了大量的研究工作之后，发现即使在燃料电池的输出电压增加的状态下，当取出电能时，令人信服地发生下述的现象。
具体地说，假定燃料电池系统在一个长的时间段内处于一种非操作的状态下。在这种持续状态，发生的一种情况是，在燃料电池的燃料电极以及燃料输送管中的燃料气体趋于逐渐地散布到系统的外部，或者燃料气体逐渐和在燃料电池中包含的空气中的氧反应而损失，因此，燃料电极和燃料输送管趋于呈充满空气或氮气的状态。
在这种状态下，如果燃料电极和空气电极被分别供给燃料气体和空气，以便启动燃料电池系统，则燃料电池的输出电压趋于快速地被建立，即使在燃料电极和燃料输送管中的空气不足以被燃料气体替换的情况下。
不过，如果在这种状态下立即从燃料电池取出电能，则由于在燃料输送管和燃料电极中流通的燃料气体的浓度不足，可以想见，发生快速的电压下降，导致不能获得稳定的电能输出的趋势。
根据本发明人的上述研究作出了本发明，因而本发明的目的在于提供一种燃料电池系统及其相关的方法，使得即使在燃料电池系统持续一个长的时间段不用之后，也能够在一个短的时间段内可靠地启动。
为实现这个目的，本发明的第一方面提供一种燃料电池系统，包括具有相对设置的燃料电极和氧化剂电极的燃料电池，在所述电极之间夹着电解质膜；燃料气体供应源，用于通过燃料气体供应通路向燃料电池供应燃料气体；燃料气体排放部分，用于排放从燃料电池排出的燃料气体到燃料电池系统的外部；以及控制部分，用于在燃料电池系统的启动期间执行燃料气体替换处理，使得燃料气体通过燃料气体排放部分排放到燃料电池系统的外部，同时供应燃料气体，使得要被从燃料气体供应源提供给燃料电池的燃料气体的一个状态量(statequantity)(状态的量)为恒定，以便使得燃料气体通路和燃料电极能够被燃料气体替换。
换句话说，本发明的另一方面提供一种燃料电池系统，包括具有相对设置的燃料电极和氧化剂电极的燃料电池，在所述电极之间夹着电解质膜；供应装置，用于通过燃料气体供应通路向燃料电池供应燃料气体；排放装置，用于排放从燃料电池排出的燃料气体到燃料电池系统的外部；以及控制装置，用于在燃料电池系统的启动期间控制燃料气体替换处理，使得燃料气体通过排放装置排放到燃料电池系统的外部，同时供应燃料气体，使得要被从供应装置提供给燃料电池的燃料气体的一个状态量为恒定，以便使燃料气体通路和燃料电极能够被燃料气体替换。
在另一方面，本发明的另一方面提供一种用于替换燃料电池系统中的燃料气体的方法，所述燃料电池系统包括具有相对设置的燃料电极和氧化剂电极的燃料电池，在所述电极之间夹着电解质膜，所述方法包括通过燃料气体供应通路向燃料电池供应燃料气体；排放从燃料电池排出的燃料气体到燃料电池系统的外部；以及在燃料电池系统的启动期间执行燃料气体替换处理，使得燃料气体排放到燃料电池系统的外部，同时供应燃料气体，使得要提供给燃料电池的燃料气体的一个状态量为恒定，以便使燃料气体通路和燃料电极能够被燃料气体替换。
本发明的其它的和进一步的特征、优点和利益由下面结合附图进行的说明可以更加清楚地看出。
图1是用于说明按照本发明的第一实施例的燃料电池系统的结构的示意图；图2是用于说明在第一实施例中的燃料电池系统的启动期间燃料气体的替换操作的流程图；图3是用于说明在第一实施例中的燃料电池系统的结构的一种改型的结构示意图；图4表示使用第一实施例的燃料电池系统在恒压下供应氢气的情况下，氢气供应流量HA和经过的时间t的关系，以及在按照本发明的第二实施例中研究的氢气供应流量HA；图5是表示在第二实施例中的燃料电池系统的结构的结构示意图；图6是表示在第二实施例中氢气供应流量HA和可变节流阀开度OP的关系的曲线；图7是表示在第二实施例中燃料电池系统的启动期间燃料气体的替换操作的流程图；图8是表示按照本发明的第三实施例的燃料电池系统的启动期间燃料气体的替换操作的流程图；
图9是用于说明按照本发明的第四实施例的燃料电池系统的结构的示意图；图10是表示在第四实施例中燃料电池系统的氢气供应流量HA和喷射器内部压力PE的关系的曲线；图11是表示在第四实施例中燃料电池系统的启动期间燃料气体的替换操作的流程图；图12是表示在第四实施例中燃料电池系统的启动期间燃料气体的替换操作的另一个例子的流程图；图13是用于说明按照本发明的第五实施例的燃料电池系统的结构的示意图；图14是表示在第五实施例中燃料电池系统的启动期间燃料气体的替换操作的流程图；图15是用于说明按照本发明的第六实施例的燃料电池系统的结构的示意图；图16是表示在第六实施例中燃料电池系统的启动期间燃料气体的替换操作的流程图；图17表示在第六实施例中在氢气供应流量为一个给定值的情况下，喷射器入口压力PE和燃料电池系统的燃料电池组的入口压力PS的关系的曲线；图18表示在按照本发明的第七实施例的燃料电池系统中在替换操作期间燃料电池组的内部压力PS随时间的变化曲线；图19是表示在第七实施例中燃料电池系统的启动期间燃料气体的替换操作的流程图；以及图20是表示按照本发明的第八实施例的燃料电池系统的启动期间燃料气体的替换操作的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明按照本发明的每个实施例的燃料电池系统及其相关的方法。
(第一实施例)首先结合图1-3详细说明按照本发明的第一实施例的燃料电池系统及其相关的方法。
图1是表示当前提出的实施例的燃料电池系统FS的结构的结构示意图。
在图1中，构成燃料电池系统的燃料电池本体的燃料电池组1由包括多个燃料电池结构本体的电池组构成。多个燃料电池结构本体中的每一个由氧化剂电极1a和燃料电极1c构成，在它们之间夹着固态的聚合物电解膜1b，并通过隔离器S按顺序层叠在一起。此外，氢气被用作燃料气体，空气被用作氧化气体(氧化剂气体)。
在氢气容器2中的氢气通过可变的节流阀3供给燃料电池组1。可变节流阀3由控制器14用这种方式控制，使得在燃料电池系统的正常操作期间，提供给燃料电池组1的氢气的压力可以被合适地改变。
喷射器5被设置在氢气输送管4中，所述氢气输送管作为在可变节流阀3和燃料电池组1之间的燃料气体供应通路。从燃料电池组1排出的过量的氢气经过氢气返回管6返回，所述返回管连接燃料电池组1的下游到喷射器5的进气口。因而，控制器14被设置用这种方式进行控制，使得氢气通过喷射器5循环，因而增加燃料电池组1的反应效率。
一个开闭阀7和氢气返回管6相连，所述开闭阀在燃料电池系统的正常操作模式期间用水阻塞燃料电池组1的氢气通路的情况下，作为净化阀，用于暂时净化氢气通路。
在燃料电池组1的下游，设置有开闭阀8，其在燃料电池系统的启动模式期间，形成氢气替换阀，作为燃料气体排出阀，使得燃料气体能够被氢气管线中的氢气代替，所述氢气管线包括氢气输送管4，燃料电极1c和氢气返回管6，使得燃料气体能够被排放到燃料电池系统的外部，并被确定比净化阀7具有较大的打开面积。
在喷射器5和燃料电池组1之间的氢气输送管4中，设置有压力检测器9，其检测要提供给燃料电池组1的氢气的压力，更具体地说，当由控制器14控制可变节流阀3的开度时，使用检测的氢气压力，同时，当用下述方式执行氢气替换处理时，使用要被提供给燃料电池组1的燃料电极1c的氢气的压力。
压缩机10被设置用于压缩空气并把压缩的空气通过空气输送管11提供给燃料电池组1的每个氧化剂电极的入口。和每个氧化剂电极的出口相连的空气压力调节阀12用于调节氧化剂电极的空气压力。控制器14被构成用于通过控制压缩机10和空气压力调节阀12控制要提供给燃料电池组1的空气的流量和压力。
下面参照图2的流程图说明在启动模式期间具有上述结构的燃料电池系统的操作。
首先，在步骤S11，如果控制器14收到启动燃料电池系统的指令，则开始执行燃料气体替换处理(氢气替换处理)，使存在于燃料气体通路4的氢气管线、燃料电池组1的燃料电极1c和氢气返回管线6中的残留气体被燃料气体代替。
接着，在步骤S12，氢气替换阀8被打开，在下一步骤S13，可变节流阀3的开度被这样调节，使得组-氢气-电极压力(要被提供给燃料电池组1的氢气的入口压力)，即由压力检测器9检测的压力保持恒定(例如在大约0.2巴的压力下)，同时向燃料气体通路4和燃料电极1c供应氢气，从而实现氢气替换处理(氢气替换)，使剩留在氢气管线中的气体被新供应的氢气替换。
接着，在步骤S14，如果替换时间t等于或超过给定的时间td(例如大约10秒)，则进行判断认为，氢气管线被充分地用氢气代替，并在下一步骤S15，为了终止氢气替换处理，可变节流阀3被关闭，从而立即中断氢气供应，在下一步骤S16，氢气替换阀8被关闭，操作进入步骤S17，使一系列的氢气替换处理结束。
然后，根据正常的驱动操作，向燃料电池组1提供空气和氢气，借以使得能够开始输出电能，通过连接负载把电能取出。
此外，在步骤S14使用的给定时间td根据这样的事实被预先确定，即，即使燃料电池系统的氢气管线被完全充满空气时，在燃料电池系统的氢气管线中充分实现氢气替换的一个时间间隔可以预先通过实验获得。
顺便说明，在上述的结构中，和净化阀7分开地提供具有比净化阀7较大的开口面积的氢气替换阀8。这样做的理由是，虽然希望净化阀具有一个不能减小的最小需求面积，从避免燃料消耗劣化的观点看来，在启动时，在氢气替换期间，当试图使氢气以大的流量通过净化阀流动时，这种净化阀的存在趋于增加压力损失，使得难于优选地实现氢气替换。
不过，当然，如图3所示，使用一个开闭阀8’作为净化阀和氢气替换阀也不是不可以的。在这种情况下，如果所述阀门具有一个增加的开口面积，则在正常驱动操作期间当开始净化时净化流量不希望地增加，从而引起燃料消耗的增加。与此相反，如果阀门具有减小的开口面积，则在启动操作期间当增加氢气替换流量时，由于压力损失而使施加于燃料电池组1的压力增加，因而，除去减小氢气替换流量之外，别无选择，这延长了所需的替换时间，因而延长了启动时间段。
因此，从上述情况看来，要被用作净化阀和氢气替换阀的开闭阀8’不简单地用一个开闭阀构成，而最好由具有两级开度的阀门构成。此时，该阀门可被这样构成，使得其作为氢气替换阀操作时的阀门的第二开口面积被确定为大于其作为净化阀操作时的阀门的第一开口面积。
这样，通过提供作为净化阀和氢气替换阀的一个开闭阀8’，可以降低成本。结果，按照对比考虑燃料消耗量、启动时间和成本，可以在图1所示的两个阀和图3所示的一个阀之间进行选择。
如上所述，因为提出的本实施例被这样构成，使得在燃料电池系统的启动操作期间，燃料气体从氢气替换阀(燃料气体排放阀)排出，同时向燃料电池本体供应燃料气体，使得保持燃料电极的气体压力基本恒定，借以进行燃料气体的替换，从而利用燃料气体替换燃料气体通路和燃料电池本体的燃料电极中的残余气体，使得能够在足以满足要求的流量下可靠地进行氢气替换，使得即使在系统长时间不用时也能在短的时间内可靠地启动。
此外，提供具有比净化阀大的开口面积的氢气替换阀使得能够提供快速的燃料气体替换，因而改善了燃料消耗的兼容性。
此外，因为在经过一个给定的时间间隔之后使燃料气体替换结束，在所述时间间隔内，实现燃料气体替换，以便向燃料电池本体供应燃料气体，从而使燃料电极的压力基本上保持恒定，使得可以通过简单的控制作出判断，看燃料气体替换是否结束。
此外，虽然结合特定的系统说明了提出的本实施例，其中氢气通过喷射器循环，显然，提出的本实施例的结构不仅可以应用于使用适合由外部电源供电的氢气循环泵使氢气循环的系统，而且可以应用于其中不使氢气循环的系统。
(第二实施例)下面参照图4-7详细说明本发明的第二实施例的燃料电池系统及其相关的方法。
提出的本实施例在功能上和图1所示的第一实施例类似。当然，提出的本实施例可以基于图3所示的结构。
顺便说明，当进一步详细研究第一实施例的结构之后，当以使供给燃料电池组1的氢气压力(在燃料电池组的入口处的压力)保持恒定的方式进行燃料气体替换时，如图4所示，从燃料气体替换开始时开始供应的氢气流量HA随着时间t的增加朝向流量HA1增加，流量HA1由在燃料气体替换期间的氢气压力和氢气替换阀的开口面积确定。在该图中，实线表示在启动操作之前在氢气管线中完全充满空气的情况下氢气供应流量HA随时间的改变，虚线表示在启动操作之前在氢气管线中部分地存在残余氢气的另一种情况下的氢气供应流量随时间的改变。
当残余氢气存在时，最初引起氢气供应流量的增加，从而引起氢气浓度的增加的理由是，空气(包括氧气和氮气)比氢气具有较大的分子量，因而，在相等的压力差下，通过氢气替换阀的空气的体积流量比氢气的流量小。
因而，提出的本实施例针对的是这样的现象，即当存在残余氢气时，在开始阶段氢气供应流量增加，从而增加氢气管线中的氢气的浓度。因而，提出的本实施例被构成用于检测和氢气供应流量相关的值(可以是每秒的氢气供应流量或是能够使氢气供应流量被控制的值)，所述的值表示和残余氢气的浓度相关的值，使得在燃料电池系统的启动操作时在氢气替换处理期间当和氢气供应流量相关的相应值等于或超过一个给定值时，燃料气体替换结束，因而使得能够在一个不能减小的最小需求下，以依赖于在氢气管线中剩余的剩余氢气的程度(在预定浓度下)达到合适程度的燃料替换。
更具体地说，如图5所示，流量检测器13，其作为用于检测和氢气供应流量相关的值和直接检测氢气供应流量的检测器，可以位于氢气输送管4中，或者可以对可变节流阀3提供用于检测可变节流阀3的开度的开度检测器3a。这就是说，因为在可变节流阀3的开度OP和氢气供应流量HA之间具有直接的唯一关系，检测可变节流阀3的开度便能够检测氢气供应流量。此外，采用这种结构使得能够间接地检测燃料电池系统的氢气管线中的剩余氢气浓度。因而，提出的本实施例中和第一实施例相同的元件具有相同的标号，以便省略多余的说明。
下面参照图7的流程图说明燃料电池系统在启动时的基本操作顺序，所述燃料电池系统具有用于检测氢气供应流量的流量检测器13。
在这个基本操作顺序期间，从步骤S21到步骤S23的流程和第一实施例从步骤S11到步骤S13的流程相同。
在下一步骤S24，进行判断看氢气供应流量HA是否等于或大于给定的值Had(例如大约每分钟100升)。
在下一步骤S24，如果氢气供应流量小于给定的值HAd，则流程返回步骤S23。
与此相反，如果在步骤S24判断氢气供应流量HA等于或大于给定值HAd，则从这个时刻开始，在步骤S25关闭可变节流阀3，如同第一实施例那样，并在步骤S26，关闭氢气替换阀8，借以在步骤S27结束替换处理。
下面为方便起见结合图7的流程图说明燃料电池系统在启动时的基本操作顺序，所述燃料电池系统的结构具有适用于检测可变节流阀3的开度的开度检测器3a。
具体地说，除去在具有用于检测氢气流量的流量检测器13的结构的操作中要执行的步骤S24之外，在具有所述开度检测器3a的结构中要进行的基本操作顺序和具有适用于检测氢气流量的流量检测器13的相同，进行判断看氢气供应流量HA是否等于或大于固定值HAd的操作被步骤S34代替，步骤S34进行判断看可变节流阀3的开度OP是否等于或大于给定值Opd。
这就是说，如果操作到达S34，则在步骤S34判断中，如果开度OP小于给定值Opd，则流程返回步骤S23。
与此相反，在步骤S34的判断中，如果开度OP等于或大于给定值Opd，则从这个时刻起，执行和步骤S25，S26，S27相同的操作，以便结束替换处理。
如上所述，在提出的本实施例的结构中，因为执行用于检测和氢气供应流量关联的值的操作，所述的值表示和燃料电池本体的燃料电极以及燃料气体通路中的燃料气体浓度有关的值，从而使得燃料气体的替换处理能够根据这样检测的值被结束，用于替换氢气所需的时间间隔被减少到和氢气管线中包含的残余氢气的程度(浓度)相关的不能再被减小的最小需求量，从而使得能够在短的时间段内，可靠地启动燃料电池系统。
此外，能够由燃料气体供应流量判断在氢气管线中包含的剩余氢气的程度，这使得能够实现一种简化的结构，其中不需要单独提供专用于检测氢气浓度的检测器。
此外，因为由可变节流阀的开度判断氢气供应流量，使得不使用高精度的流量计便能判断燃料气体的替换操作何时完成。
(第三实施例)下面结合图8说明本发明的第三实施例的燃料电池系统及其相关的方法。
提出的本实施例是考虑这样一种可能性被构成的，即，在第二实施例中，如果用于检测氢气输送管4中的氢气流量的流量检测器13或用于检测可变节流阀3的开度的开度检测器3a的检测精度不足，则氢气替换处理易于在氢气替换处理尚未充分完成时便被结束，或者这样一种可能性，其中，如果开度检测器3a的检测精度不足，则在检测具有足够大的阀门开度时会使开度检测器3a遇到困难，使得即使实际的氢气流量已被充分地增加，氢气替换处理也不结束。此外，提出的本实施例的燃料电池系统的结构本身和第二实施例类似。
因而，提出的本实施例被这样设置，使得利用另一个给定的被选择为比第二实施例较低的值HAd或Opd代替氢气供应流量HA的给定值HAd或可变节流阀3的开度OP的给定值Opd，在这些给定值下在第二实施例中进行判断看氢气替换操作是否完成，即使在氢气供应流量HA或开度OP等于或大于被选择为所述较低值的每个门限值，也使燃料气体替换处理继续进行一个延长的给定时间(例如大约3秒钟)。
在这种结构中要执行的基本操作顺序具体地由图8的流程图示出。此外，在图8中，虽然试图使可变节流阀3的开度OP能够继续一个给定的时间间隔，这种构思也同样适用于氢气供应流量HA。
除去对第二实施例的步骤新增加了步骤S45的操作这个唯一的例外之外，图8的流程图按照步骤S41-S43和步骤S21-S23和第二实施例类似，并且步骤S46-S48和步骤S25-S27类似。即，在步骤S45，即使在步骤S44可变节流阀3的开度OP增加而超过给定值Opd，这个开度也被保持一个给定的时间间隔，在此时间间隔内，继续执行燃料气体的替换操作。
如上所述，因为提出的本实施例被这样构成，使得当可变节流阀的开度超过一个给定值时经过一个给定的时间间隔之后燃料气体替换处理才被结束，使得即使使用成本低的阀门，这些阀门提供精度低的氢气供应流量或可变节流阀的开度的检测，也能在短的时间段内可靠地启动燃料电池系统。
(第四实施例)下面结合图9-12详细说明本发明的第四实施例的燃料电池系统及其相关的方法。
图9是表示提出的本实施例的燃料电池系统的结构的示意图。
如图9所示，提出的本实施例和第一实施例的区别在于，在喷射器5的上游的位置新增加了压力检测器15，用于检测燃料气体的压力，其它结构和第一实施例类似。因而，相同的元件使用相同的标号表示，从而省略多余的说明。当然，提出的本实施例可以基于图3所示的结构。
其中，因为喷射器5具有一个带有喷嘴的入口，所述喷嘴作为一个引起压力损失的约束，如图10所示，在喷射器5的入口压力PE和氢气供应流量HA之间具有一个唯一的关系。因而，看来，检测喷射器5的入口压力便能够检测氢气供应流量。从这个观点看来，提出的本实施例设想利用由压力检测器13检测的喷射器5的入口压力PE，实现氢气替换处理。
图11所示的流程图详细地示出了这种结构的基本操作顺序。
在图11中，步骤S51-S53的操作用和第二实施例的步骤S21-S23的操作相同的方式执行，代替步骤S24-S34，在步骤S54进行判断看由压力检测器13检测的喷射器入口压力是否等于或大于一个给定值PEd(例如约为1巴)。如果，在这种情况下，喷射器入口压力PE等于或大于给定的值PEd，则从这个时刻起，以和第二实施例的步骤S25-S27相同的方式执行步骤S55-S57的操作，借以终止氢气替换处理。
顺便说明，在提出的本实施例中，设想如果设置在喷射器5的上游的压力检测器13具有足够的检测精度，则可能在进行不足的氢气替换之前结束氢气替换处理，或者即使在实现足够的氢气替换时也不能结束氢气替换处理。
在这些可能性当中，如图12的流程图所详细示出的，通过对图11的流程图增加步骤S65，使得提供一种能力，其中，在由压力检测器13在步骤S64检测的喷射器入口压力PE等于或大于给定的值PEd(例如大约为0.8巴，小于图11的门限值)之后，在步骤S65喷射器入口压力被在这个值下保持一个给定的时间间隔(例如大约3秒)，以便继续进行氢气替换处理，使得即使使用低成本的压力检测器，也能在一个短的时间段内可靠地启动燃料电池系统。此外，图12的步骤S61-63的操作和图11的步骤S51-53的操作类似，图12的步骤S66-S68的操作和图11的步骤S55-S57的操作类似。
如前所述，因为提出的本实施例被构成具有压力检测器13，用于检测喷射器三上游的燃料气体的压力，同时使得能够根据由压力检测器13检测的燃料气体的压力终止燃料气体替换处理，因而利用现有的喷射器的特性使得燃料电池系统能够在短的时间段内以简单和可靠的方式被启动。
此外，因为提出的本实施例被设置使得当由压力检测器13检测的喷射器入口压力等于或大于给定值时经过一个给定的时间间隔之后结束燃料气体替换处理，使得使用成本低的精度低的压力检测器能够在短的时间段内可靠地启动燃料电池系统。
(第五实施例)下面参照图13-14详细说明本发明的第五实施例的燃料电池系统及其相关的方法。
图13是提出的本实施例的燃料电池系统的结构示意图。
如图13所示，提出的本实施例的燃料电池系统和第一实施例的区别在于，一个压力调节器20被设置在氢气容器2和可变节流阀3之间，从而用这样的方式控制氢气，使得氢气在恒定的应力值下提供给可变节流阀3，而不管在氢气容器2中的剩余压力，其它的结构和第一实施例的相同。因而，相同的元件用相同的标号表示，并省略多余的说明。此外，不需要第一实施例中的设置在氢气输送管4中的压力检测器9，因而被省略了。当然，提出的本实施例可以基于图3所示的结构。
下面参照图14所示的流程图详细说明这种结构的基本操作顺序。
如图14所示，提出的本实施例的基本操作顺序基本上和第一实施例的操作顺序类似。具体地说，步骤S71-S72的操作和步骤S11-S12的操作类似，在下一步骤S73中，氢气以基本上恒定的流量(例如大约100升/分钟)供给燃料电池系统，借以实现氢气替换处理，使在包括氢气输送管4、燃料电极内部和氢气输送管6的氢气管线内的残余氢气被新提供的氢气替换。不过，在提出的本实施例中，可变节流阀3的开度被固定地保持在一个恒定的开度，从而使得在氢气替换操作期间，以恒定的流量供应氢气。如果在可变节流阀3的上游的氢气压力和其下游的氢气压力之间的比等于或大于一个等于1.9的值，则可变节流阀3呈现所谓的扼流状态。因而，如果压力调节器20的设置压力被保持一个足够高的值，即使当可变节流阀3的开度保持为恒值时，氢气供应流量也成为恒定的，不会受可变节流阀3的下游的压力的不利影响。利用这种结构，因为不需要可变地控制可变节流阀3的开度，第一实施例中设置在氢气输送管4中的压力检测器9便不需要因而可被省略。此外，图14的随后的步骤S74-S77和图2的步骤S14-S17相同。
如上所述，利用提出的本实施例的结构，因为在启动期间能够以可靠的方式在必要的氢气供应通路和燃料电极内部充分地进行氢气替换，使得即使在燃料电池系统长时间不用时也能可靠地启动燃料电池系统。
尤其是，维持燃料气体供应流量为基本上恒定的值，使得能够根据经过的给定的时间间隔判断进行了足够的氢气替换，借以使得利用简单的控制实现上述的有利的效果。
此外，保持可变节流阀的开度基本上恒定使得燃料气体供应流量能够被称为基本上恒定的值，从而进一步简化控制的结构。
(第六实施例)下面参照图15-17详细说明本发明的第六实施例的燃料电池系统及其相关的方法。
图15是提出的本实施例的燃料电池系统的结构示意图。
如图15所示，提出的本实施例的燃料电池系统和第五实施例的燃料电池系统的区别在于，在可变节流阀3和喷射器5之间设置一个压力检测器15，用于检测喷射器5的上游的燃料气体压力(喷射器入口压力)，并在喷射器5和燃料电池系统1之间设置一个压力检测器9，用于检测要供给燃料电池系统1的氢气压力，提出的本实施例的其它结构和第五实施例相同，并且相同的元件用相同的标号表示，以便省略多余的说明。
具体地说，提出的本实施例的结构被这样配置，使得除去由第一实施例进行的控制之外，控制器14还可以操作用于用这样的方式控制可变节流阀3的开度，其中，当在燃料电池系统的启动期间执行氢气替换处理时，要被压力检测器15检测的喷射器入口的压力被保持为恒值(例如大约为0.5巴)。即，喷射器5由于其喷嘴而在喷射器的入口具有一个限流通路，并且因而当氢气通过喷射器5流动时发生压力损失。这是因为这样的事实借助于把在氢气替换操作期间发生的喷射器入口压力设置为高的值，以便利用所述压力损失使喷射器5处于扼流状态，同时控制喷射器5的上游的氢气压力为恒值，使得在喷射器5的下游的氢气供应流量成为恒定的，结果使得以更加可靠的方式在氢气替换操作期间保持氢气供应流量为恒定。此外，压力检测器9被配置用于为了确认的目的检测喷射器5的下游的氢气压力，并且控制器14被配置用于控制可变节流阀的开度，为了补充的目的，使得喷射器5可靠地处于扼流状态。
下面参照图16所示的流程图详细说明这种结构的基本操作顺序。
如图16所示，提出的本实施例的基本操作顺序基本上和第一实施例的相同。具体地说，图16中步骤S81，S82的操作和图14的步骤S71，S72的操作相同，在下一步骤S83，向燃料电池系统供应氢气，同时调节可变节流阀3的开度，使得由压力检测器15检测的喷射器5的入口压力维持在给定值。此外，图16的随后的步骤S84-S87的操作和图14的步骤S74-S77的操作相同。
因而，可以想到，具有某些可能性，其中，根据喷射器5的喷嘴的尺寸和氢气替换流量，喷射器5在氢气替换操作期间难于处于扼流状态。这就是说，喷射器5的尺寸应当按照在正常操作状态期间要由喷射器5循环的氢气流量确定，而所述氢气流量应当按照燃料电池组的特性确定。此外，因为氢气替换流量越高，要被排出的氢气的数量越大，因而，使得用于燃烧排出的氢气的燃烧器(未示出)的尺寸越大，使得燃料消耗性能变劣，因而氢气替换流量不能被设置为极高的值。因此，当使用具有大的喷嘴表面积并且设置氢气替换流量为一个减小的值时，可以想到具有这样的可能性，即，在氢气替换操作期间，喷射器5难于维持在扼流状态。
在这种情况下，如图17所示，控制器14被配置用于预先存储独立于燃料电池组1的入口压力(相当于喷射器的下游的压力)的喷射器入口压力，再在此压力下氢气替换流量被保持为给定的固定值。然后，如果控制器14这样控制可变节流阀3，使得由压力检测器15检测的喷射器入口压力考虑到压力检测器9在检测喷射器5的下游压力时检测的压力，即在氢气替换操作期间由压力检测器9检测的燃料电池组1的入口压力，则可以具有和其中喷射器5被保持在扼流状态的情况相同的情况。
如上所述，按照提出的本实施例的结构，如同第五实施例那样，因为在启动操作期间以可靠的方式进行必要而足够的氢气替换，因而可以实现燃料电池系统的可靠的启动。
尤其是，借助于使用现有的喷射器并利用在调节可变节流阀的开度时用于扼流的喷射器的特性，使得保持喷射器的上游的燃料气体压力基本恒定，使得能够用简单的可靠的方式保持燃料气体供应流量基本恒定。
此外，因为喷射器上游的燃料气体压力根据喷射器下游的燃料气体压力被确定，使得即使在喷射器下游的燃料气体压力存在波动时，也能以简单可靠的方式保持燃料气体供应流量基本恒定。
此外，可以认为，用于检测喷射器5的入口压力的压力检测器15也起用于检测其相应的燃料气体浓度的作用。
(第七实施例)下面参照图18-19详细说明本发明的第七实施例的燃料电池系统及其相关的方法。
提出的本实施例的燃料电池系统和第六实施例的类似，并且根据这种结构，在氢气替换操作期间，燃料电池组1的入口压力被处理。
图18表示在氢气替换操作期间燃料电池组1的入口压力(相当于喷射器5的上游的压力)随时间的变化曲线。在该图中，实线表示在燃料电池系统启动之前在燃料电池系统的氢气管线中被全部充满空气和氮气的情况下，燃料电池组1的入口压力随时间的变化，因此，氢气替换需要最长的时间，与此相反，如果氢气管线充有少量的剩余空气和氮气，即，具有残余的氢气的情况下，则入口压力如虚线所示。即，在如实线所示的情况下，此时氢气管线充满了空气和氮气，则需要在时间间隔t1内进行氢气替换处理，而在由虚线所示的具有残余氢气的情况下，则在时间间隔t2内进行氢气替换处理便足够了(t2＜t1)。
在图18中，一旦氢气替换处理开始进行从而开始供应氢气时，燃料电池组1的入口压力便立即增加，并随着氢气替换处理的进行而减少，于是，当氢气管线全部被氢气充满时，压力保持在基本上恒定的值(例如P0＝3kPa)。这似乎是由于这样的事实而产生的现象空气比氢气具有较大的分子量，因而，当在恒定的流量下用氢气替换空气时，在通过氢气替换阀8的期间内增加的空气的压力大于氢气。这就是说，这意味着，当在恒定的流量下进行替换时，使用燃料电池组的入口压力，即使用喷射器5的下游的压力，使得能够进行判断在氢气管线中剩余的空气和氮气的数量。
由上述的考虑看来，提出的本实施例被设置用于当在氢气替换操作期间燃料电池组1的入口压力等于或小于给定值(P0)时的时刻，结束听候替换处理。即，当燃料电池组1的入口压力等于或小于给定值(P0)时，被认为处于这样的情况下，即其中在氢气管线例如燃料电极内部和燃料气体通路中的氢气的浓度等于或大于给定值(即用于产生电能所需的最小氢气浓度)。在这种情况下，可以说，用于检测喷射器5的下游压力的压力检测器9也起用于检测氢气浓度即燃料气体浓度的作用。
下面参照图19的流程图详细说明这种结构的基本操作顺序。
在图19中，提出的本实施例的基本操作顺序包括和第六实施例的步骤S81-S83的操作相同的步骤S91-S93，代替步骤S84，在随后的步骤S94，进行判断看由压力检测器9检测的燃料电池组1的入口压力PS是否等于或小于给定值PSd(＝P0)。如果燃料电池组1的入口压力PS等于或小于给定值PSd，则进行步骤S95-S97，其和第六实施例的步骤S85-S87的操作相同，从而结束氢气替换处理。
如上所述，按照提出的本实施例的结构，能够获得取决于燃料电池系统的氢气管线中的残余氢气浓度的不能减小的最低需求量的替换时间间隔，使得能够实现由于替换而引起的最小量的氢气的损失，同时以可靠的方式开始启动，并且对系统提供一个短的启动时间。
此外，能够根据氢气替换阀的上游的气体压力值判断在氢气管线中的残余氢气的数量(浓度)，这使得不再需要专用于氢气浓度的检测器。
此外，能够控制燃料气体流量基本上为恒值，这使得能够容易地按照在燃料电极内部和燃料气体通路中流通的燃料气体的增加判断氢气替换阀的上游的压力等于或小于给定值。如果燃料气体流量不能保持在基本上恒定的值，即使在氢气替换阀的上游的压力等于或小于给定值，则难于判断压力降低是否是由燃料电极内部和燃料气体通路中的燃料气体的增加而产生的，或者压力降低是否由燃料气体流量本身的波动而引起的，因而降低替换处理的可靠性。
此外，在提出的本实施例中，使用压力检测器9，用于检测喷射器下游的压力，即燃料电池组的入口压力，为了使用氢气替换阀的入口压力，在氢气替换阀的入口提供压力检测器当然上理想的。不过，如果在燃料电池组中的压力损失足够低，则利用这种燃料电池组的入口压力来代替是合适的。这就是说，压力检测器可以位于燃料电池组的下游，只要其位于喷射器的下游即可。
此外，虽然通过保持喷射器入口压力为恒值使替换流量被设置为恒定，也可以进行这样的改变，使得通过保持可变节流阀的开度为恒值把替换流量设置为恒值。
(第八实施例)下面参照图20详细说明本发明的第八实施例的燃料电池系统及其相关的方法。提出的本实施例的燃料电池系统和第六实施例的燃料电池系统类似。
在上述的第七实施例的结构中，如果氢气替换流量，即，一般地，氢气替换阀设置为这样的值，在氢气管线被空气和氮气充满的情况下，在氢气替换操作期间，所述的值使得燃料电池组1的入口压力上升到大约40kPa的最大值，则所述入口压力达到大约为3kPa的值。这就是说，需要承受40kPa的最大压力，并以高的精度检测低的压力，例如3kPa，为此，需要使用高成本的压力检测器。在压力检测器具有低的精度的情况下，预计有这样的可能性即使替换程度不足时也结束替换，或者，根据检测器指示的值，压力难于降低到PSd(＝P0)，因而替换处理难于结束。
为了避免这些情况发生，提出的本实施例设想使用这样一个压力，用于判断替换是否结束，该压力被设置为一个比图18中的P0较高的值，并代替P0，并被配置使得即使燃料电池组的入口压力等于或小于P1时，也在一个给定的时间间隔内(例如大约3秒)继续供应氢气。
在这种情况下，如图20的流程图所示，在图19所示的流程图中增加了步骤S105，于是，在步骤S104由压力检测器9检测的燃料电池组1的入口压力PS等于或小于给定值PSd之后(例如大约6kPa，略高于图18的门限值)，在步骤S65使这个入口压力保持一个给定的时间间隔(例如大约3秒)，继续进行氢气替换处理，使得即使低成本的压力检测器，也能在短的时间段内可靠地启动燃料电池系统。此外，图20中的步骤S101-S103和图19的步骤S91-S93相同，图20的步骤S106-S107和图19的步骤S95-S97相同。
按照上述的提出的本实施例，在使用低成本的低精度的压力检测器时，也能可靠地实现必须的和充分的氢气替换，因而能够以可靠的方式启动燃料电池系统。
此外，虽然结合这样的情况说明了本发明，其中通过保持喷射器的入口压力为恒值使氢气替换流量恒定，也可以使可变节流阀的开度为恒定来保持氢气替换流量恒定。
2002年5月14日在日本申请的No.2002-138905和2002年5月14日在日本申请的No.2002-138919的专利申请全文被包括在此作为参考。
虽然参照本发明的某些实施例说明了本发明，但本发明不限于上述的实施例。按照本发明的教导，本领域技术人员可以对上述实施例作出各种改变和改型。本发明的范围参照下面的权利要求限定。
工业应用如上所述，本发明能够获得一种燃料电池系统，其中在燃料电池系统的启动期间剩余的燃料气体被排放到燃料电池系统的外部，同时以这样的方式向燃料电池供应燃料气体，使得保持要被提供给燃料电池的燃料气体一个状态的数量为恒值，借以使得能够执行燃料气体替换处理，以便利用燃料气体替换要被替换的燃料气体通路和燃料电极中的残余气体，从而即使在燃料电池系统长时间不用时，燃料电池系统也能在一个短的时间段内可靠地启动。结果，这种适用于执行这种气体替换处理的燃料电池系统可以应用于其它种类的燃料电池，例如不仅固态的聚合物型电池，而且可以应用于固态氧化物型电池，并且可以应用于为车辆供电的燃料电池，以及作为工业或家庭应用的电能发生器，预计这些应用具有宽的适用范围。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括具有相对设置的燃料电极和氧化剂电极的燃料电池，在所述电极之间夹着电解质膜；燃料气体供应源，用于通过燃料气体供应通路向燃料电池供应燃料气体；燃料气体排放部分，用于排放从燃料电池排出的燃料气体到燃料电池系统的外部；以及控制部分，用于在燃料电池系统的启动期间执行燃料气体替换处理，使得燃料气体通过燃料气体排放部分排放到燃料电池系统的外部，同时供应燃料气体，使得要被从燃料气体供应源提供给燃料电池的燃料气体的一个状态量为恒定，以便使得燃料气体通路和燃料电极能够被燃料气体替换。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括设置在所述燃料气体供应通路中的第一压力检测器，其中所述燃料气体的状态量是由第一压力检测器检测的燃料气体的压力。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，还包括净化部分，用于在燃料电池系统的操作期间排放从燃料电池排出的燃料气体的至少一部分到燃料电池的外部，其中所述燃料气体排放部分比所述净化部分具有较大的开口面积。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述的燃料气体替换处理在经过一个给定的时间间隔之后结束。
5.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述的燃料气体替换处理根据和剩余在燃料电极或燃料气体供应通路中的燃料气体的浓度相关联的值结束。
6.如权利要求2所述的燃料电池系统，还包括用于检测和燃料气体的供应流量相关联的值的检测器，其中所述燃料气体替换处理根据由检测器检测的值结束。
7.如权利要求2所述的燃料电池系统，还包括被设置在所述燃料气体供应通路中的具有可变的开度的阀门，其中所述阀门的开度被启动，以便使得燃料气体的压力维持在恒值，并且所述燃料气体替换处理根据阀门的开度结束。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述燃料气体替换处理在当所述阀门的开度超过一个给定值时经过一个给定时间间隔之后结束。
9.如权利要求2所述的燃料电池系统，还包括被设置在所述燃料气体供应通路中的具有可变的开度的阀门，被设置在所述燃料气体供应通路中的喷射器，用于使得从燃料电池排出的过量的燃料气体能够通过所述喷射器返回所述燃料气体供应通路；以及第二压力检测器，用于检测所述喷射器的上游的燃料气体的压力；其中所述燃料气体替换处理根据由所述第二压力检测器检测的燃料气体的压力结束。
10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中所述燃料气体替换处理在当所述第二压力检测器检测的燃料气体的压力超过一个给定值时经过一个给定的时间间隔之后结束。
11.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料气体的状态量是燃料气体的供应流量。
12.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述燃料气体的供应流量借助于扼流机理保持为恒值。
13.如权利要求11所述的燃料电池系统，还包括净化部分，用于在燃料电池系统的操作期间排放从燃料电池排出的燃料气体的至少一部分到燃料电池的外部，其中所述燃料气体排放部分比所述净化部分具有较大的开口面积。
14.如权利要求11所述的燃料电池系统，还包括被设置在所述燃料气体供应通路中的具有可变的开度的阀门，其中当所述燃料气体替换处理被执行时，所述阀门的开度被固定。
15.如权利要求11所述的燃料电池系统，还包括被设置在所述燃料气体供应通路中的具有可变的开度的阀门，以及被设置在所述燃料气体供应通路中的喷射器，用于使得从燃料电池排出的过量的燃料气体能够通过所述喷射器返回所述燃料气体供应通路；以及第三压力检测器，用于检测所述喷射器的上游的燃料气体的压力；其中在执行所述燃料气体替换处理期间，所述阀门的阀门开度被这样控制，使得由所述第三压力检测器检测的燃料气体的压力维持在给定值。
16.如权利要求15所述的燃料电池系统，还包括第四压力检测器，用于检测所述喷射器的下游的燃料气体的压力，其中，相应于在燃料气体替换处理的执行期间由所述第四压力检测器检测的燃料气体的压力，确定所述燃料气体的给定值。
17.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述燃料气体替换处理在经过一个给定的时间间隔之后结束。
18.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述的燃料气体替换处理根据和剩余在燃料电极或燃料气体供应通路中的燃料气体的浓度相关联的值结束。
19.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述燃料气体替换处理根据燃料气体排放部分的上游的燃料气体的压力结束。
20.如权利要求19所述的燃料电池系统，其中所述燃料气体替换处理根据当燃料气体排放部分的上游的燃料气体的压力超过一个给定值时经过一个给定的时间间隔之后结束。
21.一种燃料电池系统，包括具有相对设置的燃料电极和氧化剂电极的燃料电池，在所述电极之间夹着电解质膜；供应装置，用于通过燃料气体供应通路向燃料电池供应燃料气体；排放装置，用于排放从燃料电池排出的燃料气体到燃料电池系统的外部；以及控制装置，用于在燃料电池系统的启动期间控制燃料气体替换处理，使得燃料气体通过排放装置排放到燃料电池系统的外部，同时供应燃料气体，使得要被从供应装置提供给燃料电池的燃料气体的一个状态量为恒定，以便使燃料气体通路和燃料电极能够被燃料气体替换。
22.一种用于替换燃料电池系统中的燃料气体的方法，所述燃料电池系统包括具有相对设置的燃料电极和氧化剂电极的燃料电池，在所述电极之间夹着电解质膜，所述方法包括通过燃料气体供应通路向燃料电池供应燃料气体；排放从燃料电池排出的燃料气体到燃料电池系统的外部；以及在燃料电池系统的启动期间执行燃料气体替换处理，使得燃料气体排放到燃料电池系统的外部，同时供应燃料气体，使得要提供给燃料电池的燃料气体的一个状态量为恒定，以便使燃料气体通路和燃料电极能够被燃料气体替换。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统(FS)和相关的启动方法，所述燃料电池系统包括具有相对设置的燃料电极(1c)和氧化剂电极(1a)的燃料电池(1)，在所述电极之间夹着电解质膜(1b)，燃料气体供应源(2)，用于通过燃料气体供应通路(4)向燃料电池供应燃料气体，燃料气体排放部分(8，8’)，用于排放从燃料电池排出的燃料气体到燃料电池系统的外部；以及控制部分(14)，用于在燃料电池系统的启动期间执行燃料气体替换处理，使得燃料气体通过燃料气体排放部分排放到燃料电池系统的外部，同时供应燃料气体，使得要被从燃料气体供应源提供给燃料电池的燃料气体的一个状态量为恒定，以便使得燃料气体通路和燃料电极能够被燃料气体替换。
文档编号H01M8/04GK1572039SQ0380133
公开日2005年1月26日 申请日期2003年4月23日 优先权日2002年5月14日
发明者上原哲也, 高桥伸孝 申请人:日产自动车株式会社