专利名称：用于燃料电池系统的控制装置及相关方法
技术领域：
本发明涉及用于燃料电池系统的一种控制装置及其相关方法，更具体地讲，涉及一种用于去除在燃料电池堆中的水的燃料电池系统控制装置及相关方法，其中装在车辆上燃料电池堆所产生的电功率被供至一个电动机以产生驱动功率。
背景技术：
用燃料电池系统，为了对燃料电池堆启动电功率产生反应，很可能出现这样的情况，其中由于要求水作为一种介质以使离子通过离子-交换膜，燃料气体和氧化气体是在一定湿度状况下供给的。
以这样一种燃料电池系统，理想地讲，要求燃料气体和氧化气体保持100％的湿度而不产生多余的水。然而在实际情况下，由于过多的加湿水或由于伴随燃料电池堆电功率产生操作所产生的水，非常可能在燃料电池堆中的气流通道中保持过多的水份。当在气流通道中产生的水份量增加时，对于气体透过离子-交换膜就会遇到困难，从而引起电池电压下降，引起燃料电池堆的电功率产生效率的恶化。
日本专利申请公开NO.2001-307757公布了一种结构，其中，当相对于燃料电池堆的一个平均单位电池功率输出数值，最小电池电压很低时，那么就作出这样的判断，即在燃料电池堆的气流通道中存在过度增加的水份，因而通过用与燃料电池堆相连通的吹洗阀门执行燃料气体的吹洗。
另外，以这种燃料电池系统，虽然燃料电池堆产生电功率输出伴随着产生热量，然而因为要使一固态聚合物膜有效地产生电功率，操作温度必须保持在一有限范围内，从而必须让冷却剂流过燃料电池堆以使燃料电池堆保持在一个给定的温度范围内。这里，当考虑到在燃料电池堆内气体温度发生极大的增加，为了降低气体温度，要求冷却剂流通道位于气体流通道尽可能靠近的区域，从而使冷却剂靠近气流流动。为此目的，提供了这样的结构，其中让燃料气体和冷却剂沿着邻近的流动通道流动，这两通道通过一个多孔膜互相分开。
另外，以这种燃料电池系统，在燃料电池堆被安装在一辆汽车上的情况下，非常可能用通过位于车辆前方并向燃料电池堆提供的散热器的气流来冷却冷却剂。
发明内容
另外，基于本发明者所作的研究，以这种燃料电池系统，虽然燃料电池堆产生电功率输出伴随着产生热量，然而因为要使一固态聚合物有效地产生电功率，操作温度必须保持在一有限范围内，从而必须要让冷却剂流过燃料电池堆以使燃料电池堆保持在一个给定的温度范围内。这里，当考虑到在燃料电池堆内气体温度发生极大的增加，为了降低气体的温度，要求冷却剂通道位于气体流通道尽可能靠近的区域，从而使冷却剂靠近气体流流动。为此目的，提供了这样的结构，其中让燃料气体和冷却剂沿着邻近的流动通道流动，这两通道通过一多孔膜互相分开。
另外，以这种燃料电池系统，在燃料电池堆被安装在一辆汽车上的情况下，非常可能用通过位于车辆前方并向燃料电池堆提供的散热器的气流来冷却冷却剂。
然而，根据本发明者所进行的研究，当燃料电池发动的车辆在高速公路上连续行驶时，因为燃料电池堆所产生的电功率输出的连续增加量，很可能冷却剂会达到一个高的温度，如果车辆从冷却剂温度保持在高水平的行驶状态转向一种游弋的行驶状态，可以相信，燃料电池堆将减小电功率输出的数值，与之相随将减小热量值，从而冷却剂温度将迅速下降。尤其在车辆速度高的情况下，因为通过散热器的气流增加，冷却剂温度非常可能迅速下降。
在这种情况下，可以设想流过在燃料电池堆内气流通道中气体发生的快速温度下降使得送到燃料电池堆中去的气流中的水汽大量的凝结成液态水，而这液态水又流入燃料电池堆。在此情况下，可以设想进入气流通道的液态水的存在将堵住要透过离子交换膜的气体，从而引起电功率产生效率的快速恶化，并发生这种的可能性，也即即使用燃料气体吹洗，也难于恢复燃料电池堆的电功率产生效率。
本发明是基于上述研究作出的，其目标是为燃料电池系统提供一种控制装置及其相关方法，其中即使当提供给燃料电池堆的气体的温度迅速下降时，也可能防止电功率产生效率恶化。
为了达到上述目的，在本发明的一个方面中，为具有燃料电池堆的燃料电池系统提供一个控制装置，而该电池堆有一个氧化电极被供以氧化气体和一个燃料电极，被供以燃料气体以产生电功率，该控制装置包括一个估计部件，以估计是否发生水-阻塞现象，当发生此现象时，在向燃料电池堆的燃料电极提供燃料气体的燃料气流通道中存在凝结水；以及一个控制部件以控制一个燃料气体排放阀门，该阀门配置在燃料电池的下游以在估计部件估计发生水-阻塞现象的情况下允许燃料气体从燃料电池堆排放，并进入一种打开的状态。
换言之，在本发明的另一个方面中，为具有燃料电池堆的燃料电池系统提供了一个控制装置，而该堆有一个氧化电极被供以氧化气体和一个燃料电极被供以燃料气体以产生电功率，该控制装置包括估计手段以估计是否发生水-阻塞现象，当发生此现象时，在向燃料电池堆的燃料电极提供燃料气体的燃料气流通道中存在凝结水；以及控制手段以控制燃料气体排放阀门，它配置在燃料电池堆的下游以在估计手段估计发生水阻塞现象的情况下允许燃料气体从燃料电池堆排放，并进入一种打开状态。
同时，在本发明的又一个方面中，为具有燃料电池堆的燃料电池系统提供了一种控制方法，而该电池堆有一个被供以氧化气体的氧化电极和一个被供以燃料气体的燃料电极以产生电功率，该控制方法包括估计是否发生水阻塞现象，在此现象中，在向燃料电池堆的燃料电极提供燃料气体的燃料气流通道中存在凝结水；以及控制一个燃料气体排放阀门，该阀门配置在燃料电池堆的下游，以在估计水-阻塞现象发生的情况下，允许燃料气体从燃料电池堆排放，并进入一种打开状态。
图1是一张由燃料电池发动的汽车的结构框图，该汽车有按照本发明第一实施方案的一个燃料电池系统；图2是一张该实施方案燃料电池系统的功能结构框图；图3是一张该实施方案燃料电池系统的具体结构框图；图4是一张流程图，它给出由本实施方案燃料电池系统所实现的燃料气体排放阀门控制操作的操作顺序；图5A是一张关于一燃料电池堆电功率输出的定时图，以说明燃料电池系统的燃料气体排放阀门控制操作，其横坐标表示时刻t而纵坐标表示在本实施方案中的燃料电池堆的电功率输出Pw_STACK；图5B是一张关于冷却剂温度的定时图，用横坐标表示时刻t而纵坐标表示在本实施方案中的燃料电池堆的冷却剂温度T_LLC；图5C是一张关于汽车速率的定时图，用横坐标表示时间t而纵坐标表示在本实施方案中汽车速率VSP；图5D是一张关于最小电池电压的定时图，用横坐标表示时刻t而纵会标表示在本实施方案中的最小电池电压VC；图5E一张关于燃料气体排放阀门操作的定时图，用横坐标表示时刻t而纵坐标表示本实施方案燃料电池系统的燃料气体排放阀门开状态和关状态。
图6是一张按照本发明第二实施方案燃料电池系统的功能结构框图；图7是一张流程图，它给出由该实施方案的燃料电池系统所实现的燃料气体排放阀门控制操作的操作顺序；图8是给出映射数据的一张图，其中根据对于一定大气温度和一定车辆速率时的冷却剂温度，改变水-阻塞发生估计标志，其中横坐标代表车辆速率VSP，而纵坐标代表本实施方案中的冷却剂温度T_LLC。
图9是一张按照本发明第三实施方案的燃料电池系统功能结构框图；图10是一种流程图，它给出该实施方案的燃料电池系统所实现的燃料气体排放阀门控制操作的操作顺序；图11是一张流程图，它给出按照本发明第四实施方案的燃料电池系统所实现的燃料气体排放阀门控制操作的操作顺序；图12是一张流程图，它给出按照本发明第五个实施方案的燃料电池系统所实现的燃料气体排放阀门控制操作的操作顺序；图13是一张按照本发明第六个实施方案的燃料电池系统结构框图。
图14是一张流程图，它给出在该实施方案中燃料气体排放阀门控制操作的操作顺序；图15是给出映射数据的一张图，它描述目标驱动功率依据车辆速率和加速器踏板位移增加量的变化，其中横坐标表示车辆速率VSP，而纵坐标表示在本实施方案中的目标驱动功率tT_drive；图16是给出映射数据的一张图，它描述目标总电功率依据车辆速率和目标驱动功率的变化，其横坐标表示车辆速率VSP，而纵坐标表示在本实施方案中目标总电功率tP_total；以及图17是给出映射数据的图，它描述电池功率供给值/目标总电功率随SOC的变化以及堆电功率产生值/目标总电功率随SOC的变化，其横坐标表示SOC，而左纵坐标表示在本实施方案中堆功率产生值tP_stack/目标总电功率tP_total，而右纵坐标表示在本实施方案中电池功率供给值tP_battery/目标总电功率tP_total。
具体实施例方式
以下将适当参照附图详述按照本发明的各个实施方案，燃料电池系统的一种控制装置及其相关方法。
(第一个实施方案)按照本发明第一实施方案的燃料电池系统的一种控制装置及其相关方法将参照图1到图5E加以详述。
首先将参照图1和2叙述具有该实施方案燃料电池系统的燃料电池发动汽车的一种结构。
燃料电池发动汽车的结构图1是一张框图，它示出具有按照本实施方案燃料电池系统的燃料电池发动汽车的一种结构。
如图1所示，本实施方案的燃料电池系统2被安装在燃料电池发动汽车1上。
该燃料电池发动汽车1用一个电源，该电源利用从燃料电池系统2所产生的电功率输出，以及有一个电动机3，它适宜于接受由燃料电池系统2所产生的电功率输出，电动机3的驱动功率通过驱动功率杆D被传送到轮WH，以使汽车行驶。在行驶时，该燃料电池发动的汽车从汽车的前方FR向位于车体B前方的散热器4引入一股行驶风W以在燃料电池系统2内部冷却在燃料电池堆11和散热器4之间循环流动的冷却剂。在燃料电池系统2的电功率产生操作时期，该燃料电池发动的汽车1驱动一个泵5，该泵又使得为散热器4所冷却的冷却剂通过一输送管L被循环传送。
图2是一张框图，它给出本实施方案的燃料电池系统的功能结构。
如图2所示，该燃料电池发动的汽车1的燃料电池系统2包括一个燃料电池堆11，它由许多个堆构成，其中每一个堆包括一个燃料电极11a和一个氧化电极11b，在其间夹以由一种聚合物膜组成的电解质11c，在堆中，燃料气体被供给至燃料电极11a，而氧化气体被供给至氧化电极11b，从而产生电功率输出。在本实施方案中，典型地，把氢气作为燃料气体供应到燃料电池堆11，而把空气作为氧化气体供应到燃料电池堆。
在燃料电池发动的汽车行驶时，燃料电池系统2内，燃料电池堆11的燃料电极11a和氧化电极11b分别被供以氢和空气。当该过程发生时，燃料电池系统2让一个冷却剂温度检测部件12来检测在散热器4和燃料电池堆11之间循环流动的冷却剂的温度，以及一个冷却剂-阻塞估计部件13来依据所得到的冷却剂温度估计在燃料电池堆中发生冷却剂-阻塞现象的概率。如果该冷却剂-阻塞估计部件13估计发生冷却剂-阻塞现象，一个燃料气体排放控制部件14将运转以使燃料气体排放阀门15进入一个打开状态以使凝结水从在燃料电池堆11内的燃料气体流通道排放到外部。
下面将参照图3叙述本实施方案的燃料电池系统2的具体结构。同样，虽然本实施方案是结合着把氢直接作为燃料气体这样的例子在这里叙述的，但当然也可以使用另一种系统，其中氢从重整燃料得到。燃料电池系统的具体结构图3是一张框图，它说明本实施方案的燃料系统的具体结构。
在图3中，燃料电池系统2让氢气供应给燃料电池堆11的燃料电极11a，而燃料电池堆11由多个堆构层，每一个堆包括燃料电极11a和氧化电极11b，在其间夹以由聚合物膜组成的电解质11c(参阅图2)，当把氢供给到燃料电极11a和把空气供给到氧化电极11b时，就引起燃料电池堆11产生电功率输出。在燃料电池堆11内部被装以氢气气流通道，空气流通道和冷却剂流通道，这些通道在图中没有示出。
氢气被压缩并以高压存储在氢存储罐21内。
在燃料电池堆11电功率产生操作时期，在氢存储罐21中存储的氢气被氢压力调整阀门22适当调整并减小气压，以及之后供给至与燃料电池堆11相连通的氢气管路H。同样，虽然本实施方案是结合着这样一种结构给出的，其中氢存储罐21和氢压力调节阀门22是直接和燃料电池堆11相连通，当然它也可以加以改动以使用一个位于至燃料电池堆11中途的独立阀门来进一步减小气压。
这里，在把氢气提供给燃料电池堆11时，先把氢气供给到位于循环管线HL中的排气循环单元23。该排气循环单元23用来把从氢气存储罐21送出的氢气与从燃料电池堆11排出的、没有被消耗的氢气混合，再把得到的混合气体供到燃料电池堆11中。
之后，从排气循环单元23向燃料电池堆11供出的氢气，流经一个水收集单元24，从而使包含在氢气中的水份得以回收。这里，虽然包含在氢气中的水汽很可能被在排气循环单元23和燃料电池堆11之间管线H的散热冷却冷凝成水，但氢气和在氢气中的水份被安置在燃料电池堆11的一个入口处前方用以从氢气中除去水份的水收集单元24所完全分开，从而把氢气供应到燃料电池堆11。
接着，在燃料电池堆11中，燃料电池消耗不包含水份的氢气，而没有被消耗的剩余氢气被送至排气循环单元23。
这里，在燃料电池堆11的氢排放一侧和排气循环单元23之间的循环管线HL’内安置一个凝结水收集单元25，藉助它来从氢气中收集凝结水。
另外，在燃料电池堆11的氢排放侧安置一个氢气排放阀门26，它是一个开和关的阀门。当出现这样的情况就要让氢气排放阀门26处于开状态，即由于对燃料电池堆要求的电功率输出迅速下降或当燃料电池堆11的操作被中断，处于循环管线HL，HL’中的氢气的消耗遇到困难时。其结果是，氢气排放阀门把处于循环管线HL，HL’中并且不能被消耗掉的氢气排放到外面。另外，虽然从使控制简单起见，用一个只包含开和关的阀门作为氢气排放阀门是优选的，但当然也可以用一个流率和压力调整阀门，这种阀门的开口大小可以控制的。另外，该氢气排放阀门26对应于在图2中的燃料气体排放阀门15。
在燃料电池堆11的电功率产生操作时期内，燃料电池系统2用一个空气压缩机27吸入大气并把它送至燃料电池堆11。
这里，被空气压缩机27所压缩的空气的温度被升高，为了使燃料电池堆11有效地反应，空气被安置在燃料电池堆11的一个入口处的空气冷却器28所冷却。
另外，其中氧气2被燃料电池堆11的氧化电极11b所消耗空气的剩余的空气，包含在燃料电池堆11内部进行反应所产生的水份并在其中冷凝，所形成的水份被一个水收集单元29所收集，之后，剩余空气通过一个安置在燃料电池堆11空气排放侧的空气压力调整阀门30被排放到大气中。这里，空气压力可以通过调整空气压力调整阀门30的开口大小加以控制。另外，在燃料电池堆11的空气排放侧安置一个空气吹洗阀门31，该空气吹洗阀门在从燃料电极11b除去凝聚水时被安置成处于打开状态。
另外冷却燃料电池堆11并调节其温度的冷却剂可以是具有更高沸点的乙二醇，该冷却剂被一个泵32送到循环管线RL，再通过一个温度控制器33送至燃料电池电源11，而温度控制器协同散热器和风扇运作以把温度保持在一个接近固定的水平上。
接着，冷却剂在燃料电池堆11中进行热交换以冷却燃料电池堆11从而调节其温度。当该过程进行时，温度控制器33按照安置在燃料电池推层11的冷却剂入口侧的冷却剂温度传感器34所检测到的冷却剂温度，控制其操作。同样注意到，泵32对应于图1中的泵5，而冷却剂温度传感器34对应于图2中所示的冷却剂温度检测单元12，而温度控制器33包括在图1中所示的散热器4。
这里，冷却剂压力被调整到保持在与氢气压力和空气压力基本相同的水平，而氢气压力及空气压力被调成基本相等并根据燃料电池堆11的输出电压作相应变化，同时控制泵32的排放流率。
这里，氢气气压和空气气压被调整成在燃料电池堆内保持基本相同的值，并控制泵32的排放流率以使冷却剂压力按照燃料电池堆11的输出电压来变化。
另外，虽然本实施方案已经参照这样的结构加以描述，在这个结构中，冷却剂的压力是在控制泵32的排放流率的同时加以控制的，这也可以改变成在冷却剂流的通道内安置一个阻尼阀，从而以更加精细的方式来控制冷却剂的压力。
之后，在燃料电池堆11的电功率产生操作期间被加热的冷却剂在回到泵32之前先被返回罐35。这导致吸收快速压力变化(如象水蜂鸣现象)的功能或者起着对于泵32的流率的积累器的作用。
在燃料电池堆11的电功率产生操作期间，该燃料电池控制系统2使控制单元36输出一个控制信号C1以调整氢气压力调整阀门22的打开程度，一个控制信号C2以调整压缩器27的位移量，一个控制信号C3以调整空气压力调整阀门30的打开程度，一个控制信号C4以调整泵32的位移量，和一个控制信号C5以调整温度控制器33的位移量。
另外，控制单元36读入从冷却剂温度传感器34传来的传感器信号SG1并估计燃料电池堆11是否发生水-阻塞现象，以输出一个控制信号C6给氢气排放阀门26来执行燃料气体排放阀门控制操作以控制地打开或关上氢气排放阀门26。同样，应当注意到，该控制单元36包括如图2中所示的水-阻塞估计部件13和燃料气体排放调整阀门14，它们构成控制单元36的一个功能块。
另外，在燃料电池堆11的一个空气吹洗模式下，该控制单元36输出控制信号C7给空气吹洗阀门31以打开空气吹洗阀门31。
下面将参照图4和5叙述本实施方案的燃料电池系统2燃料气体排放阀门控制操作。
燃料气体排放阀门控制操作图4是一张流程图，它给出按照本发明的燃料电池系统所执行的燃料气体排放阀门控制操作的操作序列。另外，燃料电池系统2的燃料气体排放阀门控制操作是在一个给定的时间间隔内，也即，一个相等的时间间隔内(如象10msec)执行的，这要用到在控制电路36内内部提供的一个计时器(未示出)。
在图4中，首先，在步骤S1中控制单元读入从冷却剂温度传感器34(冷却剂温度检测部件12)传送来的传感器信号SG1，并检测冷却剂温度T_LLC，随后操作转向步骤S2。
在接着的步骤S2中，判断当前燃料气体排放阀门控制操作是否对应于在燃料电池系统被启动后的第一计算，当判断没有涉及这种第一计算，则流程转向步骤3，而判断涉及该第一计算，则流程转向步骤4。这里，控制单元36被安置成使得，在刚启动燃料电池系统2后，立刻把计算操作判断标志初始化为“0(zero)”以及在燃料电池系统已经被启动后，计算操作判断标志被设置为“1”，以使参照该标志就能在步骤S2中进行判断。
在接着的步骤S3中，进行计算以得到在步骤S1中当前检测到的冷却剂温度T_LLC和在前一次操作中所检测到的冷却剂温度T_LLCold之间的差值，以得到冷却剂温度降落值ΔT(也即ΔT＝T_LLC-T_LLCold)，之后流程进入步骤S5。这里，如果当前冷却剂温度T_LLC降到比前一次冷却剂温度T_LLCold更低的值，那么冷却剂温度变化值ΔT是一个负值。
而在步骤S4中，冷却剂温度变化值ΔT被设置为“0”值(也即ΔT＝0)。之后操作进入步骤S5。
在后面的步骤S5中，为了在以后的燃料气体排放阀门控制操作中，控制单元36所执行的步骤S3中被用到，当前的温度检测值T_LLC被存入存储器(没有示出)作为前一次冷却剂温度检测值T_LLCold(也即T_LLCold＝T_LLC)。之后流程进入步骤S6。
在下一步骤S6中，由控制单元36进行判断在步骤S3或步骤S4中计算或设置的冷却剂温度降落是否等于或小于一预先确定的冷却剂温度降落阈值dT_thlev(也即ΔT≤dT_thlev)，从而估计在燃料电池堆11中是否发生水-阻塞现象，从而执行是否要打开氢气排放阀门26的判断。在这里，冷却剂温度降落值ΔT和预先确定的冷却剂温度降落阈值dT_thlev两个值典型地都是负值。因而在步骤S6中，如果由控制单元36判断冷却剂温度降落值ΔT等于或小于事先确定的冷却剂温度降落阈值dT_thelv，也即，当判断氢气排放阀门26应该打开，流程进入步骤S7以使控制单元36的燃料气体排放阀门控制部件14打开氢气排放阀门26。
反之，在步骤S6中，如果由控制单元36所作的判断为冷却剂温度降落值ΔT变得大于预先给定的冷却剂温度降落阈值dT_thelv，也即，当判断氢气排放阀门26不应当打开，则流程转向步骤S8，以使控制单元36的燃料气体排放阀门控制部件14不去打开氢气排放阀门26，从而使它仍保持在关闭状态。
这样，由于执行上述的一系列操作，也即在执行了步骤S7或步骤S8的操作以后，当前的燃料气体排放阀门控制操作被终止。另外，前面给出的步骤S1到S6的操作是被控制单元36的水-阻塞估计部件13所执行的。
现在将参照图5A到5E在下面详细描述在步骤S6中所用的预先确定的冷却剂温度降落阈值dT_thelv。
图5A是一张燃料电池堆电功率输出的定时图以说明燃料电池系统的燃料气体排放阀门控制操作，其横坐标表示时间间隔t而纵坐标表示燃料电池堆的电功率输出Pw_STACK。图5B是一张燃料电池堆的冷却剂温度的定时图，其横坐标表示时间间隔t而纵坐标表示燃料电池堆的冷却剂温度T_LLC。图5C是一张车辆速率的定时图，其横坐标表示时间间隔t而纵坐标表示车辆的速率VSP。图5D是一张最小电池电压的定时图，其横坐标表示时间间隔t而纵坐标表示最小电池电压VC。图5E是一张关于燃料气体排放阀门操作的定时图，其横坐标表示时间间隔t而纵坐标表示燃料电池系统的燃料气体排放阀门的打开和关闭状态。
这样一个阈值dT_thlev有一个事先确定的值以允许作出判断，看看冷却剂温度T_LLC是否迅速地降落到比起以前的冷却剂温度T_LLCold更低的数值。具体讲，虽然依赖于燃料气体排放阀门控制操作的操作时间间隔，如果作出判断为ΔT达到或超过每秒1℃的温度下降速率(也即dT_thelv＝-1℃/S)，那么由于燃料电池堆11中快速温度降落，很可能在燃料电池堆11内部发生小的凝结，从而作出在燃料电池堆11中将发生水-阻塞现象的估计。
也即，在实行如上所述的燃料气体排放阀门控制操作的燃料电池系统2中，在时刻t1之前的任一时刻，在图5A中所示的燃料电池堆11的电功率输出Pw_STACK保持在一个同P1处一样的高负载状态，而在图5B中所示的冷却剂温度保持在T1上。这时，电功率输出V1从燃料电池堆11供给至电机3，从而燃料电池发动的汽车1被加速，汽车速率VSP从v0逐渐增加，如图5C所示。
在时刻t1，如果进行这样的汽车操作以中断燃料电池发动的汽车1的加速，以开始让汽车以缓慢巡行的速率行驶，控制单元36运作以通过控制氢气压力调整阀门22来减小氢气供应的流率和氢气压力，以达到减小燃料电池堆11的电功率输出Pw_STACK的目的，同时控制压缩机27和空气压力调整阀门30以降低空气供应流率和空气压力，以及控制泵22来降低冷却剂循环的流率。这样，如图5A所示，燃料电池堆11的电功率输出Pw_STACK开始从P1降落至P2，伴随着最小电池电压VC从VCO的一个增加值，如图5D所示。
之后，在时刻t2，这时燃料电池堆11的电功率输出Pw_STACK迅速地从P1降至P2，如图5A所示，而汽车速率VSP仍保持在一个高水平上，而在图5B中所示的冷却剂温度T_LLC开始从T1迅速地降落。
当这些发生时，作为如图4中所示在步骤3中执行计算的结果，控制单元36在时刻t3判断冷却剂温度降落值ΔT(负值)是等于或小于阈值dT_thlev(dT_thlev＝-1℃/S)并估计发生水-阻塞现象。氢气排放阀门被置于开状态，如图5E中所示。这使得冷却剂温度T_LLC在t2时刻以后进一步下降使得即使当燃料电池堆11的燃料气体流通道内形成凝结水，也可能在时刻t3以后把凝结水排放到外面。另外在时刻t3经过一段时间间隔后到达t4时，控制单元36把氢气排放阀门恢复至其关闭状态。
反之，如果控制只着眼于燃料电池堆11的最小电池电压来执行而没有依据上述结构，也即，假如用这样一种结构，其中检测燃料电池堆的最小电池电压，并当燃料电池堆的最小电池电压下降一个给定值时，就断定发生水-阻塞现象，从而把氢气排放阀门置于开状态，如图5D中虚线所示，由于在时刻t11最终判断最小电池电压开始降落，它晚于在时刻t2后冷却剂温度迅速降落而引起的实际发生冷凝水的时刻，因而很难开始吹洗在燃料气体流通道中形成的冷凝水，如果最小电池电压以如图5E中所示的虚线这样的方式已经降到某个程度。相应地，如果该结构只着眼于这样一个最小电池电压，可以相信，一旦在燃料气体流通道中冷凝水以大的流率流动时，吹洗冷凝水没有适时，从而引起燃料电池堆11的电池电压降落迅速地发展，在极端的情况，可能使电池电压降至零。
就如上面给出的那样，按照本实施方案的燃料电池系统和相关的方法，在燃料电池堆的冷却剂温度下降或燃料电池堆的电功率输出下降的时刻，作出在燃料电池堆内部的燃料气体流通道中形成大量凝结水的估计，以及把氢气排放阀门置于开状态，这样就防止凝结水呆在燃料电池堆中以使电池电压降落，从而形成防止电功率产生效率恶化至最小程度的能力。
(第二实施方案)下面将主要参照图6到8详细叙述按照本发明第二个实施方案的燃料电池系统的控制装置和相关方法。另外，与前面给出的第一个实施方案相同的部件用相同的参照数字以略去对这些部件的详细描述。
图6是一个框图，它给出按照该实施方案的燃料电池系统的功能结构。
如图6中所示，该实施方案的燃料电池系统2比起第一实施方案有基本相同的结构，与第一实施方案不同之处在于燃料电池系统2还包括一个大气空气温度检测部件41，一个检测燃料电池发动的车辆1车辆速率的车辆速率检测部件42和一个检测燃料电池堆11功率输出的功率输出检测部件43。
以这样一个燃料电池系统2，控制单元36的水-阻塞估计部件13，除了用冷却剂温度检测部件12所检测到的冷却剂温度外，还用大气大气温度检测部件41所检测到的大气温度，车辆速率检测部件42所检测到的车辆速率和堆功率输出检测部件43所检测到的堆功率输出，来估计水-阻塞现象的是否发生。
以下将参照图7和8叙述该实施方案的燃料气体排放阀门控制操作。
图7是一张流程图，它给出该实施方案的燃料电池系统的燃料气体排放阀门控制操作的操作顺序。
如图7中所示，首先在步骤S11中，控制单元36除了读入堆冷却剂温度T_LLC以外，还读入从大气温度检测部件41送来的传感器信号SG2以检测大气温度T_amb，读入从车辆速率检测部件42送来的传感器信号SG3以检测车辆速率VSP，并读入从堆输出检测部件43送来的传感器信号SG4以检测燃料电池堆功率输出Pw_STACK，之后程序进入步骤S2。
在下一步骤S2中，当判断没有进行首先计算，则在下一步骤S12中，进行计算以提供一个堆功率输出降落值ΔPw。具体地讲，控制单元36计算在前次燃料电池堆功率输出Pw_STACKold和在步骤S11所检测到的当前燃料电池堆功率输出Pw_STACK之间的差值以计算堆功率输出降落值ΔPw(也即ΔPw＝Pw_STACK-Pw_STACKold)，之后操作进入步骤S14。这里，如果当前燃料电池堆功率输出Pw_STACK下降到上次燃料电池堆功率输出Pw_STACKold以下，则堆功率输出降落值ΔPw是负值。反之，在步骤S2中，当判断工作3首次计算，则在下一步骤S13中，把堆功率输出降落值ΔPw初始化为“0”(也即ΔPw＝0)，操作转向步骤S14。
在后面的步骤S14中，把当前的燃料电池堆功率输出Pw_STACK存入存贮器(未示出)(也即Pw_STACKold＝Pw_STACK)以便在下次操作中使用。
在下面的步骤S15中，控制单元36执行判断，即堆功率输出降落值ΔPw是否等于或小于一个事先确定的堆功率输出降落阈值dPw_thlev(也即ΔPw≤dPw_thlev)，以完成第一次水-阻塞估计。当判断堆功率输出降落值ΔPw等于或小于予先确定的堆功率输出降落阈值dPw_thlev时，流程转向步骤S16，而反之当判断堆功率输出降落值ΔPw大于予先确定的堆功率输出降落阈值dPw_thlev时，流程转向步骤S8，在此步骤中控制单元36的燃料气体排放控制部件14迫使氢气排放阀门26保持在关闭状态。
这里，堆功率输出降落阈值dPw_thlev被设置成某一个值以执行关于有没有引起燃料也池堆功率输出Pw_STACK迅速下降至比上次燃料电池堆功率输出Pw_STACKold更低的一个值这样的判断。更具体地讲，虽然依赖于这种燃料气体排放阀门控制操作被执行的所在的时间间隔，当判断一秒的时间间隔内功率输出降落等于或超过约30kW(也即Pw_thlev＝-30kW/S)时，则作出判断，即燃料电池堆11的热值已迅速下降。
之后，当操作进入步骤S16的情况下，控制单元36在步骤S16中执行设置水-阻塞发生估计标志fPURGE(也即fPURGE＝F1[VSP，T_LLC，T_amb]的操作，以为了执行第二水-阻塞估计操作步骤S17，该操作根据图8中所示的映射数据，结合在步骤S11中所检测到的车辆速率VSP，冷却剂温度T_LLC和大气温度T_amb以估计燃料电池堆是否发生水-阻塞。另外，这些映射数据被存在控制单元36的存储器中(未示出)。
图8是一张给出映射数据的图，其中水-凝结发生估计标志按照在步骤16中所用的冷却剂温度与大气温度以及车速相互关系而变化，其横坐标表示车速VSP，而纵坐标表示冷却剂温度T_LLC。
也即，在步骤S16中，控制单元36参照映射数据，该映射数据描述了如图8所示的在每一个大气温度T_amb下所确定的车辆速率和冷却剂温度T_LLC之间的关系。
在图8，映射数据被设置得对每一个大气温度T_amb，有用车辆速率VSP表示的冷却剂温度T_LLC的特性。在本实施方案中，示出了三条曲线，其中包括在大气温度T_amb的高温范围内冷却剂温度T_LLC用车速VSP表示的特性曲线A，在大气温度T_amb的中间温度范围内冷却剂温度T_LLC用车速VSP表示的特性曲线B以及在大气温度的低温范围内冷却剂温度T_LLC用车速VSP表示的特性曲线C。
更具体地讲，藉助于控制单元36，在图8中对每一个大气温度T_amb的每一条特性曲线，如果在步骤S11中检测到的冷却剂温度T LLC大于按照车速VSP在特性曲线上的冷却温度，那么水-阻塞发生估计标志fPURGE被设置成“1”相反，如果在步骤S11中检测到的冷却剂温度T_LLC小于按照车速VSP在特性曲线上的冷却剂温度T_LLC，则把水—凝结发生估计标志fPURGE设置为“0”。也即，在该操作过程中，控制单元36在之后的步骤S17中执行水-阻塞现象是否发生的估计，它是用车速V愈高，在一定车速下冷却剂温度愈高，那么发生冷凝水和水-阻塞现象的概率就愈高。
在接着的步骤S17中，执行第二水-阻塞估计操作，在此操作中判断在步骤S16中设置的水-阻塞发生估计标志fPURGE是否为“1”。当判断在步骤S16中设置的水-阻塞发生估计标志fPURGE保持为“1”(也即fPURGE＝1)，则估计水-阻塞现象的发生，操作转向步骤S7，其中控制单元36的燃料气体排放控制部件14让氢气排放阀门26被打开以吹洗。反之，当判断在步骤S16中设置的水-阻塞发生估计标志没有保持在“1”(也即fPURGE＝0)，那么作出没有发生水-阻塞现象的估计，操作进入步骤S8。
在接着的步骤S8中，控制单元36的燃料气体排放控制单元14使氢气排放阀门26保持在关闭状态。
这样，当经过上面所述的一系列操作后，也即在已经执行步骤S7或步骤S8中的操作以后，当前的燃料气体排放阀门控制操作被终止。同样，上述在步骤S11到S17中的操作为控制单元36的水-阻塞估计部件13所执行。
如前所述，按照本实施方案的燃料电池和相关方法，在燃料电池堆功率输出经历快速下降的情况下，因为水-阻塞现象是否发生是基于在一定的大气温度下车速和冷却剂温度之间的关系加以估计的，因而对于燃料电池系统2就可能来估计由于凝结水而引起的电功率输出降落的发生。因而，按照这样一个燃料电池系统，就可能可靠地防止燃料电池堆电功率产生效率的恶化。
(第三个实施方案)下面将参照图9和10详细叙述本发明第三个实施方案的燃料电池系统的控制装置及其相关方法。在本实施方案中，与第二个实施方案相同的部件也用相同的参照数字表示以免去同一部件的详细叙述。
图9是一张框图，以说明本实施方案的燃料电池系统的功能结构。
如图9所示，本实施方案的燃料电池系统基本上具有与第二个实施方案相同的功能结构，与第二实施方案的区别在于用一个加速器踏板打开检测部件51以检测燃料电池发动车辆的加速器踏板打开的程度，用它来代替检测燃料电池堆11功率输出的堆功率输出检测部件43。
对于这样一个燃料电池系统2，控制单元36的水-阻塞估计部件13，进一步用由加速器踏板开口检测部件51所检测到的加速器踏板开口程度来进行水-阻塞现象的估计。
在下面，将参照图10来叙述本实施方程的燃料气体排放阀门控制操作。
图10是一张流程图，给出本实施方案的燃料电池系统气体排放阀门控制操作的操作顺序。
如图10所示，首先在步骤S21中，控制单元36除了读入堆冷却剂温度T_LLC以外，还读入从大气温度检测部件41传送来的传感器信号SG2以检测大气温度T_amb，读入从车辆速率检测部件42传送来的传感器信号SG3以检测车辆速率VSP，以及读入由加速器踏板开口检测部件传送来的传感器信号SG5以检测加速器踏板位移增量值APO，之后流程进入步骤S2。
在下一步骤S2中，当判断当前没有涉及第一计算，则在下一步骤S22中，执行计算以得到加速器踏板位移增量下降值ΔAPO。这里，控制单元36执行在上一次加速器踏板位移增量值APOold和在步骤S21中检测到的当前加速器踏板位移增量值之间差值的计算以标出加速器踏板位移增量降落值ΔAPO(也即ΔAPO＝APO-APOold)，之后操作进入步骤S24。这里如果当前加速器踏板位移增量值APO降到上一次加速器踏板位移增量值APOold以下，那么加速器踏板位移增量降落值ΔAPO取负值。反之，在步骤S2中，当判断当前涉及第一计算，则在下一步骤S23中，把加速踏位移增量降落值ΔAPO初始化为“0”，之后流程进入步骤S24(也即ΔAPO＝0)。
在下一步骤S24中，当前的加速器踏板位移增量值APO被存入存储器(没有示出)(也即APOold＝APO)以便用于以后的操作。
在接下的步骤S25中，控制单元36执行关于加速器踏板位移增量降落值ΔAPO是否等于或小于一予先确定的加速器踏板位移增量降落阈值dAPO_thlev(也即ΔAPO≤dAPO_thlev)的判断，从而实现第一水-阻塞现象估计。当判断加速器踏板位移增量降落值ΔAPO是等于或小于予先确定的加速器踏板位移增量降落阈值dAPO_thlev，流程进入步骤S16。反之，当判断加速器踏板位移增量降落值ΔAPO大于予先确定的加速器踏板位移增量降落阈值dAPo_thlev，流程进入步骤S8，在该步骤中，控制单元36的燃料气体排放控制部件14迫使氢气排放阀门26保持在关闭状态。
这里，该予先确定的加速器踏板的位移增量降落阈值dAPO_thlev被设置在某个数值以使得能够作这样的判断，即是否引起当前的加速器踏板位移增量值APO迅速下降到一个比以前的加速器踏板位移增量值APOold更低的值。具体讲，该予先确定的加速器踏板位移增量降落阈值dAPO_thlev被设置为引起燃料电池堆11的热值快速下降的一个加速器踏板位移增量值。
之后，当操作进入步骤S16之后，执行与第二实施方案中一系列相同的步骤。
这样，当经历上述给出的一系列操作之后，也即，在执行了步骤S7或步骤S8中的操作之后，当前的燃料气体排放阀门控制操作被终止。同样，上述给出的从步骤S21到S17中的操作是在控制单元36的水-阻塞估计部件13中执行的。
如前所述，按照本实施方案的燃料电池系统及其相关方法，如果被检测到当前的加速器踏板位移增量值APO将引起燃料电池堆的热值迅速下降，伴随以燃料电池堆温度的迅速下降，则能够把氢气排放阀门置于打开状态，以及，因而可以让氢气排放阀门在燃料电池堆的电功率输出的数值被减小以引起气体温度降低的情况确实可能出现以前被打开，从而导致具有避免燃料电池堆电功率产生效率恶化的能力。
(第四个实施方案)下面将参照图11详细叙述本发明第四个实施方案的燃料电池系统及其相关方法，另外，本实施方案能够采取和以前所述任何一个实施方案相同的结构以及能够采取和前面所述各实施方案中任何一个步骤序列相同的步骤来估计燃料电池堆的水-阻塞现象，并对相同的部件用相同的参照数字以免去对相同部件的详细叙述。
本实施方案的燃料电池系统2与上述实施方案不同之处在于，该控制单元36的燃料气体排放控制部件14这样配置以使氢气排放阀门26被规则地在一个事先确定的时间间隔内打开以执行吹洗，而其他结构是相同的。
这样一个燃料电池系统2的燃料气体排放阀门控制操作将参照图11的流程图加以叙述。
图11是一张流程图，它给出本实施方案的燃料电池系统的燃料气体排放控制操作的操作序列。
如图11所示，首先在步骤S31中，控制单元36通过查询燃料气体排放阀门打开和关闭标志Cc_P的值来执行这样的判别，即燃料气体排放阀门打开的关闭标志Cc_P的值是否为“1”，从而实现关于氢气排放阀门26是否保持在打开状态的判断。当判断氢气排放阀门26保持在打开状态(也即Cc_P＝1)时，则流程进入S32，相反，当判断氢气排放阀门26没有保持在打开状态时(也即Cc_P＝0)，则流程进入步骤S33。
在下一步骤S32中，控制单元36执行对一予先确定的排放时间间隔计算定时器(没有示出)的值decTIM进行减操作，从而计算值decTIM-1(也即deeTIM＝decTIM-1)然后流程进入步骤S34。
在之后步骤S34中，执行这样的判断，即减完以后所得到的排放时间间隔计算计时器值decTIM是否大于“0”，从而判断氢气是否继续要被排放。当判断排放时间间隔计算计时器的值decTIM大于“0”(也即decTIM＞0)以及氢气要继续被排放，流程进入步骤S35，其中执行把氢气排放阀门26保持在开状态并把燃料气体排放阀门打开和关闭标志Cc_P保持在“1”(也即Cc_P＝1)的操作。反之，当判断排放时间间隔计算计时器的值decTIM不是大于“0”(也即decTIM≤0)以及氢气不应该被排放，则流程进入步骤S36，其中执行把氢气排放阀门26保持在关闭状态并把燃料气体排放阀门打开和关闭标志Cc_P复位至“0”(也即Cc_P＝0)的操作。
反之，当在步骤S31中判断氢气排放阀门26是关闭时操作进入的步骤S33中，控制单元36执行燃料电池堆11是否发生水-阻塞现象的判断。当这发生时，控制单元36完成与前面所述第一到第三个实施方案中为估计水-阻塞现象的任何一个步骤顺序相同的操作，从而来估计在燃料电池堆11中是否发生水-阻塞现象。在步骤S33中，如果估计发生了水-阻塞现象，则流程进入步骤S37，相反，如果估计没有发生水-阻塞现象，则流程进入步骤S38。
在之后的步骤S37中，排放时间间隔计算计时器的值decTIM被设置成一个予先确定的值TIM_WS(也即decTIM＝TIM_WS)以确定让氢气排放阀门26处于打开状态的时间间隔，然后将进入步骤S35。予先确定的值TIM_WS是这样确定的，它应当是当燃料电池堆11发生水-阻塞现象时期，为消除凝结水的存在所必需的足够的时间间隔，或者在发生水-阻塞现象时为克服水阻塞现象所必需的足够的时间间隔。
反之，在步骤S33中，如果估计没有发生水-阻塞现象，则流程进入步骤S38，执行这样的判断，即是否出现把氢气排放阀门置于打开位置的规则吹洗定时信号。如果判断需要进行规则定时吹洗，则流程进入步骤S39，其中排放时间间隔计算定时器的值decTIM被设置为一个给定值TIM_Normal(也即decTIM＝TIM_Normal)，接着操作进入步骤S35。这里给定值TIM_Normal被设置为一个比起当估计发生水-阻塞现象时出现的给定值TIM_WS要小的时间间隔。另外，在步骤S38中，当判断没有规则地让氢气排放阀门26处于打开状态的吹洗定时信号，则流程进入步骤S36。
这样，在经历上述给出的一系列操作后，也即在执行了步骤S35或S36以后，当前的燃料气体排放阀门控制操作终止。另外，上述给出的步骤S33中的操作是由控制单元36水-阻塞估计部件13所执行的，而其他操作由控制单元36的燃料气体排放控制部件14所执行的。
如前所述，按照本实施方案的燃料电池系统和相关方法，当估计在燃料电池堆中将发生水阻塞现象时，就执行这样的操作以把氢气排放时间间隔延长到比起在规则吹洗定时中出现的氢气排放时间间隔更大的数值，以便在估计要发生水-阻塞现象时，增加要被排放的氢气量，从而导致避免出现在氢气流通道中形成大量凝结水并伴随以凝结水流入燃料电池堆这种概率的能力。
(第五个实施方案)下面将主要参照图12，详细叙述本发明的第五个实施方案的燃料电池系统的控制装置及其相关方法。同样，在本实施方案中，与第四个实施方案中相同的部件用相同的参照数字，以免去对相同部件的详细描述。
本实施方案的燃料电池系统2与第四个实施方案不同之处在于，当控制单元估计发生水-阻塞现象时，出现在该时刻的冷却剂温度被贮存起来，而当氢气阀门已经被打开，且温度已达到当估计发生水-阻塞现象时的温度，则氢气排放阀门被置于关闭状态，而在其他结构中与第四个实施方案相同。
下面将参照图12的流程图叙述该燃料电池系统2的燃料气体排放阀门控制操作。
图12是一张流程图，它给出本实施方案的燃料电池系统的燃料气体排放阀门控制操作的操作顺序。
如图12所示，首先在步骤S41中，控制单元36读入从冷却剂温度检测单元12传送来的传感器信号，以检测当前冷却剂温度T_LLC。
在下一步骤S31中，执行这样的判断，即燃料气体排放阀门打开和关闭标志Cc_P是否为“1”，如果判断氢气排放阀门26保持在打开状态(即Cc_P＝1)，流程进入步骤42。相反，当判断不处于打开状态(也即Cc_P＝0)，则流程进入步骤S33。
在下一步骤S42中，控制单元36执行这样的判断，即在步骤41中检测到的冷却剂温度T_LLC是否等于在水-阻塞现象时存在的冷却剂温度TS_LLC，这时如果作出两个温度相等(也即T_LLC＝TS_LLC)，流程进入步骤S36，以关闭氢气排放阀门26。反之，如果判断两个温度不相等，(也即T_LLC≠TS_LLC)，则流程进入步骤S35，以使氢气排放阀门26保持在关闭状态(也即Cc_P＝1)。当然，在这种情况下，当冷却剂温度T_LLC基本上等于在水-阻塞现象时所处的冷却剂温度TS_LLC时，考虑到允许的容差，可以无异议地断定，两个温度相等。
而在当步骤S31中判断氢气排放阀门26是关闭着从而流程进入的步骤S33中，控制单元36估计燃料电池堆11是否发生水-阻塞现象。当断定没有发生水-阻塞现象时，在步骤S36中氢气排放阀门26被命令保持在关闭状态，反之，如果估计发生水-阻塞现象，流程进入步骤S43，在此情况下，水-阻塞现象是通过执行与前面给出的各实施方案估计燃料电池堆是否发生水-阻塞现象的任何一个步骤顺序相同的操作来估计的。
在之后的步骤S43中，控制单元36把温度值T_LLCold存入存储器(没有示出)作为引起水阻塞现象的冷却剂温度TS_LLC(也即TS_LLC＝T_LLCold)，流程进入步骤S35。
于是，经过上述给出的一系列操作后，也即，在执行了步骤S35或步骤S36中的操作以后，当前的燃料气体排放阀门控制操作终止。同样，上述给出的步骤S33中的操作是在水-阻塞估计部件13中执行的，而其他操作由控制单元36的燃料气体排放控制部件14来执行的。
如前所述，按照本实施方案的燃料电池系统和有关方法，当估计发生水-阻塞现象时的温度值被存储起来，以使当冷却剂温度变得基本上等于此温度时，让氢气排放阀门保持在关闭状态，从而使氢气排放阀门能够保持在打开状态直至作出这样的判断，即燃料电池堆温度已恢复到当估计出现水-阻塞现象时的这样一个温度值。因而用这样一个结构，不仅在燃料电池堆中发生大量凝结水的概率变小，并且能够暂停燃料气体的排放，从而导致防止燃料气体排出的能力，减小燃料消耗性能恶化的可能性。
(第六个实施方案)下面将主要参照图13到17详细叙述本发明第六个实施方案燃料电池系统的控制装置和相关方法。另外，虽然本实施方案与前面所述的各实施方案不同，并涉及由燃料电池系统执行的一个输出控制操作，该控制操作和上述所述的任何一个燃料气体排放阀门控制操作一起执行，但本实施方案采取与前述第一到第三个实施方案的估计燃料电池堆是否发生水-阻塞现象任何一个步骤相同的步骤是可能的。在本实施方案中，同样的部件有相同的参照数字以免去同样部件的详细叙述。
图13是一张框图，给出按照本实施方案的燃料电池系统的结构。
如图13所示，本实施方案的燃料电池系统2的燃料电池堆被连接到一个堆叠J/B(连结盒)62以及通过一高压线61连接到电功率控制部件63。由燃料电池堆11所产生的电功率输出被供至堆叠J/B 62，而其电压被由控制单元36所控制的电功率控制部件63所调整，而被调整的电压被供至驱动电机64和一个电池J/B66。作为其结果，驱动电机64按照电机控制器65的控制被驱动以产生为驱动燃料电池发动车辆1所需的输出力矩，而电机控制器65被控制单元36所控制。另一方面，供给至电池J/B66的电功率输出被供至与驱动电机64并联的二次电池(secondarybattery)67。
另外，使用本燃料电池系统2，存储在二次电池8中的电功率按照电池控制器68的控制进行放电，以通过电池J/B66供应至驱动电机64，而电池控制器68为控制器36所控制。
也即，为控制单元36所控制的电功率控制部件63调整从堆J/B62取来的电功率输出以供给到电池J/B66和驱动电机64，而为控制单元36所控制的电池控制器68控制二次电池67的充电和放电阶段，而由控制单元36所控制的电机控制器65控制驱动电机64的驱动力矩。
在这样一种结构的燃料电池系统2的控制单元36中，如果估计发生水-阻塞现象，燃料电池堆11的当前电功率输出暂时地保持着，即使存在着降低燃料电池堆11电功率输出的要求。在这种情况下，虽然燃料电池堆11的电功率输出变得比所要求的功率大很多，控制单元36控制电功率控制部件63以使得到的多余的电功率用来对二次电池67充电。在燃料电池堆11的当前电功率输出被保持的情况下，在经历某一段时间间隔(TIM_init)时，如果仍然处于估计发生水-阻塞现象的情况，则执行让氢气排放阀门26保持在关闭状态的控制。
控制该燃料电池系统2功率输出的输出控制操作将参照图14中的流程图加以叙述。同样，这些操作是用在控制单元36中的定时器(没有示出)以与上述实施方案相同的方式在相等的时间间隔(例如10ms)内执行的。
图14是说明本实施方案燃料电池系统输出控制操作的操作顺序的框图。另外，这些输出控制操作能够平行于前面给出的第一到第五个实施方案的任意一个燃料气体排放阀门控制操作作一起执行。
在图14中，在第一个步骤S51中，控制单元36对从外部(典型地是司机)送来的驱动功率要求(如象要求车辆1的加速)作出响应，并执行驱动电机64目标驱动功率计算操作，之后流程进入步骤S52。当这发生时，控制单元36检测加速器踏板位移增量值APO和车辆速率VSP并参照在图15中所示的映射数据，该映射数据描述目标驱动功率tT_drive的变化与加速器踏板位移增量值APO和车辆速率VSP的关系。在图15中，横坐标表示车辆速率VSP，而纵坐标表示10标驱动功率tT_drive。该映射数据示出对每一个加速器踏板位移增量值APO，目标驱动功率tT_drive和车辆速率之间关系的特性，从而根据加速器踏板位移增量值APO和车辆速率VSP就能得到10标驱动功率(也即tT_drive＝F2[VSP，APO])。同样，这些映射数据被存储在控制单元36的存储器中。
在之后的步骤S52中，通过用在步骤S51中标出的目标驱动功率tT_drive，控制单元36计算计算为了驱动电机64，燃料电池堆11需要产生的目标总电功率tP_total，然后流程进入与步骤S53。在当电功率输出也由二次电池67供应至电机64时，目标总电功率tP_total很可能等于要求燃料电池堆11所产生的电功率输出和要求二次电池67所提供的电功率之和。这时控制单元参照在图16中所示的映射数据，该数据描述目标总电功率tP_total和在步骤S51中标出的目标驱动功率tP_total和车辆速率VSP的关系。在图16中，横坐标表示车辆速率VSP，而横坐标表示目标总电功率tP_total。这张映射数据被画成对应于每一个目标驱动功率tT_drive，目标总电功率tP_total和车辆速率VSP相关的特性，从而使得能根据目标驱动功率tT_drive和检测到的车辆速率VSP来得到目标总电功率tP_total(也即，tP_total＝F3[tT_drive，VSP])。同样，这样的映射数据被存入控制单元36的存储器内(未示出)。
在以下的步骤S53中，控制单元36执行这样的判断，即堆功率修正计时器的内部保持值TIM_st是否为“0”(也即TIM_st＝0)，从而实现这样的判断，即是否要执行对于从燃料电池堆11供给至电机64的电功率输出的修正。当判断没有对燃料电池堆11的电功率输出进行修正时(也即TIM_st＝0)，流程转向步骤S54，而相反当判断燃料电池堆11的电功率输出仍保持在修正阶段(也即TIM_st＞0)，流程进入步骤S55。
在下一步骤S54中，控制单元执行和前面所述各个实施方案的估计燃料电池堆是否发生水-阻塞现象的任一个步骤顺序相同的步骤并作出判断，即估计是否发生水-阻塞现象。这时，如果没有作出发生水-阻塞现象的估计，流程进入步骤S56，相反，如果估计发生水-阻塞现象，则流程进入步骤S57。
在接着的步骤S56中，控制单元把堆功率输出修正计时器的值TIM_sT清除为“0”(也即，TIM_sT＝0)，流程进入步骤S58。
接着，在步骤S58中，控制单元36用在步骤S52中算出的目标总电功率tP_total和由电池控制器68检测到的二次电池67的SOC(电荷状态来计算并得到燃料电池堆11产生的堆功率产生值tP_stack和二次电池应供给的电池功率供给值tP_battery(也即tP_stack＝F4[tP_total，SOC]，tP＝battery-F5[tP_total，SOC])，以及流程进入步骤S59。当这些情况发生时，控制单元36参照在图17中所示的映射数据F4，F5，这些映射数据描述了电池功率供给值/目标总电功率(也即tP_battery/tP_total)随SOC的变化以及堆功率产生值/目标总电功率(也即tP_stack/tP_total)随SOC的变化，以得到堆功率产生值tP_stack和电池功率供给值tP_battery。同样，这些映射数据被存储在控制单元36的存储器中。
在之后的步骤S59中，控制单元把在步骤S58中算出的堆功率产生值tP_stack和电池功率供给值tP_battery分别存入堆功率产生值tP_sfack_old存贮单元和电池功率供给值tP_battery_old存贮单元(也即tP_stack_old＝tP_stack，tP_battery_old＝tP_battery)，以便分别在以后输出控制操作中应用，之后终止操作系列。
而当在步骤S54中估计发生水-阻塞现象后流程进入的步骤S57中，控制单元36把堆功率修正计时器值TIM_st设置为一个初始值TIM_init(也即TIM_st＝TIM_init)，之后流程进入步骤S60。该初始值TIM_init被确定为一个予先确定的数值，以为了可靠地判断是否发生燃料电池堆11的水-阻塞现象，以提供一段时间，在这段时间内来控制和修正燃料电池堆11的输出。
在以后的步骤S60中，通过用与上一次输出控制操作有关的，在步骤S59中存储的tP_sfack_old和tP_battery_old值，燃料电池堆11的输出被堆J/B62，电功率控制部件63，电池J/B66和电池控制器68所控制以作修正，使得当前堆功率产生值tP_stack和电池功率供给值tP_battery分别等于tP_stack_old和tP_battery_old(也即tP_stack＝tP_stack_old，tP_battery＝tP_battery_old)，并终止操作系列。
这里，当估计发生水-阻塞现象并设置堆功率修正计时器TIM_sT值的情况下，也即，即使当在步骤S51和步骤S52中出现降低燃料电池堆11电功率输出的要求，在堆功率修正计时器的值TIM_st从初始值TIM_init被初始化为0的这段时间内，提供给电机64的燃料电池堆11的输出值被修正以使堆功率产生值tP_stack和电池功率供给值tP_battery分别等于tP_stack_old和tP_battery_old，这些值构成上次正好在估计发生水-阻塞现象前夕的值。当这发生时，控制单元36控制电功率控制部件63以使由燃料电池堆11所产生的电功率输出的一部分剩余量被存储至二次电池67。
另外，在步骤S53中断定燃料电池堆11的电功率输出修正被执行，从而流程转入的步骤S55中，控制单元36执行堆功率产生值改正计时器的数值TIM_st的减操作，也即计算TIM_st-1，(也即TIM_st＝TIM_st-1)，并使流程进入步骤S60，之后，燃料电池堆11的输出被连续地控制以修正，然后操作系列被终止。
另外，控制单元36执行上述每一个实施方案的燃料气体排放阀门控制操作，这是和前面所述输出操作平行地执行的。在这种情况下，当估计发生水-阻塞现象时，控制单元36在一段时间间隔内把氢气排放阀门26保持在关闭状态，直到堆功率产生值修正计时器的值TIM_sT达到“0”并在堆功率产生值修正计时器达到“0”时，控制地打开氢排放阀门26。
如前向所给出的，按照本实施方案的燃料电池系统及其相关方法，当估计发生燃料电池堆的水-阻塞现象，由于凝结水的形成本来要引起电压降落的情况下，从燃料电池堆传送到负载上的电功率输出，通过控制由燃料电池堆本身产生的电功率数量的减少，被适当地修正。这样，冷却剂温度的降落能够被减小到最小限定值，导致把凝结水的发生限止到限定最小值的能力。
另外，对于这种结构，直到堆功率产生值修正计时器到达“0”，也即，当从燃料电池堆向负载供应的电功率的修正被执行时，因为氢气排放阀门被保持在关闭状态，即使凝结水和氢气一起被排放，所形成的排放量很小就足够，从而使燃料消耗率不致恶化。
在日本申请日期为2002年7月5日的专利申请NO.TOKUGAN2002-197573的全部内容在此插入以供参考。
虽然本发明已经参照本发明的某些实施方案加以叙述，但本发明并不限于上述实施方案。对于本领域的技术人员，藉助于上述叙述，能对上述实施方案作各种修正和改变。本发明的范围参照下述权利要求来确定。
工业可应用性如前面所述，按照本发明，能够得到燃料电池系统的一种控制装置，当估计在向燃料电池堆的燃料电极提供燃料所藉以通过的燃料气体流通道中发生水-阻塞现象时，控制在燃料电池堆下游的一个燃料气体排放阀门，使它置于打开状态以从燃料电池堆排放燃料气体。作为其一个结果，具有这样一个控制装置的燃料电池系统适用于多种需要研究水-阻塞现象的燃料电池系统，它能用于涉及燃料电池发动车辆的工业用或在用发电机，并期望有广阔的应用范围。
权利要求
1.用于燃料电池系统的控制装置，该燃料电池系统具有燃料电池堆，燃料电池堆有供以氧化气体的氧化电极和供以燃料气体的燃料电极以产生电功率，该控制装置包括一个估计部件，以估计水阻塞现象的发生，在水阻塞现象中，在向燃料电池堆的燃料电极提供燃料气体所通过的燃料气体流通道中存在凝结水；以及一个控制部件，以在估计部件估计发生水阻塞现象的情况下控制燃料气体排放阀门进入一种打开状态，该阀门配置在燃料电池堆的下游，以便允许燃料气体从燃料电池堆排放。
2.按照权利要求1的控制装置，其中燃料电池堆包括多个堆结构，每个堆结构有一个夹在一个氧化电极和一个燃料电极之间的电解质层。
3.按照权利要求1的控制装置，其中燃料电池系统还包括一个冷却剂温度检测部件，以检测冷却燃料电池堆的冷却剂的温度，以及作为对燃料电池堆电功率产生期间冷却剂的温度降到某一程度时的响应，估计部件作出发生水阻塞现象的估计。
4.按照权利要求1的控制装置，其中燃料电池系统还包括一个电功率输出检测部件，以检测燃料电池堆所产生的电功率输出，以及作为对燃料电池堆产生的电功率输出降到某一程度时的响应，估计部件作出发生水阻塞现象的估计。
5.按照权利要求4的控制装置，其中燃产电池系统被装在车辆上，以电机作为驱动源，其中用于冷却燃料电池堆的冷却剂被行驶风流所冷却，而估计部件进一步响应车辆的速率来估计是否发生水阻塞现象。
6.按照权利要求5的控制装置，其中该估计部件响应主要根据车辆速率确定的冷却剂温度和实际测量的冷却剂温度之间的关系，来作出是否发生水阻塞现象的估计，其中根据车辆速率确定冷却剂温度考虑了车辆周围的大气温度。
7.按照权利要求1的控制装置，其中燃料电池系统被装在车辆上，而以电机作为驱动源，该驱动源行驶依赖于一个加速器踏板压下的位移值，该系统还包括一压下位移值检测部件以检测加速器踏板压下位移值，其中估计部件作为对压下位移值减小到某一程度的响应，来估计水阻塞现象的发生。
8.按照权利要求7的控制装置，其中车辆使用于冷却燃料电池堆的冷却剂通过行驶风流而冷却，以及该估计部件进一步响应车辆的速度来估计水阻塞现象的发生。
9.按照权利要求8的控制装置，其中该估计部件响应主要根据车辆速率确定的冷却剂温度和实际测量的冷却剂温度之间的关系，来作出是否发生水阻塞现象的估计，其中根据车辆速率确定冷却剂温度考虑了车辆周围的大气温度。
10.按照权利要求1的控制装置，其中控制部件规则地在第一预先确定的打开周期打开燃料气体排放阀门，而在估计部件估计发生水阻塞现象的情况下，燃料气体排放阀门在第二预先确定的打开周期中被打开，而第二打开周期要长于第一打开周期。
11.按照权利要求1的控制装置，其中燃料电池系统还包括一个冷却剂温度检测部件，以检测用于冷却燃料电池堆的冷却剂的温度，其中在让燃料气体排放阀门处于打开状态以后所显示的冷却剂温度等于估计部件估计发生水阻塞现象时冷却剂温度的情况下，控制部件让燃料气体排放阀门进入关闭状态。
12.按照权利要求1的控制装置，其中燃料电池系统包括一个适应于被燃料电池堆的输出功率所驱动的负载，以及一个和负载相并联的二次电池。其中当估计部件估计发生水阻塞现象的情况下，控制部件把燃料电池堆产生的电功率保持在一个固定的值。
13.按照权利要求12的控制装置，其中当估计部件估计发生水阻塞现象时，控制部件从燃料电池堆所产生的电功率中提供一个所要求的功率至负载，而让由燃料电池堆所产生的电功率中的剩余电功率被存储在二次电池中。
14.用于燃料电池系统的控制设备，该燃料电池系统具有燃料电池堆，燃料电池堆有供以氧化气体的氧化电极和供以燃料气体的燃料电极以产生电功率，该控制设备包括估计装置，用于估计是否发生水阻塞现象，在水阻塞现象中，凝结水存在于燃料气体供向燃料电池堆的燃料电极藉以通过的燃料气体流通道中；以及控制装置，用于在估计部件估计发生水阻塞现象的情况下控制燃料气体排放阀门进入一种打开状态，该阀门配置在燃料电池堆的下游，以便允许燃料气体从燃料电池堆排放。
15.用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具有燃料电池堆，该燃料电池堆有供以氧化气体的氧化电极和供以燃料气体的燃料电极以产生电功率，该控制方法包括估计是否发生水阻塞现象，在水阻塞现象中，凝结水存在于燃料气体供向燃料电池堆的燃料电极藉以通过的燃料气体流通道中；以及在估计部件估计发生水阻塞现象的情况下控制燃料气体排放阀门进入一种打开状态，该阀门配置在燃料电池堆的下游，以便允许燃料气体从燃料电池堆排放。
全文摘要
本发明公开了用于燃料电池系统的一种控制装置，该燃料电池系统有一个燃料电池堆，而该堆有一个供以氧化气体的氧化电极(11b)和供以燃料气体的燃料电极(11a)以产生电功率，该控制装置有一个估计部件(13)以估计是否发生水阻塞现象，在水阻塞现象中，凝结水呆在向燃料电池堆的燃料电极供给氢气所通过的燃料气体流通道中(HL，HL′)，以及一个控制部件(14)，以控制燃料气体阀门(26)，它被安置在燃料电池堆的下游，以当估计部件估计发生水阻塞现象时燃料气体能够从燃料电池堆被排放，被置于一种打开状态。
文档编号H01M8/00GK1586021SQ0380149
公开日2005年2月23日 申请日期2003年6月18日 优先权日2002年7月5日
发明者东仓伸介 申请人:日产自动车株式会社