专利名称：燃料电池系统和气体燃料控制方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统，更具体地说，涉及用于控制从燃料电池系统排放到外面的燃料废气量的技术。
背景技术：
燃料电池具有一种结构，其中阳极和阴极设置成在其之间具有电解质膜。当包含氢气的气体燃料接触阳极，包括来自空气的氧气等的氧化气体接触阴极时发生电化学反应，因而产生电动势。对于利用这种燃料电池获得电力的燃料电池系统，从节能的观点看消除过多的氢燃料消耗是很重要的。为此，像例如公开在日本专利申请公开JP-A-2002-289237号中的燃料电池系统，通过燃料电池再一次循环被该燃料电池所用的气体燃料的废气，以便有效地利用剩余在燃料废气中的氢气。
而且，供给阳极的气体燃料和流到阴极的氧化气体被电解质膜分开。一部分气体燃料通过该电解质膜到阴极一侧；相反，一部分氧化气体通过电解质膜到阳极一侧。出现在阳极一侧的氧化气体包括燃料废气并且通过该燃料电池循环。但是，氧化气体的主要组成部分是惰性氮气，它积累在燃料气体循环系统中，因此在供给燃料电池的气体燃料中逐渐增加氮气的浓度。燃料气体中的氮气浓度的增加暗示氢气浓度的减少，这可能降低燃料电池的电力产生性能。
考虑到这一点，在日本专利申请公开JP-A-2002-289237号中公开的技术为当循环的燃料气体中的杂质浓度达到不允许的程度时，打开与燃料废气通道连通的阀一段预定的时间。因此，积累在循环系统中的氮气与燃料废气一起从循环系统中排出，使供给该燃料电池的气体燃料中的氢气浓度能够恢复。
但是，在上述的技术中阀的打开时间是固定的，因此，根据在循环系统中积累的氮气的状况，相当数量的氮气可能没有被排出。因此，氢气的浓度可能没有足够地恢复。而且，在燃料废气的排放中氢气也与氮气一起从该循环系统中排出。如同在上述技术中，通过使阀打开一段固定的时间，在氢气浓度被恢复时，多于必要的氢气被排出，这也降低燃料的经济性。因此，当燃料废气被排放到循环系统的外面以恢复氢气浓度时，被排出的废气量必须精确地控制，以便氢气不被不必要地排放。
此外，由通过电解质膜的氮气引起的燃料气体氢气浓度的减少不仅仅限于如上所述运行循环的气体燃料型的燃料电池系统。例如，如在日本专利申请公开JP-A-2002-8691号中所公开的，这个问题也发生在到阳极的气体燃料通道的出口封闭的阳极盲端型燃料电池系统。在阳极盲端型燃料电池系统中，根据在阳极侧消耗的氢气供给气体燃料。但是由于氮气通过电解质膜并积累在到阳极的气体燃料通道中，在阳极中的氢气浓度逐渐减少。结果，即便在这种阳极盲端型燃料电池系统中，积累在到阳极的气体燃料通道中的氮气也与燃料废气一起被排放到该系统的外面，因此这时需要用于精确地控制排出量的技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池系统和能够精确地控制排放的燃料废气量的气体燃料控制方法，使得当氢气浓度被足够地恢复时氢气不被不必要地排出。这个目的分别通过包括权利要求1的特征的燃料电池系统和包括权利要求10的特征的气体燃料控制方法解决。其他的改进是其他权利要求的主题。
在本发明的第一方面，该燃料电池系统包括燃料电池，其接纳包含氢气的气体燃料供给，用于产生电能；燃料废气通道，其是用于从燃料电池排放燃料废气的通道；排放装置，其从燃料废气通道将燃料废气排放到外面；氮气浓度估算装置，用于估算燃料电池中气体燃料的氮气浓度；以及排出量控制装置，用于根据由氮气浓度估算装置估算的氮气浓度控制由排放装置排出的燃料废气量。
根据该第一方面，从燃料废气通道排放到外面的被排出的燃料废气量根据燃料电池中气体燃料的氮气浓度控制，这样确保使被排出的燃料废气量优化。因此，当通过排放燃料废气来恢复氢气浓度时，能够抑制由于不必要地排出的氢气引起的燃料经济性的降低。
在第一方面中，氮气浓度估算装置能够由在燃料废气通道中检测到的、与燃料废气相关的物理量估算氮气浓度。在这种情况下，根据燃料电池的位置而变化的氮气浓度的最终的浓度反应在与燃料废气相关的物理量中。因此，用在燃料废气通道中检测的、与燃料废气相关的物理量估算氮气浓度确保燃料电池中气体燃料的氮气浓度的精确估算。
在与第一方面相关的方面，该氮气浓度估算装置在由排放装置排放燃料废气期间能够用该燃料废气通道中压力下降的速率估算氮气浓度。在这种情况下，在燃料废气排放期间燃料废气通道中压力下降的速率对应于氮气浓度。因此，用压力下降的速率估算氮气浓度确保燃料电池中气体燃料的氮气浓度的精确估算。而且氮气浓度还能够用氢气浓度估算。但是用于测量压力下降的速率所需要的压力传感器在响应方面优于气体浓度传感器。因此，与利用气体浓度传感器的检测值相比，根据本发明，只要氮气浓度一变化，就能够精确地控制排出的燃料废气量。
在第一方面和相关方面，在燃料电池的运行停止，排放装置被运行时，排出量控制装置能够与氮气浓度增加成比例减少排出的燃料废气量。在这种情况下，在燃料电池的运行停止时，排放燃料废气以减小在阳极的氢气压力对于抑制氢气渗透到阴极是有效的。但是，随着气体燃料的氮气浓度增加而减少排出的燃料废气量防止了当在阳极的氢气压力很小时氢气的不必要排放，以抑制燃料经济性降低。
在第一方面和相关方面，燃料废气通道可以连接于气体燃料通道，该气体燃料通道是用于将气体燃料供给燃料电池的通道。在这种情况下，气体燃料循环系统被构造成，燃料废气通道连接于气体燃料通道，并且氮气聚集在该循环系统中。但是，氢气浓度通过将燃料废气排放到循环系统的外面而恢复。而且，根据气体燃料的氮气浓度控制排出的量；因此，可以抑制由于不必要地排放氢气引起的燃料经济性下降。
在第一方面和相关方面，排出量控制装置可以设置用于将燃料废气排放到外面的排放阀的打开时间，其长短与燃料电池中气体燃料的氮气浓度成比例。
在第一方面，氮气浓度估算装置能用下述至少其中之一估算氮气浓度检测进入和离开燃料电池的气体燃料之间的压力损失的压力传感器，检测燃料废气通道中压力的压力传感器，检测气体燃料通道中氢气浓度的氢气传感器，检测燃料废气通道中燃料废气的声速的超声波传感器，以及检测燃料电池电压的电压监控器。
在第一方面，氮气浓度估算装置可以根据进行将燃料废气排放到外面的排放之后已经过去的时间估算氮气浓度。
在第一方面，氮气浓度估算装置可以这样估算氮气浓度，即通过在固定循环中将用于将燃料废气排放到外面的排放阀运行一段固定的打开时间，并且计算在那时的理论氢气消耗量和实际氢气消耗量之间的差。
在本发明的第二方面，一种气体燃料控制方法包括如下步骤向燃料电池供给包含氢气的气体燃料以产生电能；从燃料废气通道将燃料废气排放到外面，该燃料废气通道是用于从燃料电池排放燃料废气的通道；估算燃料电池中气体燃料的氮气浓度；以及根据估算的氮气浓度控制被排放到外面的排出的燃料废气量。
图1是示出用作本发明实施例的燃料电池系统示意性结构的视图。
图2是在本发明实施例中执行的排出控制程序的流程图。
图3是示出在执行图2的排出程序期间燃料废气通道中的压力变化和排放阀的运行之间的关系的曲线图。
图4是用于描述用于气体燃料压力调节阀的控制方法的修改方案的概念图。
图5是示出根据图4的修改方案的氮气浓度和调节阀的压力调节值的附加值之间的关系的映射图。
图6是示出燃料电池系统另一种修改的示意性结构的视图。
具体实施例方式
下面将参考图1-3描述本发明的实施例。
根据本发明的燃料电池系统可以，例如，应用于安装在车辆上的其他汽车燃料电池系统；但是它也可以应用于用于其他目的的燃料电池系统。
图1是示出用作本发明第一实施例的燃料电池系统的示意性结构的视图。如图所示该燃料电池系统具有用作电力供给装置的燃料电池2。该燃料电池2具有电解质膜，可渗透氢离子的该电解质膜夹在阳极和阴极之间，它们是起催化作用的电极(在图中略去电解质膜、阳极和阴极)。通过将包含氢气的气体燃料供给给阳极，将包含空气等的氧化气体供给给阴极产生电力。
气体燃料通道4连接于该燃料电池2的阳极。诸如氢气槽或转化装置的气体燃料供给装置(未示出)在其上游侧连接于气体燃料通道4。该燃料电池2接纳来自该气体燃料供给装置的气体燃料供给。调节阀6设置在气体燃料通道4中，从气体燃料供给装置供给的气体燃料在由调节阀6降低并调节到希望的压力之后供给燃料电池2。
此外，用于排放气体燃料的废气(燃料废气)的燃料废气通道8连接于燃料电池2。燃料废气通道8的下游侧经诸如喷射器(未示出)的混合装置连接于在气体燃料通道4中的调节阀6的下游侧。泵10设置在燃料废气通道8中。然后燃料废气从燃料电池2被该泵10吸进燃料废气通道8中。然后该燃料废气被送回到气体燃料通道4中。因此，在该燃料电池系统中，在燃料电池2运行期间，气体燃料通过该气体燃料通道4和燃料废气通道8循环。
用于将燃料废气排放到该循环系统外面的排气通道12连接于燃料废气通道8中的泵10的上游侧。排放阀14设置在排气通道12中。该排放阀14通常处于闭合状态；需要时它根据从随后描述的ECU(电子控制单元)输入的控制信号打开。对于排放阀14，可以用能够控制排出的燃料废气量的任何阀，例如截止阀或流量控制阀。在该实施例中，截止阀用作该排放阀14。
应当注意，用于供给氧化气体的氧化气体通道连接于该燃料电池2的阴极入口；用于排放氧化气体的废气的氧化废气通道连接于阴极的出口。但是，由于这些通道不是该燃料电池系统的区别特征，它们在图1中没有示出。
在气体燃料进行循环的这种类型的燃料电池系统中，根据燃料电池2的运行，阴极侧上的氧化气体通过电解质膜出现在阳极侧。因此，包含在该氧化气体中的氮气积累在循环系统中，并且气体燃料的氮气浓度逐渐增加。所以，在这种燃料电池系统中，估算在燃料电池2中的气体燃料的氮气浓度，以便防止伴随着氮气浓度的增加产生的该燃料电池2的电力产生性能下降。然后根据估算的氮气浓度控制排放阀14的运行。以下将根据实施例详细地描述该排放阀的控制方法和氮气浓度的估算方法。
该燃料电池系统包括作为用于控制该排放阀14的控制装置的ECU20。下述至少其中之一连接于ECU20的输入侧设置在阳极入口和出口用于检测进入和离开该燃料电池2的气体燃料之间的压力损失的一对压力传感器22a、22b；在燃料废气通道8中靠近该排放阀14设置的、用于检测该燃料废气通道8里面的压力的压力传感器24；设置在燃料废气通道8中用于检测燃料废气的氢气浓度的氢气传感器26；设置在燃料废气通道8中用于检测燃料废气的声速的超声波传感器28；以及用于检测该燃料电池2的电压的电压监控器30。
上述每个传感器可以被用作用于估算该燃料电池2中的气体燃料的氮气浓度的装置。通过在阳极入口和出口设置压力传感器22a、22b，能够利用氢气和氮气的不同压力损失估算氮气浓度。由于密度和速度的不同，氢气和氮气压力损失的差可以是几乎四倍。因此，当燃料电池2中的气体燃料的氮气浓度增加时，进入和离开该燃料电池2的气体燃料之间的压力差也增加。因此，通过利用压力传感器22a、22b检测进入和离开燃料电池2的气体燃料之间的压力差能够估算氮气浓度。
利用设置在废气通道8中的压力传感器24检测的氢气和氮气之间的压力损失差也能够估算氮气浓度。由于氢气和氮气压力损失的差引起的燃料废气的氮气浓度增加，在同样的阀打开角度下这将减少通过排放阀14的流量。因此，当排放阀14打开时燃料废气通道8中的压力下降的速率减小。因而，当排放阀14打开时通过检测压力传感器24的输出变化能够估算氮气浓度。
当使用氢气传感器26时，可以用由氢气传感器26检测的氢气浓度计算氮气浓度。氢气浓度随着燃料废气的氮气浓度的增加而减少；因此能够通过检测氢气浓度估算氮气浓度。
利用声速传感器28，根据由于燃料废气组成部分的不同引起的燃料废气声速的变化也能够估算氮气浓度。当燃料废气的氮气浓度增加时，燃料废气的声速相应地变化。因此，通过检测燃料废气的声速能够估算氮气浓度。
应当注意，由于燃料电池系统中的气体燃料被循环，如果氢气传感器26和声速传感器28用作用于估算氮气浓度的方法，通过检测气体燃料通道4中的氢气浓度或声音速率也能够估算燃料电池2中气体燃料的氮气浓度。
而且，如果在气体燃料通道4中有排放阀，利用压力传感器24检测的压力下降的速率估算氮气浓度的方法根据当该排放阀打开时压力下降的速率也能够估算氮气浓度。而且，燃料电池2中气体燃料的氮气浓度的变化首先通过燃料废气通道8中的氮气浓度的变化变得很明显，然后当燃料废气被送进气体燃料通道4中时，该变化表现为气体燃料通道4中的氮气浓度的变化。因此，通过如上所述检测燃料废气通道8中的燃料废气，与检测气体燃料通道4中的气体燃料相比，燃料电池2中气体燃料的氮气浓度能够更快地估算而没有延迟。
而且，燃料电池2中气体燃料的氮气浓度根据其在燃料电池2中的位置而变化(例如，阳极出口附近的氮气浓度高于阳极入口附近的氮气浓度)。由于最终的氮气浓度反应在燃料废气中，检测燃料废气也具有精确估算燃料电池2中气体燃料的氮气浓度的优点。
当利用电压监控器30时，利用该电压检测器30检测的燃料电池2的电压的减小能够估算燃料电池2中气体燃料的氮气浓度。这是因为也是燃料的氢气浓度与气体燃料的氮气浓度的增加成比例减少，因此燃料电池2的电压下降。
在下面的说明中，压力传感器24设置在燃料废气通道8中作为氮气浓度估算装置。该ECU20根据按照前面描述的方法获得的压力传感器24的输出信号估算燃料电池2中气体燃料的氮气浓度。与利用气体燃料进入和离开该燃料电池2之间的压力差估算氮气浓度的方法相比，这种方法的优点是只利用一个传感器。
而且，利用压力传感器24和氢气浓度传感器26相比，压力传感器24在响应性方面优于氢气浓度传感器26。与利用氢气浓度传感器26的检测值相比，压力传感器24的优点是只要气体燃料的氮气浓度一变化，就马上能够精确地估算氮气浓度。还有，与根据其他方法进行氮气浓度估算不同，根据这种方法估算氮气浓度结合排放阀14的运行进行，其他方法是独立于排放阀14的运行而进行。
图2是示出在燃料电池2运行期间ECU20控制排放阀14的控制流程的流程图。ECU20设计成在固定循环中运行排放阀14。在步骤100，ECU20判断从前一次运行所过去的时间是否已经达到预定的时间。如果在步骤100判断过去的时间已经达到预定的时间，则由压力传感器24检测燃料废气通道8中在当前时刻的压力(步骤102)，并且随后打开排放阀14(步骤104)。
图3是示出在执行图2的排出控制程序期间在燃料废气通道8中的压力变化和排放阀14的运行之间的关系的曲线图。一旦根据在步骤100中建立的条件(时间t0)打开排放阀14，燃料废气通道8中的燃料废气经由排放阀14被排放到外面，并且燃料废气通道8中的压力逐渐下降。这时在燃料废气通道8中的压力下降的速率如前所述根据燃料废气的氮气浓度而变化。如果氮气浓度较低，压力下降速率较快，如图中实线所示。同样，如果氮气浓度较高，压力下降的速率较慢，如图中虚线所示。还应当注意，由于气体燃料在进入该燃料电池2之前和离开该燃料电池2之后之间的压力损失，当氮气浓度高或低时，在燃料废气通道8的压力在排放阀14打开之前实际上在变化。为了描述的目的，图3中示出同样的压力值而不考虑氮气浓度的高低。
ECU20判断从排放阀14被打开开始是否已经过预定的最小时间Δt(步骤106)。在已经过预定的最小时间Δt之后(t1)，燃料废气通道8中的压力由压力传感器24再一次检测(步骤108)。然后计算在最小时间Δt期间的压力下降值ΔP(步骤110)。由于压力下降速率根据氮气浓度变化，氮气浓度较高时的压力下降值ΔPH小于氮气浓度较低时的压力下降值ΔPL。
下一步，用在步骤110得到的压力下降值ΔP作为与气体燃料的氮气浓度相关的物理量，ECU20根据预先制定的映射图设定对应于压力下降值ΔP的排放阀14的打开时间T(步骤112)。排放阀14的打开时间T设置成当氮气浓度较高时的打开时间TH比氮气浓度较低时的打开时间TL长。在步骤114，判断从排放阀14被打开开始是否已经过在步骤112设置的打开时间T，如果已经过打开时间T，则ECU20在步骤116关闭排放阀14(时间t2H或时间t2L)。关闭排放阀14将停止燃料废气从燃料废气通道8排放到外面。在燃料废气的排放停止之后，燃料废气通道8中的压力通过经由调节阀6再补充氢气而被恢复。
如上所述，ECU20设计成当燃料电池2中气体燃料的氮气浓度增加时将排放阀14的打开时间设置得较长。结果当氮气浓度高时，相当多的燃料废气量被排放。因而，积累在循环系统中的氮气被充分地排出，而气体燃料中的氢气浓度根据排放的氮气量通过再补充而充分地恢复。相反，当氮气浓度低时，排出的燃料废气的量有限，因而防止多于必要的氢气被排放。因此根据该燃料电池系统，能使排放的燃料废气量最佳化。还能够通过氢气浓度的恢复改进电力产生性能并通过抑制氢气的不必要的排放改进燃料经济性。
在过去，考虑到由于氮气浓度的增加引起的电压下降，必须将调节阀6的调节值设置成高于所需要的调节值。但是，根据本燃料电池系统，如上所述抑制氮气浓度的增加，因此，调节阀6的调节值可以设置成低于常规的调节值。因此，燃料电池2的电解质膜上的压力也降低，结果电解质膜的寿命比过去长。
当燃料电池2的运行停止时ECU20也控制排放阀14，以便将燃料废气从燃料废气通道8排放到外面。但是，当燃料电池2的运行停止时排放燃料废气的理由不同于燃料电池2运行时排放燃料废气是为了降低燃料电池2中气体燃料的氢气压力。类似于氮气从阴极侧出现在阳极侧，流到阳极中的氢气通过电解质膜出现在阴极侧。在燃料电池2的运行停止时也发生氢气渗漏到阴极侧，但是将这些氢气从阴极侧排放到大气外面不是优选的。因此，通过将燃料废气从燃料废气通道8排放到外面降低阳极中的氢气压力，作为在燃料电池2的运行停止时抑制氢气渗漏到阴极侧的方法。
类似于燃料电池2正在运行时，在燃料电池2的运行停止时操作排放阀14，当排放阀14打开时，该ECU20检测燃料废气通道8中的压力下降的速率(在预定的最小时间期间的压力下降值)。与燃料电池2正在运行时的控制相反，由于压力下降的速率变慢，也就是，由于气体燃料的氮气浓度增加，该排放阀14的打开时间变短，以便减少排放的燃料废气量。
如果气体燃料的氮气浓度高，在阳极侧的氢气压力低。因此，能够抑制氢气渗漏到阴极侧而不排放大量的燃料废气。而且，排放大量的燃料废气也不必要地排放氢气，这会降低燃料经济性。但是，根据该燃料电池系统，控制排放阀14使得排出的燃料废气量如上所述随着气体燃料中的氮气浓度的增加而减少。因此，当阳极中的氢气压力小时，防止了氢气的不必要的排放，因此抑制燃料经济性的降低。
在上面描述了本发明的实施例，但是本发明不限于上述实施例。属于本发明范围和目的内的各种修改是可能的。作为例子，可以进行如下的修改。
在上面的实施例中，利用传感器作为用于估算氮气浓度的装置；但是不用传感器也能够估算氮气浓度。更具体地说，可以用从排放后经过的时间估算氮气浓度的方法。如果氮气通过电解质膜的渗透速率大致为常数，那么排放之后气体燃料的氮气浓度也以不变的速率增加。因此，利用预先通过测试等计算排出之后氮气浓度增加的速率，能够估算在排放之后到当前时刻所过去的时间内的氮气浓度。还应当注意，氮气通过电解质膜的渗透速率根据燃料电池2的温度而变化。为此，优选利用温度作为一个参数设置氮气浓度的增加速率。
此外，当排放阀14在固定的循环中运行一段固定的打开时间时，通过计算理论氢气消耗量和实际消耗量之间的差能够估算氮气浓度。理论氢气消耗量可以由该燃料电池2产生的电力计算；而实际氢消耗量可以通过设置在该调节阀6上游的流量计测量。理论氢气消耗量和实际消耗量之间的差是电力产生中没有被用的氢气量，并且表示从排放阀14排到外面的氢气量。如果排放阀打开一段固定的时间，由于气体燃料中的氢气浓度减少，即由于气体燃料的氮气浓度增加，从排放阀14排到外面的氢气量变少。因此，当理论氢气消耗量和实际消耗量之间的差减少时，这表示气体燃料中的氮气浓度增加。
在上述实施例中，通过该改变排放阀14的打开时间来控制排出的燃料废气量。但是也可以通过改变排放阀14的运行循环来控制排出的燃料废气量。如果打开时间是相同的，可以通过缩短运行循环增加排出量。
在上面的实施例中描述了利用截止阀作为排放阀14；但是如果流量调节阀用作排放阀14，也可以通过改变该阀的打开角度来控制排出的燃料废气量。还有，当排放阀14是根据占空控制的电磁阀时，在排放阀14运行期间也可以连续估算气体燃料的氮气浓度，并且电磁阀的占空比根据该排放阀14运行期间的氮气浓度可以实时改变。
在上述实施例中，根据估算的气体燃料的氮气浓度来控制排出的燃料废气量。但是，也可以改为控制从气体燃料供给装置供给的气体燃料的量。在图1所示的结构中，通过ECU20用控制调节阀6的调节值来控制供给的气体燃料量。图4是示出控制方法的概念的图。如比较图4中的A和B清楚地示出，氢气压力随着氮气浓度的增加而减少。在该控制方法中，增加调节阀6的调节值使氮气压力不变而增加氢气压力，如图4中的C所示，以便氢气压力保持在所希望的压力。图5是示出氮气浓度和用于调节阀6的调节值的附加值之间的关系的映射图。该映射图设置成使得调节值的附加值随着氮气浓度增加而增加。通过这样将氢气压力保持在固定值，能够防止燃料电池2的电力产生性能下降。
在上述实施例中，本发明应用于循环气体燃料型的燃料电池系统；但是本发明也能够应用于阳极盲端型燃料电池系统。图6是示出本发明应用于阳极盲端型燃料电池系统的结构的示意图。同样的附图标记在图6中表示和上面实施例同样的部件。
在阳极盲端型燃料电池系统中，燃料电池通常在排放阀14闭合的状态运行，并且在阳极出口附近气体燃料的流量非常小。因此，从阴极侧渗透的氮气在阳极出口侧上徘徊，并且最终停留在燃料废气通道8中。因此，即便在阳极盲端型燃料电池系统中，排放阀14必须周期性地打开以将积累在该燃料电池2的阳极中的氮气排放到外面。在这种情况下，估算燃料电池2中气体燃料的氮气浓度，并且根据图2所示的流程图控制排放阀14。因此，类似于上面的实施例，排出的燃料废气量能够最佳化。还能够通过氢气浓度的恢复改进电能产生性能并通过抑制氢气的不必要的排放改进燃料经济性。
注意在阳极盲端型燃料电池系统中，优选用与在燃料废气通道8中检测的燃料废气相关的物理量检测气体燃料的氮气浓度。图6所示的结构构造成以便使用设置在废气通道8中的压力传感器24，通过检测在排放阀14打开时的压力传感器24的压力变化估算氮气浓度。如上所述，从阴极侧渗透的氮气在阳极出口侧上逗留，并且最终停留在燃料废气通道8中。因此之故，在燃料废气通道8中的氮气浓度高于气体燃料通道4中的氮气浓度。因此，在燃料电池2中燃料废气的氮气浓度能够通过检测燃料废气精确地估算。
估算气体燃料的氮气浓度，并且由排放装置14从燃料废气通道8排放到外面的排出的燃料废气量根据估算的氮气浓度来控制。例如，能够由燃料废气排放期间燃料废气通道8中的压力下降的速率进行估算氮气浓度。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其特征在于包括燃料电池，其接纳包含氢气的气体燃料供给，用于产生电力；燃料废气通道，其是用于从该燃料电池排放燃料废气的通道；排放装置，其从该燃料废气通道将燃料废气排放到外面；氮气浓度估算装置，用于估算该燃料电池中该气体燃料的氮气浓度；排出量控制装置，用于根据由该氮气浓度估算装置估算的氮气浓度控制由该排放装置排放的排出燃料废气量。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于该氮气浓度估算装置由与在该燃料废气通道中检测的燃料废气相关的物理量估算氮气浓度。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于该氮气浓度估算装置根据由该排放装置排放燃料废气期间该燃料废气通道中的压力下降的速率估算氮气浓度。
4.如权利要求1至3中任何一项所述的燃料电池系统，其特征在于当该燃料电池的运行停止、该排放装置运行时，该排出量控制装置与氮气浓度的增加成比例地减少排出的燃料废气量。
5.如权利要求1至4中任何一项所述的燃料电池系统，其特征在于该燃料废气通道连接于气体燃料通道，该气体燃料通道是用于向该燃料电池供给气体燃料的通道。
6.如权利要求1至5中任何一项所述的燃料电池系统，其特征在于该排放量控制装置与该燃料电池中气体燃料的氮气浓度的增加成比例将用于使燃料废气排放到外面的排放阀的打开时间设置得更长。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于该氮气浓度估算装置用下述至少其中之一估算氮气浓度检测进入和离开该燃料电池的气体燃料之间的压力损失的压力传感器，检测该燃料废气通道中的压力的压力传感器，检测该燃料废气通道中的氢气浓度的氢气传感器，检测该燃料废气通道中的燃料废气的声速的超声波传感器，以及检测该燃料电池的电压的电压监控器。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于该氮气浓度估算装置根据进行将燃料废气排放到外面的排放之后所流逝的时间估算氮气浓度。
9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于该氮气浓度估算装置通过在固定的循环中运行用于将燃料废气排放到外面的该排放阀一段固定的打开时间并计算在这时的理论氢气消耗量和实际氢气消耗量之间的差，来估算氮气浓度。
10.一种气体燃料控制方法，其特征在于包括如下步骤向燃料电池供给包含氢气的气体燃料以产生电能；从燃料废气通道将燃料废气排放到外面，该燃料废气通道是用于从该燃料电池排放燃料废气的通道；估算该燃料电池中气体燃料的氮气浓度；以及根据该估算的氮气浓度控制被排放到外面的排出的燃料废气量。
全文摘要
估算气体燃料的氮气浓度，根据该估算的氮气浓度控制由排放装置(14)从燃料废气通道(8)将燃料废气排放到外面的排放的燃料废气量。该氮气浓度，例如，可以用在该燃料废气排放期间该燃料废气通道(8)中的压力下降的速率来估算。
文档编号H01M8/04GK1910776SQ200580002371
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月12日 优先权日2004年1月13日
发明者三浦晋平 申请人:丰田自动车株式会社