专利名称：用于燃料电池的控制装置和控制方法
技术领域：
本发明涉及用于燃料电池的控制装置和控制方法。
背景技术：
聚合物电解质燃料电池具有电解质膜；两个催化剂层，其通过在其间夹入电解质膜形成；以及一对扩散层，其形成在两个催化剂层的外侧。向燃料电池中的一个扩散层供应包括氢的燃料气体，而向另一个扩散层则供应包括氧的氧化气体。向其供应燃料气体的扩散层被称作氢电极或阳极；向其供应氧化气体的扩散层被称作空气电极或阴极。
向氢电极供应的氢扩散到催化剂层，并且在催化剂层中分开成质子和电子。分开的质子然后和水分子一起穿过电解质膜，并且移动到正电极侧的催化剂层。
相反地，向空气电极供应的氧扩散到空气电极侧的催化剂层，并且通过质子、电子和氧之间的反应生成水。通过将空气电极和氢电极连接到外电路(亦即导线)，电子从氢电极移动到正空气电极，并且在与上述质子的反应中被消耗。
为了增加燃料电池中的发电量，必须分别向空气电极和氢电极供应对应于将要生成的电量的氧化气体和燃料气体的量。通常，空气用作氧化气体。
然而，空气包括氧和氮。由于在空气电极侧的反应中没有使用氮，所以除了在空气电极侧的空间中累积之外，氮也扩散到扩散层和电解质膜，并且最终传到氢电极侧。由于质子、电子和氧之间的反应而在空气电极侧生成的水也扩散到扩散层和电解质膜，并且最终传到氢电极侧。因此，与燃料电池氢电极侧的空间中的氢不同，随着操作燃料电池的时间的延长，增加了诸如水蒸气和氮之类的杂质浓度。涉及燃料电池控制装置的专利文件包括日本专利公开公布号2002-353837、日本专利公开公布号7-169488、日本专利公开公布号2003-331889和日本专利公开公布号9-259913。
氢电极侧的除了氢之外的杂质浓度的增加阻止了氢浓度的增加，其又阻止了发电量的增加。因为这个原因，传统聚合物电解质燃料电池已在氢电极的燃料气体通道的下游侧装备有排气阀，以便排放氢电极侧的后反应燃料气体(在下文中被称作“燃料废气”)。
这样的排气阀(例如，如日本专利公开公布号2002-353837所述)当燃料电池被激活时开启，并且用于排放氢电极侧的掺杂气体，导致氢电极侧的氢浓度增加。
在激活燃料电池之后，根据预定序列开启和关闭排气阀，以排放氢电极侧的杂质并维持发电量。
然而，燃料电池系统的排气阀(其中通过在激活期间开启和关闭排气阀来排放杂质以增加氢浓度)可能在低温下冻结。由于解冻冻结的排气阀需要时间，所以不能在短时间期限内激活燃料电池。进而，在其中在操作期间开启和关闭排气阀以维持发电量的燃料电池系统中，燃料效率并不总是令人满意，因为氢可能和杂质一起被排放。
发明内容
考虑到前述要点，本发明的目标是提供用于燃料电池的控制装置和控制方法，其增加发电量，并且维持预定的发电量，而不依赖于氢电极侧的排气阀的开启和关闭。
这样一来，用于燃料电池的控制装置就作为充当本发明例子的实施例而被提供，并且包括氧化气体供应装置，用于经由燃料电池的氧化气体供应线向阴极供应氧化气体；以及氢供应装置，用于经由燃料电池的氢供应线向阳极供应氢。这样的控制装置特征在于进一步包括以下装置，亦即阴极侧气体压力检测装置，用于检测所述氧化气体供应线和所述阴极中的至少一个之内的气体压力；目标氢分压确定装置，用于确定关于所述氢供应线和所述阳极中的至少一个之内的气体压力之中的氢压力的目标氢分压；氢供应压力计算装置，用于基于所述目标氢分压和所述阴极侧气体压力检测装置所检测的所述气体压力，计算将要向所述燃料电池供应的氢的氢供应压力；以及氢供应控制装置，用于控制氢，以便以所述氢供应压力从所述氢供应装置向所述燃料电池供应氢。
根据本发明的另一个方面，用于燃料电池的控制方法被提供，并且包括氧化气体供应装置，用于经由燃料电池的氧化气体供应线向阴极供应氧化气体；以及氢供应装置，用于经由燃料电池的氢供应线向阳极供应氢。这样的控制方法特征在于包括以下步骤，亦即检测所述氧化气体供应线和所述阴极中的至少一个之内的气体压力；确定关于所述氢供应线和所述阳极中的至少一个之内的气体压力之中的氢压力的目标氢分压；基于所述目标氢分压和所述检测的气体压力，计算将要向所述燃料电池供应的氢的氢供应压力；以及控制氢，以便以所述氢供应压力从所述氢供应装置向所述燃料电池供应氢。
根据如上所述的用于燃料电池的控制装置和控制方法，在至少阴极和向燃料电池供应氧化气体的氧化气体供应线之内检测气体压力，并且基于气体压力和目标氢分压计算氢供应压力。然后以这样的氢供应压力向阳极供应氢。如果假定阴极和氧化气体供应线之内的气体通向阳极侧，那么通过以所述氢供应压力供应氢，阳极侧的氢分压然后就能够被控制到目标氢分压。在这种情况下，能够减少排气阀用于排放阳极侧气体的频率，或者能够控制燃料电池，而不用使用排气阀，从而缓解提供这样的排气阀的需要。
这里的目标氢分压同样优选地随着燃料电池所需的发电量增加而增加。
通过根据燃料电池所需的发电量增加而将阳极侧的目标氢分压设置得更高，可以根据需要的发电量计算氢供应压力，并且根据需要的发电量发电。
进而，优选地包括的是燃料电池温度检测装置，用于检测所述燃料电池的温度，以及校正装置，用于基于所述燃料电池的温度，校正目标氢分压，其中，所述氢供应压力计算装置优选地基于所述校正的目标氢分压和所述阴极侧气体压力检测装置所检测的所述气体压力，计算将要向所述燃料电池供应的氢的所述氢供应压力。
另外，所述控制方法优选地进一步包括以下步骤，亦即检测所述燃料电池的温度；基于所述燃料电池的温度，校正所述目标氢分压；以及基于所述校正的目标氢分压和所述检测的气体压力，计算将要向所述燃料电池供应的氢的所述氢供应压力。
根据如此构造的控制装置和控制方法，能够将阳极侧控制到基于所述燃料电池的温度校正的氢分压，由此能够根据所述温度和所述发电量供应适当量的氢。
另外，同样优选地设置所述目标氢分压，以便随着所述燃料电池的温度增加而减少。
由于燃料电池的电池之内催化剂的活化度取决于燃料电池的温度而不同，所以通过当燃料电池的温度增加时将目标氢分压设置得较低，能够获得不受温度影响的适当发电量。
进而，优选地包括的是排气装置，用于排放剩余在所述阳极和所述氢供应线中的至少一个之内的残留气体；排气控制装置，用于当所述氢供应压力不在阳极侧气体压力的容许范围之内时，使用所述排气装置排放所述残留气体；以及残留气体分压计算装置，用于当排放残留气体时，计算剩余在所述阳极和所述氢供应线中的至少一个之内的残留气体的分压，其中，所述氢供应压力计算装置优选地基于所述目标氢分压和所述残留气体分压，计算将要向所述燃料电池供应的氢的所述氢供应压力。
另外，所述控制方法同样优选地进一步包括以下步骤，亦即当所述氢供应压力不在阳极侧气体压力的容许范围之内时，排放残留气体；当排放残留气体时，计算剩余在所述阳极和所述氢供应线的至少一个之内的残留气体的分压；以及基于所述目标氢分压和所述残留气体分压，计算将要向所述燃料电池供应的氢的所述氢供应压力。
根据如此构造的控制装置和控制方法，如果计算的氢供应压力不在阳极侧气体压力的容许范围之内，则能够排放剩余在阳极和/或氢供应线之内的残留气体，以减少残留气体的气体压力。这样一来，就能够基于减少的残留气体的气体压力和目标氢分压来计算氢供应压力。因此，这样的减少的气体压力能够用于计算阳极侧气体压力的容许范围之内的氢供应压力，由此燃料电池能够被控制在用于阳极侧气体压力的容许范围之内。
根据本发明，可以增加发电量并且/或者维持预定的发电量，而不用在氢电极侧提供排气阀，并且/或者不用依赖于氢电极侧的排气阀的开启和关闭。
当结合附图考虑时，通过阅读以下本发明的优选实施例的详细说明，会更好地理解本发明的上述以及其他特征、优点、技术和工业意义，其中图1是根据本发明实施例的燃料电池的示意图；图2是计算目标氢分压的映射的概念图；图3是显示燃料电池的激活期间ECU 3的控制的流程图；图4是显示正常操作期间ECU 3的控制的流程图；图5是显示用于使用燃料电池的冷却液温度在正常操作期间校正氢分压的控制的流程图；图6是使用燃料电池的冷却液温度校正氢分压的映射的概念图；以及图7是显示用于确定正常操作期间的氢供应压力是否处于容许范围内的ECU 3的控制的流程图。
具体实施例方式
在以下说明和附图中，将根据示范性实施例更加详细地说明本发明。
图1是根据本发明实施例的燃料电池的示意图。燃料电池包括以下燃料电池主体1；空气供应单元7，用于向燃料电池主体1的空气电极(也被称作阴极)供应充当氧化气体的空气；大气压力传感器9，其布置在空气供应单元7的空气导入通道上游；空气电极压力传感器11，用于测量空气电极侧的气体压力；调节阀15，用于调节空气电极侧的气体压力；燃料箱5，用于向燃料电池主体1的氢电极(也被称作阳极)供应充当燃料气体的氢；氢供应阀13，用于控制来自燃料箱5的氢的供应压力；排气阀17，用于控制来自氢电极的燃料废气的排放；以及冷却液温度传感器19，用于检测冷却燃料电池主体1的冷却液的温度。
从其中包括膜电极组件(MEA)和分离器的多层电池被串联连接并层压的层压主体(被称作电池堆)中构造燃料电池主体1。MEA包括氢电极，其将氢分成质子和电子；电解质膜，其将氢电极生成的质子传导到空气电极；以及空气电极，其使用氧、传导到空气电极的质子和从氢电极经由外电路传导的电子生成水。
在分离器中提供空气通道，用于向电池之内的空气电极供应充当氧化气体的空气。空气在电池之内的空气通道中从上游向下游流动，并且在空气电极之内的膜的方向上扩散，以与空气电极之内的质子起反应。因此，电池之内的空气通道中的氧浓度从上游到下游逐渐降低。
分离器还装备有氢通道，用于向电池之内的氢电极供应充当燃料气体的氢。氢在电池之内的氢通道中从上游向下游流动，在氢电极之内的膜的方向上扩散，并且由于氢电极之内的催化剂的作用而被转换成质子。质子然后穿过膜并朝向空气电极移动。因此，电池之内的氢通道中的氢浓度从上游到下游逐渐降低。
空气供应单元7(对应于氧化气体供应装置)例如是空气压缩机。大气中的空气被空气供应单元7加压，然后经由空气供应线L1(上述电池之内的空气通道)被供应给燃料电池主体1的空气电极。通过来自ECU 3的控制信号控制从空气供应单元7向空气供应线L1供应的空气的流速。通过空气供应单元7的空气导入通道上游中提供的大气压力传感器9测量大气压力。
在燃料电池主体1的空气电极的下游侧，排气线L2连接到空气通道的出口，并且在排气线L2中提供调节阀15。通过调节阀15控制空气电极侧气体的排放。此外，在排气线L2中提供用于测量空气电极侧气体压力的空气电极压力传感器11(对应于阴极侧气体压力检测装置)。除了被供应以来自空气供应单元7的空气之外，燃料电池主体1的空气电极被调节阀15控制到预定气体压力。注意，空气供应单元7的出口侧的空气供应线L1、燃料电池主体1的空气电极(电池之内的空气通道)、以及直到排气线L2中的调节阀15的空间，对应于本发明的氧化气体供应通道。
燃料箱5(对应于氢供应装置)经由氢供应线L3上游的氢供应阀13向燃料电池主体1的氢电极侧(上述电池之内的氢通道)供应氢。燃料箱5维持高压状态(超过1个大气压的压力状态)下的氢。
氢供应阀13(对应于氢供应控制装置)通过控制所述阀的开启和关闭操作来调节穿过其间的气体流速。这里，阀的开启和关闭操作例如包括开启阀循环、开启阀周期和关闭阀周期。然而，氢供应阀13同样可以通过以下控制燃料气体的供应通过阀运动改变其开启部分的开启角度。
在燃料电池主体1的氢电极的下游侧，排气线L4连接到电池之内的氢供应通道，并且在排气线L4中提供排气阀17(对应于排气装置)。排气阀17同样通过控制所述阀的开启和关闭操作来调节穿过其间的气体流速。然而，排气阀17同样可以通过以下控制排出气体的流速通过阀运动改变其开启部分的开启角度。
在供应氢之前(亦即，在激活燃料电池之前)，渗透过MEA的空气(主要是氮)和空气电极所产生的生成的水(水蒸气或小滴)在氢电极侧占优势。在下文中，这样的氮、水蒸气等将被称作掺杂气体。根据实施例的燃料电池假定在供应氢之前，氢电极侧的掺杂气体的气体压力基本上相当于空气电极侧的气体压力，以便确定将要从氢供应阀13供应的氢的供应压力。
这里，氢供应压力被规定为通过氢供应阀13向连接到氢电极以及氢电极的内部的氢供应线L3供应的氢的压力。氢电极的内部被填充以由氢供应压力和平衡压力组成的气体(氢和掺杂气体的混合气体)。例如，能够考虑这样的情况，其中，燃料箱5被填充以50个大气压的氢，氢供应阀13将其减压到2个大气压并且供应给氢供应线L3。这里，假定供应氢之前的掺杂气体的气体压力已变为1个大气压。在这种情况下，以2个大气压的氢供应压力供应氢，以便氢电极的内部变为用2个大气压的混合气体填充。此外，掺杂气体和氢的分压两者都为1个大气压。
进而，根据实施例的燃料电池假定氢电极侧的气体压力(总压力)由氢电极侧存在的氢分压和空气电极侧的气体压力组成，以便在燃料电池的操作期间控制氢的供应压力。同样要注意，氢供应阀13出口侧的氢供应线L3、燃料电池主体1的氢电极(电池之内的氢通道)、以及直到排气线L4中的排气阀17的空间，对应于本发明的氢供应通道。
冷却液温度传感器19测量冷却燃料电池主体1之内电池堆的冷却液温度。
ECU 3控制根据实施例的燃料电池的反应，并且包括CPU、存储器和输入/输出接口。ECU 3还经由输入/输出接口(未显示)控制氢供应阀13、空气调节阀15和排气阀17的开启与关闭或开启部分的开启角度。另外，ECU 3控制从空气供应单元7供应的空气的流速。进而，ECU 3连接到大气传感器9、空气电极压力传感器11和冷却液温度传感器19(对应于燃料电池温度检测装置)，从而监视大气压力、空气电极之内的气体压力和冷却液的温度。
在燃料电池的激活期间，ECU 3在存储器的预定存储区中查阅用于稳定发电的目标氢分压(执行这样的处理的ECU 3对应于用于确定目标氢分压的装置)。用于稳定发电的目标氢分压是燃料电池需要以维持稳定发电的氢分压。同样要注意，根据燃料电池规格、尺寸等事先确定作为实际值或设计值的用于稳定发电的目标氢分压，并且保持在ECU 3的存储器中。
在燃料电池中，ECU 3将激活期间的空气电极压力设置到大气压力。进而，ECU 3根据空气电极侧的气体压力和上述用于稳定发电的目标氢分压计算目标氢压力。实施例中的ECU 3假定空气电极中的气体压力基本上就是供应氢之前的氢电极侧掺杂气体的压力。然后根据这样的压力计算目标氢压力，所述压力为空气电极中气体压力与用于稳定发电的目标氢分压之和(执行这样的处理的ECU 3对应于氢供应压力计算装置)。
ECU 3控制氢供应阀13的开启与关闭，并且将供应给氢电极侧的氢的供应压力控制到目标氢压力。因此，其分压从目标氢压力中排除氢电极侧掺杂气体压力的氢，亦即，其压力是用于稳定发电的目标氢分压的氢，被供应给氢电极。这样一来，在根据实施例的燃料电池中，充当燃料气体的氢就在氢的供应期间主要通过氢供应压力的控制向氢电极供应，并且尽可能少地开启和关闭排气阀17。
在激活燃料电池之后，ECU 3查阅这样的映射，所述映射指示需要发电量和目标氢分压之间的关系，得到对应于需要发电量的氢分压(执行这样的处理的ECU 3对应于用于确定目标氢分压的装置)。
图2是计算目标氢分压的映射的概念图。当指定需要发电量时，ECU 3使用这个映射计算生成这样的电量所需的氢分压。在图2的映射中，x轴表示需要发电量，而y轴则表示实现需要发电量所需的目标氢分压(例如以KPa为单位)。对于包括多种气体的混合气体，基本上对应于每种气体的分压设置每种气体的浓度。
能够使用实际测量为每个燃料电池规格(例如催化剂密度、电池堆数量、电极材料等)设置上述映射。如图2所示，指示需要发电量和目标氢分压之间关系的映射通常向上倾斜，亦即，该映射是这样的曲线，其中，目标氢分压与需要发电量的增加一起增加。这样的映射作为根据需要发电值和目标氢分压值的多个组合形成的表格保持在ECU 3的存储器中。然而，ECU 3同样可以保持需要发电值和目标氢分压值之间的基于经验的关系(例如一次直线，或者二次或更高次的曲线)。应当注意的是，用于计算空气电极气体压力的映射和用于计算向空气电极供应的空气量的映射具有类似的结构。
另外，ECU 3查阅这样的映射，所述映射指示需要发电量和氧供应量之间的关系，得到对应于需要发电量的氧供应量。使用来自空气供应单元7的空气通过ECU 3供应用于氧供应量的氧(执行这样的处理的ECU 3对应于氧化气体量控制装置)。进而，ECU 3查阅这样的映射，所述映射指示需要发电量和空气电极气体压力之间的关系，得到对应于需要发电量的气体压力。通过开启和关闭调节阀15，ECU 3控制空气电极的气体压力。
ECU 3进一步假定空气电极的气体压力基本上就是氢电极侧掺杂气体的压力，并且根据空气电极的气体压力和目标氢分压确定目标氢压力(执行这样的处理的ECU 3对应于氢供应压力计算装置)。ECU 3控制氢供应阀13的开启和关闭，并且将供应到氢电极内部的氢的供应压力控制到目标氢压力。这样一来，在根据实施例的燃料电池中，充当燃料气体的氢在激活燃料电池之后也主要通过氢供应压力的控制向氢电极供应，并且尽可能少地开启和关闭排气阀17。
图3是显示燃料电池的激活期间ECU 3的控制的流程图。处理能够作为ECU 3的CPU所执行的控制程序而实现。在燃料电池的激活期间，ECU 3首先查阅用于稳定发电的目标氢分压(S1)。下一步，ECU3假定空气电极的压力和供应氢之前的氢电极的压力处在大气压力下，并且根据大气压力和用于稳定发电的目标氢分压计算目标氢压力(S3)。这里，目标氢压力被设置为大气压力和用于稳定发电的目标氢分压之和。
ECU 3随后控制氢供应阀13以向氢电极供应目标氢压力的氢(S5)。下一步，ECU 3控制空气调节阀15，并且将空气电极设置到大气压力。这样的控制导致氢电极侧的氢分压被控制到用于稳定发电的目标氢分压。然后通过ECU 3激活燃料电池(S9)。
这里应当注意的是，控制空气电极，以便在激活期间达到大气压力。然而，本发明的实施例并不限于这样的过程，亦即，用于在激活期间将空气电极设置到大气压力的过程自身不是强制性的。
图4是显示正常操作期间ECU 3的控制的流程图。这样的处理同样能够作为ECU 3的CPU所执行的控制程序而实现。在正常操作状态期间，ECU 3首先计算需要发电量(S10)。基于包括用户指令的信息，诸如对应于动力车加速器操作的加速指令值，或者从燃料电池向其供电的家庭、设施、设备等的用电史，能够计算需要发电量。
ECU 3随后基于需要发电量查阅映射以确定目标空气供应量(S11)。目标空气供应量对应于根据发电量所需的氧量。下一步，ECU3将空气供应单元7的空气供应量控制到目标空气供应量(S12)。
ECU 3随后基于需要发电量查阅映射以确定空气电极的目标气体压力(S13)。下一步，ECU 3控制调节阀15，以将空气电极的气体压力控制到目标气体压力(S14)。
ECU 3随后基于需要发电量查阅映射以确定氢电极的目标氢分压(S15)。目标氢分压是对应于根据发电量所需的氢电极侧氢浓度的量。下一步，ECU 3根据空气电极的目标气体压力和氢电极的目标氢分压计算目标氢压力(S17)。在实施例中，目标氢压力被设置为空气电极的目标气体压力和目标氢分压之和。
ECU 3控制氢供应阀13，以向氢电极供应目标氢压力的氢(S19)。这样的控制导致氢电极侧的氢分压被控制到目标氢分压。ECU 3然后将控制返回到S11。
如上所述，根据实施例的燃料电池，在燃料电池的激活期间，基于空气电极的气体压力和用于稳定发电的目标氢分压，计算目标氢压力。然后将供应给氢电极的氢的供应压力控制到目标氢压力。这又允许氢电极的氢分压基本上被控制到用于稳定发电的目标氢分压，并且允许稳定激活所需的氢被供应到氢电极。
这样一来，在根据实施例的燃料电池中，就可以通过在激活期间控制氢供应压力来控制氢电极侧的氢分压以及因而的氢浓度。因此，不需要在激活期间开启排气阀17，以便排放氢电极之内的掺杂气体，如传统燃料电池中那样。所以，即使例如在由于零下温度而冻结排气阀17的情况下，也能够在短时间期限内激活燃料电池。
另外，根据实施例的燃料电池，空气电极的气体压力在激活期间被控制到大气压力。在燃料电池的反应中使用向空气电极供应的空气之中的氧，并且诸如氮之类的杂质穿过扩散层和电解质膜到达氢电极侧。将空气压力设置到大气压力使得可以减少氢电极侧掺杂气体的分压，由此与当向空气电极添加大于大气压力的压力时相比，控制的目标氢压力实际上能够被设置得低。
进而，根据实施例的燃料电池，在正常操作期间，根据发电量，基于空气电极的气体压力和目标氢分压，计算目标氢压力，以供应目标氢压力的氢。由于这样的控制，根据实施例的燃料电池向氢电极供应具有对应于需要发电量的目标氢分压、亦即目标氢浓度的氢。因此，在根据实施例的燃料电池中，不需要在正常操作期间开启和关闭排气阀17。所以，可以减少开启和关闭排气阀17所造成的氢的浪费排放。如果排气阀17受损，则燃料电池的激活和操作同样能够根据图3和4中显示的控制而被维持。进而，这样的控制的实现同样能够实现其结构省略排气阀17的燃料电池。
上面的实施例显示了这样的例子，其中，根据映射和需要发电量计算空气供应量、空气电极的目标气体压力和目标氢分压，由此通过进一步根据空气电极的目标气体压力和目标氢分压计算目标氢压力，来控制氢电极的氢分压。基于燃料电池的电池温度，可以校正这样的氢分压。因为关于需要发电量的氢需要量以及因而的目标氢分压的变化，电池之内催化剂的活化度取决于电池温度而不同。这里，电池温度被规定为冷却燃料电池的电池的冷却液温度，并且在下文中将显示基于冷却液温度校正氢分压的例子。
图5显示了这样的处理例子，其中，根据来自测量冷却液温度的冷却液温度传感器19的温度，校正目标氢分压。与图4的处理中类似的图5中的处理步骤用类似的参考数字表示，并且将不再说明。
在这个处理中，在根据需要发电量确定空气电极的气体压力和氢电极的目标氢分压(S13-S15)之后，ECU 3检测冷却液温度传感器19所测量的冷却液温度(S16A)。下一步，ECU 3查阅用于校正目标氢分压的映射，使用冷却液温度校正目标氢分压(S16B)。
图6是使用燃料电池中冷却液温度校正氢分压的映射的概念图。如图6所示，映射的x轴表示冷却液温度，而y轴则表示用于在冷却液温度下满足需要发电量的目标氢分压。类似于图2中的映射，这个映射同样能够以表格的格式和基于经验的格式保持在ECU 3的存储器中。
下一步，ECU 3使用校正的目标氢分压和空气电极的目标气体压力计算目标氢压力(S17)。随后的处理与图4中的类似。
这样一来，根据修改的燃料电池，使用电池中冷却液的温度和需要发电量校正目标氢分压(执行这样的处理的ECU 3对应于用于校正目标氢分压的装置)。因此，能够与图4的处理相比更加精确地计算目标氢分压以及扩展的目标氢压力。所以，关于需要发电量能够供应适当的氢，从而降低生成过多或不足电量的风险。
应当注意的是，尽管电池温度在这里是从测量冷却液温度的冷却液温度传感器19检测的，但是可以提供测量电池温度自身的传感器，并且电池温度自身可以用于校正目标氢分压。
下一步，将说明使用氢压力容许值确定的修改。图7显示了这样的处理例子，其中，根据目标氢压力是否已超过容许值，一旦计算目标氢压力，就改变控制序列。这样的用于目标氢压力的容许值例如能够被确定为用于防止形成电池的电解质膜的耐久性恶化的实际值或设计值。可以配置ECU 3以在存储器中保持这样的容许值。
与图4的处理中类似的图7中的处理步骤用类似的参考数字表示，并且将不再说明。在这个处理中，在计算目标氢压力(S17)之后，ECU3确定目标氢压力是否在容许范围之内(S18A)。
如果目标氢压力没有在容许范围之内，则ECU 3控制排气阀17以开启氢电极侧的阀，并且同样控制氢供应阀13，以向氢电极供应氢并排放氢电极之内的残留气体(S18B)。执行这样的处理的ECU 3对应于排气控制装置。因此，氢电极之内掺杂气体的分压被降低。ECU 3然后根据自从排气阀17开启以来的持续时间、燃料电池的发电量、当前开启阀周期以及供应的氢压力计算氢电极中掺杂气体的分压(S18C)。执行这样的处理的ECU 3对应于用于计算残留气体分压的装置。在这之后，ECU 3将控制返回到S15，并且基于S18C中计算的掺杂气体的压力，计算目标氢压力。亦即，在这种情况下，目标氢压力可以被设置为氢电极中掺杂气体的压力和目标氢分压之和。
可选择地，如果在S16中确定目标氢压力在容许范围之内，则ECU3如此控制氢供应阀13，以致于氢电极的气体压力变为目标氢压力(S19)。随后的处理与图4中的类似。
如上所述，根据实施例的燃料电池，如果目标氢压力不在燃料电池容许范围之内，则开启排气阀17。另外，从氢供应阀13供应氢，并且从氢电极排放掺杂气体。这样一来，氢电极之内掺杂气体的压力就被降低，其又降低了目标氢压力。
因此，根据修改的燃料电池，可以只有当目标氢压力在容许范围之外时才从排气阀17排放杂质，而不用在正常状态下使用排气阀17。这样一来减少了排气阀17不必要的开启和关闭，从而降低了氢的过多排放。进而，当目标氢压力在容许范围之外时，通过排放掺杂气体并降低氢电极中的目标氢压力，可以避免基于容许范围之外的氢电极侧的气体压力的操作。这导致了例如增加的电解质膜的耐久性，从而延长了它的耐用期(亦即更新周期)。
下面将说明其他修改。在上面的实施例中，说明了如图1所示的不具有氢循环系统的燃料电池，其中，氢电极侧的目标氢压力被设置为掺杂气体压力和目标氢分压之和。然而，本发明的实施例不限于这样的构造。例如，通过类似于图3中的控制，能够激活具有氢循环系统的燃料电池，而不用开启和关闭氢电极侧的排气阀17。进而，通过类似于图4中的控制，具有氢循环系统的燃料电池能够控制氢浓度，而不用开启和关闭氢电极侧的排气阀17。
上面的实施例显示了这样的例子，其中，以氢作为燃料气体供应的方式供应氧化气体和空气。然而，本发明的实施例不限于这样类型的气体(亦即氧化气体和燃料气体)。例如，氧可以用作氧化气体，而天然气则可以用作燃料气体。
在上面的实施例中，根据空气电极的目标气体压力和氢电极的目标氢分压计算目标氢压力(例如参考图4中的S17)。然而，本发明的实施例不限于这样的过程。同样能够考虑空气电极中气体的分压和氢电极中气体的分压(电解质膜两侧气体的分压)对从空气电极侧穿过到氢电极侧的气体的渗透量的影响。因此，例如可以根据氧电极侧掺杂气体的分压来校正氢供应压力，由此氢供应压力可以随着氧电极侧掺杂气体的分压(诸如氮的分压之类)降低而降低。
权利要求
1.一种用于燃料电池的控制装置，包含氧化气体供应装置(7)，用于经由所述燃料电池(1)的氧化气体供应线(L1)向阴极供应氧化气体；以及氢供应装置(5)，用于经由所述燃料电池(1)的氢供应线(L3)向阳极供应氢，其特征在于进一步包含阴极侧气体压力检测装置(11)，用于检测所述氧化气体供应线(L1)和所述阴极中的至少一个之内的气体压力；目标氢分压确定装置(3)，用于确定关于所述氢供应线(L3)和所述阳极中的至少一个之内的气体压力之中的氢压力的目标氢分压；氢供应压力计算装置(3)，用于基于所述目标氢分压和所述阴极侧气体压力检测装置(11)所检测的所述气体压力，计算将要向所述燃料电池(1)供应的氢的氢供应压力；以及氢供应控制装置(13)，用于控制氢，以便以所述氢供应压力从所述氢供应装置(5)向所述燃料电池(1)供应氢。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的控制装置，其特征在于所述目标氢分压随着所述燃料电池(1)所需的发电量增加而增加。
3.根据权利要求1或2所述的用于燃料电池的控制装置，其特征在于进一步包含燃料电池温度检测装置(19)，用于检测所述燃料电池(1)的温度；以及校正装置(3)，用于基于所述燃料电池(1)的温度，校正目标氢分压，其中所述氢供应压力计算装置(3)基于所述校正的目标氢分压和所述阴极侧气体压力检测装置(11)所检测的所述气体压力，计算将要向所述燃料电池(1)供应的氢的所述氢供应压力。
4.根据权利要求3所述的用于燃料电池的控制装置，其特征在于所述目标氢分压随着所述燃料电池(1)的温度增加而减小。
5.根据权利要求1到4中任何一项所述的用于燃料电池的控制装置，其特征在于进一步包含排气装置(17)，用于排放剩余在所述阳极和所述氢供应线(L3)中的至少一个之内的残留气体；排气控制装置(3)，用于当所述氢供应压力不在阳极侧气体压力的容许范围之内时，使用所述排气装置(17)排放所述残留气体；以及残留气体分压计算装置(3)，用于当排放残留气体时，计算剩余在所述阳极和所述氢供应线(L3)中的至少一个之内的残留气体的分压，其中所述氢供应压力计算装置(3)基于所述目标氢分压和所述残留气体分压，计算将要向所述燃料电池(1)供应的氢的所述氢供应压力。
6.一种用于燃料电池的控制方法，包含氧化气体供应装置(7)，用于经由所述燃料电池(1)的氧化气体供应线(L1)向阴极供应氧化气体；以及氢供应装置(5)，用于经由所述燃料电池(1)的氢供应线(L3)向阳极供应氢，其特征在于包含以下步骤检测所述氧化气体供应线(L1)和所述阴极中的至少一个之内的气体压力；确定关于所述氢供应线(L3)和所述阳极中的至少一个之内的气体压力之中的氢压力的目标氢分压；基于所述目标氢分压和所述检测的气体压力，计算将要向所述燃料电池(1)供应的氢的氢供应压力；以及控制氢，以便以所述氢供应压力从所述氢供应装置(5)向所述燃料电池(1)供应氢。
7.根据权利要求6所述的用于燃料电池的控制方法，其特征在于所述目标氢分压随着所述燃料电池(1)所需的发电量增加而增加。
8.根据权利要求6或7所述的用于燃料电池的控制方法，其特征在于进一步包含以下步骤检测所述燃料电池(1)的温度；基于所述燃料电池(1)的温度，校正所述目标氢分压；以及基于所述校正的目标氢分压和所述检测的气体压力，计算将要向所述燃料电池(1)供应的氢的所述氢供应压力。
9.根据权利要求8所述的用于燃料电池的控制方法，其特征在于所述目标氢分压随着所述燃料电池(1)的温度增加而减小。
10.根据权利要求6到9中任何一项所述的用于燃料电池的控制方法，其特征在于进一步包含以下步骤当所述氢供应压力不在阳极侧气体压力的容许范围之内时，排放残留气体；当排放残留气体时，计算剩余在所述阳极和所述氢供应线(L3)的至少一个之内的残留气体的分压；以及基于所述目标氢分压和所述残留气体分压，计算将要向所述燃料电池(1)供应的氢的所述氢供应压力。
全文摘要
一种用于燃料电池(1)的控制装置及其控制方法，所述控制装置包括氧化气体供应装置(7)，用于经由氧化气体供应线(L1)向阴极供应氧化气体；阴极侧气体压力检测装置(11)，用于检测所述氧化气体供应线(L1)或所述阴极内的气体压力；氢供应装置(5)，用于经由氢供应线(L3)向阳极供应氢；目标氢分压确定装置，用于确定所述氢供应线(L3)或所述阳极内气体压力之中的氢压力；氢供应压力计算装置，用于基于所述目标氢分压和所述阴极侧气体压力检测装置(11)所检测的所述气体压力，计算将要向所述燃料电池(1)供应的氢的氢供应压力；以及氢供应控制装置(13)，用于以所述氢供应压力从所述氢供应装置(5)向所述燃料电池(1)供应氢。
文档编号H01MGK1943065SQ200580011071
公开日2007年4月4日 申请日期2005年4月12日 优先权日2004年4月13日
发明者片野刚司 申请人:丰田自动车株式会社