专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过评估燃料电池中的杂质浓度来控制气体供给/排放的燃料电池系统。
背景技术：
适用于燃料电池汽车等的燃料电池系统是已知的。燃料电池系统包括作为主要部件的燃料电池组，并且该燃料电池具有阳极和阴极。氢气作为燃料气体被供给阳极，并且空气被供给阴极。而且，燃料电池系统包括例如用于储存燃料气体如待供给阳极的氢气的部件，和用于将含有未消耗的燃料气体的废气循环至阳极的泵。在燃料电池组中，氢气与空气中的氧气反应以产生电能。
众所周知，随着燃料电池中反应的进展，阴极气体(空气)中的氮气和在该反应中产生的水通过电解质膜从阴极移向阳极。因此，氮气或水蒸汽的分压(在下文中总称为“杂质”)增加了，并且燃料气体(氢气)的浓度降低了。结果，燃料电池的发电性能不合乎需要地降低了。
在解决该问题的一个尝试中，通常在阳极侧上的排出通道中设置的排出阀(在下文中也指的是“氢气系统”)被开启，用于排放含有未消耗的氢气和杂质的气体。例如，日本专利申请特许公开No.2003-168467公开了一种燃料电池系统技术，其中燃料电池的空气泵在目标转速下操作，并且空气调节阀被用于使压力调节至目标压力。在该公开的技术中，大气压是根据转速和压力调节阀的阀位置来估算的，以用于校正氢气排出阀的排放间隔。而且，在日本专利申请特许公开No.2002-289237中公开了一种技术，如果氢气系统中的杂质浓度增加，那么氢气废气(在发电过程中消耗的气体)从氢气系统中排出，以便降低杂质的浓度。
但是，在日本专利申请特许公开No.2003-168467公开的现有技术中，排放间隔仅仅是根据空气的流量来控制的，而没有考虑氢气系统中的气体状态。而且，在日本专利申请特许公开No.2002-289237中公开的现有技术中，仅仅根据自燃料电池系统操作开始起经过的时间或者由氢气浓度传感器检测到的氢气浓度来估算杂质浓度，并且根据所估算的杂质浓度来执行氢气系统的排放操作。因此，在日本专利申请特许公开No.2003-168467和日本专利申请特许公开No.2002-289237公开的控制技术中，由于在估算杂质浓度时没有考虑氢气系统的当前状态，因此未消耗的氢气被浪费地排走了。因此，例如，燃料电池的燃料经济性不合乎需要的降低了。
发明内容
本发明用于解决上述问题，并且本发明的一个目的是提供一种燃料电池系统，它使得正确地估算氢气系统中的杂质浓度成为了可能，并且降低了氢气系统中的不必要的气体排放。
根据本发明的一方面，燃料电池系统包括用于获取燃料电池的氢气系统压力的压力获取装置，用于估算氢气系统中的氢气分压的压力估算装置，和用于根据得到的压力和估算的压力来估算氢气系统中的杂质浓度的杂质浓度估算装置，其中如果压力获取装置得到的压力等于或大于上限氢气系统压力值，那么杂质浓度估算装置估计该杂质浓度等于或大于预定浓度，其中该上限氢气系统压力值是供燃料电池稳定发电用的压力上限值。
该燃料电池系统被安装在例如燃料电池汽车上。该燃料电池系统包括用于获取燃料电池的氢气系统(阳极)压力的压力获取装置，用于估算氢气系统中的氢气分压的压力估算装置。而且，该燃料电池系统包括杂质浓度估算装置，用于根据得到的氢气系统压力和所估算的氢气分压来估算氢气系统中的杂质浓度。即，杂质浓度估算装置通过考虑氢气系统的当前状态来估算杂质浓度。从而，该杂质浓度估算装置可精确地估算燃料电池的氢气系统中的杂质浓度。
该方面的燃料电池系统可被构造为使得压力估算装置至少根据目标压力值、阳极中的氢气量，和最大允许氮气量来估算上限氢气系统压力值，其中最大允许氮气量是在阳极中可稳定发电时的氮气量的最大值。
该方面的燃料电池系统可包括用于在杂质浓度估算装置估计出该杂质浓度等于或大于预定浓度并且压力获取装置得到的压力小于预定压力时，增加待供应至氢气系统的氢气量的装置。
根据该方面，该燃料电池系统可在杂质浓度估算装置估计出该杂质浓度等于或大于预定浓度，并且压力获取装置得到的压力小于预定压力时，增加供应至氢气系统的氢气量。该杂质显著地影响燃料电池的发电稳定性。因此，如果杂质浓度等于或大于预定浓度，则不可能从燃料电池获得稳定的电力。但是，即使是杂质浓度等于或大于预定浓度，只要氢气系统压力小于预定压力，则压力的增加不会对燃料电池产生不利的影响。因此，在该情形中，供应至氢气系统的氢气量增加了。因此，可在燃料电池中实现稳定的发电，并且减少了氢气系统中气体排放的浪费。
该方面的燃料电池系统可被构造为使得预定压力为最大允许氢气系统压力，即燃料电池可容许的氢气系统的最大压力。
该方面的燃料电池系统可包括用于在杂质浓度估算装置估计出该杂质浓度等于或大于预定浓度，并且压力获取装置得到的压力等于或大于预定压力时，排放氢气系统中的流体的装置。
根据该方面，燃料电池系统可在杂质浓度估算装置估计出该杂质浓度等于或大于预定浓度并且获得的氢气系统压力等于或大于预定压力时，排放氢气系统中的气体。在该情形中，杂质浓度等于或大于预定浓度，并且鉴于燃料电池等的耐久性，不可能进一步增加氢气系统压力。因此，氢气系统中的流体被排放。即，通过排放氢气系统中的气体，杂质可被排放以便实现燃料电池的稳定发电，并且可防止施加至燃料电池的压力进一步增加。
根据该方面的燃料电池系统可包括在杂质浓度估算装置估计出该杂质浓度等于或大于预定浓度时排放氢气系统中的流体的装置。根据该方面，如果杂质浓度等于或大于预定浓度，可以不增加待供给的氢气量。作为替代，氢气系统中的流体可以总是被排走以便排放杂质，以用于在燃料电池中实现稳定的发电。
在该燃料电池系统中，优选地根据燃料电池的机械强度来确定预定压力。在该情形中，可根据机械强度例如燃料电池的耐久性来确定预定压力。
而且，在该燃料电池中，压力估算装置可优选地根据燃料电池的消氢量和渗透穿过燃料电池的电解质膜的氢气量来估算氢气分压，并且杂质浓度估算装置可根据压力获取装置得到的压力、估算压力，以及燃料电池的最大允许氮气量来估算杂质浓度。在该情形中，压力估算装置可根据燃料电池的耗氢量和渗透穿过燃料电池的电解质膜的氢气量来估算氢气系统中的真实氢气压力。而且，杂质浓度估算装置可根据得到的氢气系统压力、估算的氢气压力，以及供燃料电池稳定发电用的最大允许氮气量来估算杂质浓度。通过这种方式，杂质浓度估算装置可进一步提高估算杂质浓度的精度。
该方面的燃料电池系统可被构造为使得压力估算装置根据燃料电池的发电量和温度来计算渗透穿过燃料电池的电解质膜的氢气量。
该方面的燃料电池系统可被构造为使得压力估算装置根据燃料电池的发电量和温度来计算最大允许氮气量。
该方面的燃料电池系统可被构造为使得杂质浓度估算装置根据压力获取装置得到的压力、压力估算装置估算的压力、氢气系统中的氮气量以及燃料电池的最大允许氮气量来估算杂质浓度。
该方面的燃料电池系统可被构造为使得压力估算装置根据供应至燃料电池的氢气量和燃料电池的耗氢量来估算氢气分压，并且杂质浓度估算装置根据压力获取装置得到的压力、压力估算装置估算的压力、以及燃料电池的最大允许氮气量来估算杂质浓度。
根据本发明的另一方面，燃料电池系统包括用于获取燃料电池的氢气系统压力的压力获取装置，用于估算氢气系统中的氢气分压的压力估算装置，和用于根据得到的压力和估算的压力来估算氢气系统中的杂质浓度的杂质浓度估算装置。
图1是方框图，示意性示出了根据本发明一实施例的燃料电池系统的结构；图2是流程图，示出了根据本发明实施例的估算杂质浓度的流程；图3是用于确定透氢量的图；和图4是用于确定最大允许氮气量的图。
具体实施例方式
在下文中，将参照附图描述本发明的优选实施例。
燃料电池系统的结构
图1是方框图，示意性示出了根据本发明一实施例的燃料电池系统的结构。
燃料电池系统51包括作为主要部件的流量计2，供给阀3，压力计4，温度传感器5，电流传感器6，排出阀8，ECU(电子控制单元)10，供给通道11，12，和排出通道13，14。燃料电池系统50被安装在例如燃料电池汽车(在下文中被简称为“汽车”)中，并且在燃料电池(燃料电池组)1上执行各种控制。
燃料电池1通过将多个单元电池叠置在一起而形成。每一个单元电池被插入在导电隔板之间，并且包括电解质膜1c，和位于电解质膜1c的两个表面上的电极。每一个电极具有例如多孔气体扩散层的结构。从燃料电池1收集到的输出电压水平取决于单元电池的数量。为了便于理解，图1仅仅示出了一个单元电池的结构，其包括位于电解质膜1c的表面上的阴极(空气极)1a和阳极1b。在图1中，空气从供给通道11供给至阴极1a，并且氢气从供给通道12供给至阳极1b，以便产生电能。
燃料电池1被用作向马达提供电能以驱动汽车的电源，并且其产生约300V的高DC电压。在燃料电池1中产生的电压被施加到用于按照指令扭矩等将电能提供至马达的逆变器，安装在汽车上的各种辅助装置，和用于通过供电电缆15向这些辅助装置(这些负载被总的显示为“负载7”)提供电能的电池(二次电池)。
空气流过供给通道11，并且氢气流过供给通道12。而且，从阴极1a排放的气体流过排出通道13，并且从阳极1b排放的气体流过排出通道14。
接下来，将描述燃料电池系统50的各个传感器和阀。流量计2，供给阀3，和压力计4沿着供给通道12设置。流量计2检测流过供给通道12的流体的流量。即，流量计2检测到的流量与供给至阳极1b的氢气的量一致。流量计2将与检测到的流量相应的信号S1输出到ECU 10。
供给阀3调节供给至阳极1b的氢气的流量(氢气的量)。供给阀3由从ECU 10输出的控制信号S2来控制。如果控制阀3的阀位置可被精确地调节，则可以不使用上述直接检测流量的流量计2。在该情形中，根据供给阀3的阀位置来确定供给至阳极1b的氢气的流量。而且，如果供给阀3是一个喷射器或类似物(即，如果阀的开启或闭合控制是根据所提供的电流的控制脉冲占空率来执行的)，则可以不使用流量计2。在该情形中，根据上游位置处的压力和温度以及用于开启阀的信号来确定该流量。
压力计4检测供给通道12中的压力，即燃料电池1的阳极1b处的压力。即，压力计4具有用作压力获取装置的功能，用于获取燃料电池1的氢气系统压力。压力计4将与检测到的压力相应的信号S3输出至ECU 10。
而且，还设置了用于燃料电池1的温度传感器5。即，温度传感器5检测燃料电池1的温度。温度传感器5将与检测到的温度相应的信号S4输出至ECU 10。温度传感器5可以不直接设置在燃料电池1中。例如，可替换地，提供至燃料电池1的冷却剂的温度可被用作燃料电池1的温度。即，没有必要直接检测燃料电池1的温度。如果存在着能精确反映燃料电池1的温度的任何温度，则可替换地使用该温度。
电流传感器6设置在供电电缆15中。该电流传感器6检测由燃料电池1产生的电流值。电流传感器6将与检测到的电流值相应的信号S5输出至ECU 10。来自电流传感器6的输出信号S5与燃料电池1产生的电量向对应。而且，排出阀8设置在排出通道14中。排出阀8从阳极1b那里排出含有未消耗的氢气和杂质(即，氢气和水)的气体。排出阀8通过ECU 10输出的控制信号S6来控制。
ECU 10包括未示出的部件，例如CPU，ROM，RAM，A/D转换器，和I/O接口。正如上面的描述，ECU 10根据从流量计2，压力计4，温度传感器5，和电流传感器6输出的检测信号S1，S3，S4和S5来控制供给阀3和排出阀8。即，ECU 10分别向供给阀3和排出阀8提供控制信号S2和S6。在本发明的实施例中，ECU 10估算阳极1b中的当前氢气的分压，并且根据所估算的氢气分压精确地估算阳极1b中的杂质浓度(或量)。随后，ECU 10根据所估算的杂质浓度来控制供给阀3或排出阀8。即，ECU 10根据所估算的杂质浓度增加提供至阳极1b的氢气量或从阳极1b中排出气体。估算方法和阀的控制将在稍后详细描述。正如上面的描述，ECU 10具有用作压力估算装置的功能，以用于估算氢气系统中的氢气分压，还用作杂质浓度估算装置，以用于估算杂质的浓度。
杂质浓度的估算方法在下文中，将描述杂质浓度的估算方法和根据该估算结果对供给阀3和排出阀8的控制方法，特别地，该估算和控制是通过ECU 10执行的。
图2是流程图，示出了ECU 10执行的流程。该流程在燃料电池1的操作过程中以预定的频率反复地执行。例如，该流程最好在较低的频率1Hz或更大的频率下执行。
下面将简要地描述该流程的总的过程。首先，从步骤S11至步骤S18，ECU 10根据燃料电池1的当前状态估算杂质浓度，判断所估算的杂质浓度是否等于或大于预定的浓度，并且判断阳极1b中的压力是否已经达到了最大允许氢气系统压力。从步骤S19至步骤S21，ECU 10根据该判断结果来控制供给阀3和排出阀8，以便减少氢气系统中的不必要的气体排放，同时保持燃料电池1执行的稳定发电。在该流程中，可估算“杂质的量”以代替“杂质浓度”。由于燃料电池1的容积是恒定的，因此浓度和量是相互成正比的。
在下面的说明书中，假定只将氮气作为杂质。这是因为氮气是影响燃料电池1的发电稳定性的最重要的因素。尽管阳极1b中的气体还含有其它杂质，例如水蒸汽，但是只要温度恒定，水蒸汽的量几乎是恒定的。因此，通过假定温度是几乎恒定的而设定预定的阈值，或者通过温度来校正阈值，水蒸汽的量可以不考虑。
在步骤S11中，ECU 10设定阳极1b中的氮气量的初始值(氮气量(初始值))和渗透的氮气量的累积值。通常，步骤S11例如在燃料电池1的操作起动时被执行。通过使用从压力计4提供的压力值(与信号S3相应的压力值)来设定氮气量的初始值。在经过一段时间后，由于燃料电池1的操作停止，燃料电池1的氢气系统中的氮气浓度几乎为100％，并且其压力与大气压相当。而且，在氢气浓度为100％的情形下(即氮气浓度为0％)，压力计4的输出值是已知的。因此，根据压力和氮气量之间的关系，可通过使用从压力计4输出的压力值来计算氢气系统中的氮气量。当燃料电池1的操作停止，并且即刻再次起动时，在最近的操作过程中得到的氮气量可被用作初始值。
渗透的氢气量是已经透过电解质膜1c而从阳极1b到达阴极1a的氢气的量。在燃料电池1的操作过程中，渗透的氢气量随着时间而增加。例如，在燃料电池1的操作起动时刻，渗透的氢气量的累积值的初始值被设为“0”。在上述步骤之后，流程进行至步骤S12。
在步骤S12中，ECU 10确定在发电过程中所消耗的氢气量，即在燃料电池1的发电过程中所消耗的氢气量(在下文中，在适当的地方被简称为“耗氢量”)。ECU 10获得由电流传感器6提供的电流值(与信号S5对应)，并且根据耗氢量和电流值(即发电量)之间的已知关系来计算耗氢量。随后，程序进行至步骤S13。
在步骤S13中，ECU 10确定由于渗透穿过电解质膜1c而已经从阳极1b移动至阴极1c的氢气量的累积值，(在下文中被称为“透氢量”)。以下将参照图3描述计算透氢量的方法。在图3中，水平轴表示燃料电池1的发电量，纵轴表示燃料电池1的温度。而且，每一条曲线A1是表示透氢量、发电量、和燃料电池1的温度之间的关系的特征曲线。即，透氢量取决于发电量和燃料电池1的温度。可从特征曲线A1看出(在下文中也称为“图A1”)，当发电量增加并且燃料电池1的温度增加时，透氢量也增加。正如上面的描述，在步骤S13中，ECU 10从电流传感器6那里得到燃料电池1的发电量，并且从温度传感器5那里得到燃料电池1的温度，以便根据所得到的值和图A1来确定透氢量。ECU 10将所确定的透氢量加入到透氢量的最近累积值中。在上述步骤之后，程序进行至步骤S14。图A1的数据被存储在ECU10或类似物的存储器中。
在步骤S14中，ECU 10计算最大允许氮气量。该最大允许氮气量是可在阳极1b中稳定地执行发电时的氮气量的最大值。即，如果阳极1b中的氮气量超过了最大允许氮气量，燃料电池1的发电将变得不稳定。以下将参照图4描述计算最大允许氮气量的方法。在图4中，水平轴表示燃料电池1的发电量，纵轴表示最大允许氮气量。图4中的每一条曲线A2是表示发电量、最大允许氮气量、和燃料电池1的温度之间的关系的特征曲线。即，最大允许氮气量同样取决于发电量和燃料电池1的温度。可从特征曲线A2看出(在下文中的适当地方也称为“图A2”)，当发电量增加时，最大允许氮气量倾向于降低。这是因为当发电量较大时，有必要增加作为杂质的氮气的排出量。而且，当燃料电池1的温度降低时，最大允许氮气量倾向于降低。这是因为当燃料电池1的温度(燃料电池组中的冷却剂温度)降低时，将更难于执行发电操作，因此，有必要增加氢气浓度。正如上面的描述，在步骤S14中，ECU 10从电流传感器6那里得到燃料电池1的发电量，并且从温度传感器5那里得到燃料电池1的温度，并且根据这些得到的值和图A2来确定最大允许氮气量。随后，程序进行至步骤S15。图A2的数据被存储在ECU 10或类似物的存储器中。
在步骤S15中，ECU 10确定最大允许氢气系统压力。该最大允许氢气系统压力是燃料电池1可允许的氢气系统的最大压力。该最大允许氢气系统压力值根据机械强度例如燃料电池1的耐久性来确定，并且一固定值可被用作该最大允许氢气系统压力。ECU 10从存储器或类似物那里读出该最大允许氢气系统压力并且使用该值。所读出的最大允许氢气系统压力可被修正以便与燃料电池系统50的状态相一致。而且，如果该最大允许氢气系统压力根据阴极侧上的空气压力和最大允许氢气系统压力之间的压力差来限定，那么可根据例如使用阴极侧上的空气压力作为参数的预定图来确定该最大允许氢气系统压力。在上述步骤完成后，程序进行至步骤S16。
在步骤S16中，ECU 10使用在步骤S12-S14中确定的值来确定氢气系统压力的上限值。该上限氢气系统压力值是阳极1中供在当前水平的发电量下稳定发电用的压力上限值。该上限氢气系统压力值可通过下述等式(1)来确定。
上限氢气系统压力值＝目标压力值+(供氢量-耗氢量-透氢量的累积值)+(最大允许氮气量-氢气量的初始值)等式(1)其中由等式(1)右边的第一项表示的“目标压力值”是由燃料电池1需要的发电量确定的值。特别地，该目标压力值根据从外部供给至ECU 10的所需发电量来确定。
而且，在该等式右边的第二项中，“供氢量”是提供至燃料电池1的氢气量(与来自流量计2的检测信号S1指示的检测值相对应)，“耗氢量”是在步骤S12中确定的值，并且“透氢量的累积值”是在步骤S13中确定的值。即，在等式(1)右边的第二项中，存在于阳极1b中的实际氢气量被确定。该氢气量被转换成压力值，并且该转换后的压力值被用作氢气量。
而且，等式(1)右边的第三项与根据阳极1b的当前状态能进一步容许的最大氮气量相一致。氮气量还被转换成压力值，并且该转换后的压力值被用作氮气量。“最大允许氮气量”是在步骤S14中确定的值。“氮气量的初始值”是在步骤S11中设定的值。在上限氢气系统压力值通过这种方式计算后，程序进行至步骤S17。
在步骤S17中，ECU 10判断由压力计4检测的压力值(相应于信号S3)，即阳极1b中的当前压力(在下文中称为“氢气系统压力值”)是否等于或大于在步骤S16中确定的上限氢气系统压力值。上限氢气系统压力值表示在阳极1b中存在氮气(杂质)量是可允许范围内的最大值的状态下得到的氢气系统压力值。因此，进行氢气系统压力值与上限氢气系统压力值之间的比较，以便判断阳极1b中的杂质浓度是否等于或大于预定浓度(杂质量是否等于或大于预定量)。
如果氢气系统压力值小于上限氢气系统压力值(步骤S17为“否”)，由ECU 10执行的程序回到步骤S12。由于阳极1b中的杂质浓度小于预定浓度，因此，额外的氢气可被提供至阳极1b，而无需打开排出阀8来排放杂质。
如果氢气系统压力值等于或大于上限氢气系统压力值(步骤S17为“是”)，那么程序进行至步骤S18。在步骤S18中，ECU 10判断氢气系统压力值是否等于或大于在步骤S15中确定的最大允许氢气系统压力。即，在步骤S18中，ECU 10判断氢气系统的当前压力是否能施加过度的力以影响燃料电池1的耐久性，即是否不可能进一步增加阳极1b中的压力。
如果氢气系统压力小于最大允许氢气系统压力(步骤S18为“否”)，则可确定燃料电池1的耐久性将不会受到氢气供给压力增加的影响。因此程序进行至步骤S19。在步骤S19中，ECU 10增加氢气系统目标值。即ECU 10向阳极1b提供额外的氢气，而无需开启排出阀8，并且由于下述原因而增加提供至氢气系统的氢气量。尽管杂质浓度超过了预定浓度，由于氢气系统压力值小于最大允许氢气系统压力，因此，燃料电池1的耐久性将不会受由于供给氢气而导致的压力增加的影响。即，在不降低燃料电池1的发电稳定性的前提下，抑制氢气系统中的不必要的气体排放是可能的。在上述步骤完成后，程序进行至步骤S12。
如果氢气系统压力值等于或大于最大允许氢气系统压力(步骤S18为“是”)，则程序进行至步骤S20。在步骤S20中，ECU 10打开排出阀8以便排放流体(例如，氢气、氮气、和阳极1b中的水)。在该情形下，杂质浓度等于或大于预定浓度，并且氢气系统压力值已经达到了最大允许氢气系统压力。因此，不可能进一步增加氢气的供应压力。因此ECU 10打开排出阀8以便排放杂质并且降低阳极1b的压力。执行该操作以便通过排放杂质来实现稳定的发电，并且防止向燃料电池1施加进一步的压力。ECU 10根据氢气系统压力值等(例如，ECU10确定阀门开启时期(占空率))来控制排出阀8。在上述步骤完成后，程序进行至步骤S21。
在步骤S21中，ECU 10重置氮气量的初始值和透氢量的累积值。特别地，ECU 10将氮气量的初始值设定为“(当前氮气量)-(氮气排放量)”，并且将透氢量的累积值设定为“0”。“氮气排放量”通过例如上述排出阀8的控制方法(例如，阀门开启时期和该阀的上游位置处的压力)来计算。在上述步骤完成后，程序进行至步骤S12。
正如上面的描述，在根据本发明的实施例中，根据燃料电池1的氢气系统的当前状态来估算杂质浓度。因此，对杂质浓度的估算精度提高了。而且，由于氢气系统中的气体供给/排放是根据该估算结果来控制的，因此有可能得到由燃料电池1执行的稳定发电，并且抑制氢气系统中的不必要的气体排放。而且，在本发明的实施例中，由于氢气系统中的气体供给/排放还根据燃料电池1的最大允许氢气系统压力来控制，因此可在不影响燃料电池1的耐久性的前提下有效地抑制氢气系统中的不必要的气体排放。因此，燃料电池1的燃料经济性被提高了。
改进示例在下文中，将描述对上述实施例的改进示例。
在上述实施例中，“氮气量”被用于估算杂质浓度等。但是，本发明不限于这一方面。可替换地，“氮气浓度”可被用于估算。而且，代替估算杂质浓度，可估算杂质量，并且可根据所估算的杂质量来执行上述控制。而且，在上述实施例中，根据假定只有氮气被认为是杂质来执行控制。可替换地，除了氮气量之外，还可考虑水蒸汽的量。在该情形中，可通过使用燃料电池系统50中的气液分离器的分离比图和氢气系统的出口温度，或它的代替值来确定水蒸汽的量。
而且，在图1所示的燃料电池系统50中，排放的氢气未被再次使用(氢气不循环)。但是，也可在包括氢气循环系统(排放的氢气被循环以便再次使用未消耗的氢气)的燃料电池系统中执行杂质浓度的估算。
而且，用于杂质浓度估算的上限氢气系统压力值可通过下面的等式(2)来计算。等式(2)优选地在透氢量相对较小时使用。
上限氢气系统压力值＝目标压力值+(供氢量-耗氢量)+(最大允许氮气量-氮气量(初始值)) 等式(2)
而且，代替根据压力值例如上限氢气系统压力值来估算杂质浓度，该杂质量可根据氢气系统中的气体量并按下面的等式(3)来估算。
当前氮气量＝(氢气系统压力值-目标压力值)+氮气量(初始值)-(供氢量-耗氢量-透氢量的累积值) 等式(3)在该情形中，ECU 10将通过等式(3)确定的“氮气量”与“最大允许氮气量”相比以控制氢气系统中的气体供给/排放。
而且，在上述实施例中，透氢量是根据图来确定的。可替换地，透氢量可使用“代表值”来计算。在该情形中，由于不必要获得用于计算透氢量的各个参数，因此处理时间变短了。但是，计算的精度可被降低了。
而且，在示于图2的控制过程中，即使是在步骤S17判断出氢气系统压力值大于上限氢气系统压力值，也即估算的杂质浓度大于预定浓度的情况下，当作为氢气系统压力值与最大允许氢气系统压力的比较的结果，在步骤S18有可能判断出进一步增加氢气供给压力时，在步骤S19中不开启排出阀8增加氢气供给压力。可替换地，代替执行步骤S18和S19，如果估算的杂质浓度大于预定浓度，程序总是会进行至步骤S20，以便打开排出阀8而排放氢气系统中的包含杂质的气体。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其特征在于包括压力获取装置(4)，用于获取燃料电池(1)的氢气系统压力；压力估算装置(10)，用于估算氢气系统中的氢气分压；和杂质浓度估算装置(10)，用于根据得到的压力和估算的压力来估算氢气系统中的杂质浓度，其中如果压力获取装置(4)得到的压力等于或大于上限氢气系统压力值，那么杂质浓度估算装置(10)估计出该杂质浓度等于或大于预定浓度，其中该上限氢气系统压力值是供燃料电池(1)稳定发电用的压力上限值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中压力估算装置(10)至少根据目标压力值、阳极(1b)中的氢气量，和最大允许氮气量来估算上限氢气系统压力值，其中该最大允许氮气量是阳极(1b)中可稳定发电时的氮气量的最大值。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于还包括装置，其用于如果杂质浓度估算装置(10)估计出该杂质浓度等于或大于预定浓度并且压力获取装置(4)得到的压力小于预定压力，则增加待供应至氢气系统的氢气量。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中预定压力是最大允许氢气系统压力，即燃料电池(1)可容许的氢气系统的最大压力。
5.根据权利要求1-4之一所述的燃料电池系统，其特征在于还包括装置(8)，用于如果杂质浓度估算装置(10)估计出该杂质浓度等于或大于预定浓度并且压力获取装置(4)得到的压力等于或大于预定压力，则排放氢气系统中的流体。
6.根据权利要求1-4之一所述的燃料电池系统，其特征在于还包括装置(8)，用于如果杂质浓度估算装置(10)估计出该杂质浓度等于或大于预定浓度则排放氢气系统中的流体。
7.根据权利要求1-6之一所述的燃料电池系统，其中压力估算装置(10)根据燃料电池(1)的耗氢量和渗透穿过燃料电池(1)的电解质膜的氢气量来估算氢气分压，并且杂质浓度估算装置(10)根据由压力获取装置(4)得到的压力、由压力估算装置(10)估算的压力以及燃料电池(1)的最大允许氮气量来估算杂质浓度。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中压力估算装置(10)根据燃料电池(1)的发电量和温度来计算渗透穿过燃料电池(1)的电解质膜的氢气量。
9.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中压力估算装置(10)根据燃料电池(1)的发电量和温度来计算最大允许氮气量。
10.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中杂质浓度估算装置(10)根据由压力获取装置(4)得到的压力、由压力估算装置(10)估算的压力、氢气系统中的氮气量，以及燃料电池(1)的最大允许氮气量来估算杂质浓度。
11.根据权利要求1-8之一所述的燃料电池系统，其中压力估算装置(10)根据供应至燃料电池(1)的氢气量和燃料电池(1)的耗氢量来估算氢气分压，并且杂质浓度估算装置(10)根据由压力获取装置(4)得到的压力、由压力估算装置(10)估算的压力、以及燃料电池(1)的最大允许氮气量来估算杂质浓度。
12.一种燃料电池系统，其特征在于包括压力获取装置(4)，用于获取燃料电池(1)的氢气系统的压力；压力估算装置(10)，用于估算氢气系统中的氢气分压；和杂质浓度估算装置，用于根据得到的压力和估算的压力来估算氢气系统中的杂质浓度。
全文摘要
一种燃料电池系统(50)包括用于获取燃料电池(1)的氢气系统(阳极(1b))压力的压力获取装置(4)，用于估算氢气系统中的氢气分压的压力估算装置(10)。而且，该燃料电池系统(50)包括用于估算氢气系统中杂质浓度的杂质浓度估算装置(10)。即，杂质浓度估算装置(10)通过考虑氢气系统的当前状态来估算杂质浓度。从而，杂质浓度估算装置(10)可精确地估算燃料电池(1)的氢气系统中的杂质浓度。
文档编号H01M8/04GK1954449SQ200580015505
公开日2007年4月25日 申请日期2005年5月12日 优先权日2004年5月14日
发明者片野刚司 申请人:丰田自动车株式会社