燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统，其涉及将添加(混入)有加臭剂的氢 供应给燃料电池的燃料电池系统。
背景技术：
以往，公开了将混入有加臭剂的氢供应给燃料电池来进行发电的技术 (例如，专利文献1)。作为燃料供应给燃料电池的氢是无味的，因而通 过在氢中混入加臭剂能够尽早发现氢的泄漏。
专利文献h日本专利文献特开2004-134273号公报。

发明内容
在将混入有加臭剂的氢供应给燃料电池来进行发电的系统中，加臭剂 以气化的状态与氢一起被供应给燃料电池。在由燃料电池消耗了氢时，在 燃料电池内，加臭剂的浓度上升。此时，如果燃料电池的温度为加臭剂的 沸点以下，则加臭剂的一部分将会凝结(液化)。因此，当燃料电池持续 温度低的状态时，恐怕凝结的加臭剂会附着在燃料电池内部而固化、堆 积。堆积的加臭剂恐怕会成为妨碍燃料电池进行适当发电的主要原因。
本发明的目的在于提供一种能够对燃料电池内堆积的加臭剂妨害燃料 电池的发电的情况进行抑制的燃料电池系统。
本发明为了解决上述问题采用了以下的构成。
艮口，本发明提供一种燃料电池系统，包括氢供应通路，将添加有加 臭剂的氢供应给燃料电池；推定单元，推定所述燃料电池内的加臭剂的堆 积；以及控制单元，在推定为所述加臭剂堆积的情况下，使所述燃料电池 升温至堆积在所述燃料电池内的加臭剂的至少一部分气化的温度。
根据本发明，在推定出燃料电池内的加臭剂堆积的情况下，燃料电池
4被升温至加臭剂的至少一部分气化的温度。由此，能够形成堆积的加臭剂 气化并可容易地排出至燃料电池外的状态。因此，能够对堆积在燃料电池 内的加臭剂妨碍燃料电池的发电的情况进行抑制。
优选的是，本发明中的所述推定单元在所述燃料电池的运转时间内对 所述燃料电池的温度不超过预定温度的时间进行计数，在该计数值超过预 定时间的情况下，推定为所述加臭剂堆积。
优选的是，在所述时间的计数过程中所述燃料电池的运转停止的情况 下，本发明中的所述推定单元保存该停止时的计数值，然后，在所述燃料 电池的运转重新开始的情况下，将保存的计数值作为初始值来重新开始所 述时间的计数。
优选的是，本发明中的所述推定单元在所述燃料电池的运转时间内计 测对所述燃料电池的氢供应量的累计值，在该氢供应量累计值达到预定值 的时刻所述燃料电池的温度未超过预定温度的情况下，推定为所述加臭剂 堆积。
优选的是，在所述氢供应量累计值的计测过程中所述燃料电池的运转 停止的情况下，本发明中的所述推定单元保存该停止时的氢供应量累计 值，然后，在所述燃料电池的运转重新开始的情况下，将保存的氢供应量 累计值作为初始值而重新开始氢供应量累计值的计测。
优选的是，本发明中的所述推定单元在所述燃料电池的运转时间内计 测所述燃料电池的发电电流累计值，在该发电电流累计值达到预定值的时 刻所述燃料电池的温度未超过预定温度的情况下，推定为所述加臭剂堆 积。
优选的是，在所述发电电流累计值的计测过程中所述燃料电池的运转 停止的情况下，本发明中的所述推定单元保存该停止时的发电电流累计 值，然后，在所述燃料电池的运转重新开始时，将保存的发电电流累计值 作为初始值而重新开始发电电流累计值的计测。
如上所述，推定单元在燃料电池的温度未上升至预定温度的状态持续 了预定时间时，或者在氢供应量累计值或发电电流累计值达到预定值的时 刻燃料电池的温度没有上升至预定温度时，能够推定加臭剂的堆积。另
5外，通过使用温度未上升至预定温度的时间、氢供应量累计值、以及发电 电流累计值不会由于燃料电池的运转停止而重置的构成，能够适当地推定 加臭剂的堆积。
优选的是，本发明中的所述控制单元当开始所述燃料电池的升温时对 所述燃料电池进行暖机，使得在预定时间内持续所述燃料电池的温度处于 所述加臭剂的至少一部分气化的温度以上的状态。这样一来，可使燃料电 池内的加臭剂适当地气化。
另外，本发明能够实现一种燃料电池内的加臭剂堆积推定装置，包 括计测燃料电池的运转时的温度的单元；以及使用计测的温度来推定与 氢一起被供应给燃料电池的加臭剂在燃料电池内的堆积的推定单元。
发明的效果
根据本发明，能够对堆积在燃料电池内的加臭剂阻碍燃料电池的发电 的情况进行抑制。


图1是表示本发明的第一实施方式的燃料电池系统的构成例的说明
图2是表示基于ECU的、基于加臭剂堆积推定的燃料电池的强制暖 机运转控制的例子(控制例l)的流程图； 图3是按照控制例1的时序图4是表示基于ECU的、基于加臭剂堆积推定的燃料电池的强制暖 机运转控制的例子(控制例2)的流程图； 图5是按照控制例2的时序图6是表示基于ECU的、基于加臭剂堆积推定的燃料电池的强制暖 机运转控制的例子(控制例3)的流程图； 图7是按照控制例3的时序图8是表示基于ECU的、基于加臭剂堆积推定的燃料电池的强制暖 机运转控制的例子(控制例4)的流程图。 标号的说明
6l..，燃料电池2'.'氢罐(高压氢罐)3..'阀
3A…调压阀
4、6、 8、 9、 11、 22…配管
5"'氢流量计(HFM)
7.'电磁阀
10'-气液分离器
12'-循环泵
13'-止回阀14.-分支管15.-排气阀
17'-空气滤清器
18'"空气压縮机(泵)19.-加湿组件20.-背压调整阀23.-散热器24."三通阀25...泵26.-旁路管28.-转换器
29'..马达30."电流计(电流传感器)
31'-电压计33. ECU
34'-非易失性存储器
36'-加热器37."温度传感器
38'-压力传感器
具体实施例方式
以下，参照

本发明的实施方式。实施方式的构成仅是例示， 本发明并非限制于实施方式的构成。 (实施方式概要)
在燃料电池系统的实施方式中，为了防止在燃料电池内堆积氢气的加 臭剂，(1)当燃料电池未在预定时间内升温至预定温度时，(2)当氢消
耗量(氢供应量)达到预定值之前燃料电池未升温至预定温度时，(3)
当发电电流累计值达到预定值之前燃料电池未升温至预定温度时，强制性 地对燃料电池进行暖机。 (燃料电池系统的构成例)
图1是表示应用本发明的燃料电池系统的构成例的图。图1所示的燃 料电池系统例如搭载于车辆。但是，本发明的燃料电池系统也可应用于定 置型的燃料电池系统。在图1中，作为燃料电池1，使用了固体高分子型
燃料电池(PEFC)。但是，可应用本发明的燃料电池并非局限于PEFC。
燃料电池1包括层叠多个单元的单元组。各单元包括固体高分子电 解质膜；从两侧夹持固体高分子电解质膜的燃料极(阳极)和空气极(氧 化剂极阴极)；以及对燃料极和空气极进行夹持的燃料极侧隔板和空气
燃料极包括扩散层和触媒层。在燃料极中，氢气和富氢气体等含氢的 燃料被燃料供应系统供应给燃料极。供应给燃料极的燃料在扩散层扩散而 到达触媒层。在触媒层中，氢被分离为质子(氢离子)和电子。氢离子经 过固体高分子电解质膜移动到空气极，电子经过外部电路移动到空气极。
另一方面，空气极具有扩散层和触媒层，空气等氧化剂气体被氧化剂 供应系统供应给空气极。供应给空气极的氧化剂气体在扩散层扩散而到达 触媒层。在触媒层中，由于氧化剂气体、经过固体高分子电解质膜到达空 气极的氢离子、经过外部电路到达空气极的电子之间的反应而生成水。上 述燃料极和空气极中进行反应时经过外部电路的电子被作为对连接在燃料 电池1的单元组的两端子之间的负载的电力来使用。在燃料电池1上连接有用于供应燃料的燃料供应/排出系统以及用于供 应及排出氧化剂的氧化剂供应/排出系统。在图1中，燃料供应/排出系统 如下构成。
艮口，作为燃料供应系统，包括贮存高压氢气的罐2;控制来自罐2 的氢供应/停止供应的阀3;调压阀3A;经由配管4与调压阀3A相连接的
氢流量计(HFM) 5;以及经由配管6与HFM 5相连接的电磁阀7。电磁 阀7经由配管8与燃料电池1的燃料入口相连接。根据这种构成，当打开 阀3时，来自罐2的氢气从阀3被送出，由调压阀3A进行压力调整后经 过配管8被供应到燃料电池1内。HFM 5对经过自身的氢气的流量进行计 测。电磁阀7对配管8进行氢气的供应/停止供应。
另一方面，燃料排出系统被如下构成。设置在燃料电池1上的燃料出 口经由配管9与气液分离器10的入口相连接。气液分离器10的出口经由 配管ll与循环泵12的入口相连接。循环泵12的出口经由止回阀13与配 管8的中间部相连接。在循环泵12和止回阀13之间连接有分支管14，分 支管14与排气阀15相连接。根据这种构成，燃料排出系统与配管8连接 构成循环通路，使得通过循环泵12的驱动使氢气在循环通路内循环。通 过电磁阀7和排气阀15的开关来调整流经循环通路的氢的浓度。另外， 从燃料电池1向配管9排出的氢气(排出气体)在经过气液分离器IO时被 除去水分。被除去的水分从未图示的排水管排出至外部。另外，在排气阀 15的下游侧连接有未图示的稀释器，经过排气阀15的氢气在由稀释器进 行稀释后释放到大气中。
另外，氧化剂供应/排出系统被如下地构成。氧化剂供应系统包括空 气滤清器17;与空气滤清器17相连接的空气压縮机(泵)18;以及与泵 18相连接的加湿组件19。加湿组件19与燃料电池1的氧化剂入口相连 接。氧化剂排出系统被如下地构成。设置在燃料电池1上的氧化剂出口与 加湿组件19相连接，加湿组件19与背压调整阀20相连接。根据这种氧化 剂供应/排出系统，通过空气压縮机18的驱动，大气中的空气(氧化剂气 体)经过空气滤清器17和空气压縮机18并由加湿组件19进行加湿后，被 供应给燃料电池1。从燃料电池1排出的氧化剂气体(空气)在经过加湿
9组件19和背压调整阀20后被排出到大气中。
图1中还示出了燃料电池1的冷却系统。冷却系统被如下地构成。配管22的一端与设置在燃料电池1上的冷却水通路的出口相连接。配管22的另一端与散热器23的入口相连接。散热器23的出口与三通阀24相连接。三通阀24具有第一入口、第二入口以及出口。第一入口与散热器23的出口相连接，第二入口经由旁路管26与配管22的中间部相连接，出口与泵25的入口相连接。泵25的出口与设置在燃料电池1上的冷却水通路的入口相连接。
根据这种冷却系统，通过泵25的驱动，从泵25送出的冷却水经过燃料电池1内的冷却水通路而被排出到配管22。在燃料电池1的温度比冷却水的温度高时，通过使燃料电池1的热量移动到冷却水中来冷却燃料电池1。排出至配管22的冷却水根据三通阀24的状态而流经经过散热器23的第一路径和经过旁路管26的第二路径中的一个，再次由泵25送出至燃料电池1。具体地说，在三通阀24的第一入口打开、第二入口关闭的状态下，配管22内的冷却水经过第一路径并且通过散热器23被冷却。与此相对，在三通阀24的第一入口关闭、第二入口打开的状态下，配管22内的冷却水将会经过第二路径，其不经过散热器23而经过旁路管26，从三通阀24的出口被送出至泵25。
三通阀24例如由电磁阀构成，通过控制信号来控制第一、第二入口的开关。但是，三通阀24还可以应用以下的构成具有感温执行装置(温度调节装置)，通过根据冷却水的温度来驱动感温执行装置，从而自动地控制第一、第二入口的开关。
图1中例示了燃料电池1的负载构成。在图1中，对于燃料电池1串联连接转换器28，由转换器28将来自燃料电池1的直流输出转换为交流输出，交流输出例如被供应给马达29，所述马达29向搭载了燃料电池系统的车辆的驱动轮传输动力。另外，在燃料电池1与转换器28之间串联连接有电流计(电流传感器)30，并且并联连接有电压计31。另外，燃料电池1与未图示的蓄电池(电池)相连接，并被构成使得剩余电力对电池进行充电。此外，图1所示的燃料电池系统包括上述的燃料供应/排出系统、氧化剂供应/排出系统、以及控制冷却系统的动作的控制系统。控制系统包括
ECU (Electronic Control Unit,电子控制单元)33。 ECU 33包括作为处理器的CPU (中央处理装置)、存储装置、非易失性存储器34、以及输入输出接口 (I/O)等，通过CPU执行存储在存储装置中的程序来控制各个系统的动作。
在图1所示的例子中，ECU 33控制燃料供应/排出系统中的阀3、调压阀3A、电磁阀7、泵12、以及排气阀15的动作。另外，ECU33控制设置在构成配管8的循环通路的部分上的加热器36的ON(开启)/OFF (关闭)。另外，ECU 33控制氧化剂供应/排出系统中的空气压縮机18和背压调整阀20的动作。另外，ECU33控制冷却系统中的泵25的动作。
另外，ECU 33被构成使得作为设置于燃料电池系统中的各种传感器的输出而输入各个系统涉及的物理量，各传感器输出(物理量)将在程序的执行时被使用。
在图l所示的例子中，设置有用于检测燃料电池1的冷却水出口附近的配管22内的冷却水温度的温度传感器37， ECU 33被构成为取得来自温度传感器37的冷却水温度而作为燃料电池1的温度(FC温度)。另外，在罐2的出口设置有检测罐2的内压的压力传感器38， ECU 33被构成为取得来自压力传感器38的传感器输出(罐内压)。另外，ECU33被构成为从HFM5取得氢气的流量。此外，ECU33被构成为输入由电流计30测定的电流值或由电压计31测定的电压值。
在以上所述的燃料电池系统的构成中，为了容易地进行氢气的泄漏
(流出)的检测而向氢气中添加加臭剂。在图l所示的例子中，罐2中忙存着添加有加臭剂的氢气。但是，还可以对配管4、 6、 8中的至少一个
(优选的是在HFM5的上游侧)供应加臭剂。此时，作为氢罐，可使用氢吸藏合金(MH)罐或者液体氢罐。
作为加臭剂，使用沸点为燃料电池1不至破损的程度的温度的物质，优选的是，使用沸点为处于燃料电池的运转温度内的温度的物质。在本实施方式中，鉴于PEFC的运转温度(小于等于80'C左右)，因而作为加臭
ii本专利文献特开2003-155488号公报。
通过燃料供应系统，将添加有饱和蒸汽压程度的加臭剂供应给燃料电池1。燃料供应系统执行氢供应通路的功能，将添加有加臭剂的氢供应给燃料电池。当在燃料电池1内在发电时消耗了氢时，加臭剂的浓度会上升。此时，当燃料电池1的温度为加臭剂的沸点以下时，加臭剂在燃料电池1内液化(结露)，恐怕不久将会固化而在燃料电池1内部附着、堆积。此时，堆积的加臭剂阻塞燃料电池1内的氢气流路或者在扩散层妨碍电极反应，恐怕将会妨碍燃料电池1的适当发电。
在ECU 33的存储装置中存储有用于抑制上述由于加臭剂的堆积引起的发电障碍的控制程序，通过执行控制程序来推定加臭剂的堆积而进行强制的暖机运转，执行用于使堆积的加臭剂气化的控制。(控制例1)
接着，对推定加臭剂的堆积而进行强制的暖机运转的第一控制例(控制例1)进行说明。控制例1的构成的概要如下所述。
(1) 包括测量燃料电池1的温度的单元(温度传感器37);测定燃料电池1的运转时间的单元(例如ECU 33);推定单元(例如ECU33)，当即使燃料电池1的运转持续进行了预定时间，而燃料电池1的温度仍未达到预定温度以上时，对加臭剂的堆积进行推定；以及控制单元
(例如ECU 33)，在推定为加臭剂堆积时，使燃料电池1强制地升温(暖机)。
(2) 在燃料电池1的温度达到了预定温度之后，强制暖机运转仍持续一定时间。
(3) 当燃料电池1的运转在达到预定温度之前结束的情况下，将结束时刻的运转时间存储到存储装置(非易失性存储器34)。在燃料电池1再次启动时，设定上一次运转结束时的运转时间作为运转时间的初始值。
图2是表示基于ECU 33的控制例1的流程图。ECU 33具有用于执行控制例1的低温定时器(第一定时器)和高温定时器(第二定时器)，并
12且被构成为将暖机标志和暖机结束标志的设定值(ON (开启)/ OFF (关闭))存储在存储装置中。此外，ECU33具有EEPROM这样的非易失性存储器34，在非易失性存储器34中存储上一次结束时(燃料电池1最终停止时)的低温定时器值。例如在车辆的点火线圈(IG)被开启(ON)并且燃料电池1启动时开始图2所示的处理。因此，ECU 33被构成使得接收IG的ON (开启)/ OFF (关闭)信号，并且将表示IG的ON/OFF的值(IG标志值)存储在存储装置中来进行管理。
在图2所示的步骤S101中，以燃料电池1的启动为契机，ECU 33将暖机标志、暖机结束标志、以及高温定时器初始化。即，将暖机标志和暖机结束标志的值设定为"OFF"并将高温定时器的初始值设定为"0"。此时，ECU 33读入存储在非易失性存储器34中的上一次结束时的低温定时器值，作为低温定时器的初始值。当非易失性存储器34中没有存储低温定时器值时，作为初始值，对低温定时器设定"0"。
在下一个步骤S102中，ECU 33开始低温定时器的累加(由低温定时器进行计时)。
在下一个步骤S103中，ECU 33判定低温定时器的值是否超过低温持续时间阈值t_LT (被预先存储在存储装置中)(步骤S103)。此时，在低温定时器值超过阈值t一LT的情况下(S103;"是")，处理进入步骤S104。在低温定时器值未超过阈值t—LT的情况下(S103;"否")，处理进入步骤S105。
在步骤S104中，ECU 33以步骤S103的条件成立为契机，将暖机标志的值设定为"ON" 。 S卩，在控制例1中，以步骤S103的条件成立为前提，推定为燃料电池1内的加臭剂堆积。
在步骤S105中，ECU 33通过温度传感器37来测定燃料电池温度(FC温度)，判定FC温度是否为FC温度阈值Ts (预先存储在了存储装置中)以上。
此时，在步骤S105的条件成立时(S105;"是")，ECU33开始高温定时器的累加(由高温定时器进行计时)(步骤S106)。然后，处理进入步骤S108。
13与此相对，在步骤S105的条件不成立时(S105;"否")，ECU 33进行高温定时器和暖机结束标志的重置(步骤S107)。即，ECU 33使高温定时器的累加停止，并将暖机结束标志的值设定为"OFF"。然后，处理进入步骤S108。
在步骤S108中，ECU 33判定高温定时器的计数值是否超过高温持续时间阈值t—HT。此时，在步骤S108的条件成立的情况下(S108;"是")ECU 33将暖机结束标志设定为"ON"(步骤S109)，使处理进入步骤SllO。在步骤S108的条件不成立的情况下(S108;"否")，处理进入步骤SllO。
在步骤S110中，ECU33判定暖机结束标志的值是否为"ON"。在步骤S110的条件成立的情况下(暖机结束标志为"ON" : S110;"是")，ECU 33将高温定时器、低温定时器、以及暖机标志重置(步骤Slll)。即，停止高温定时器和低温定时器的计时并将暖机标志的值设定为"OFF"。然后，处理进入步骤S112。在步骤S110的条件不成立的情况下(暖机结束标志为"OFF" : S110;"否")，处理进入步骤S112。
在步骤S112中，ECU 33根据暖机标志和暖机结束标志的ON/OFF状态来控制燃料电池1的运转。例如，在暖机标志为"ON"并且暖机结束标志为"OFF"的情况下，ECU33使燃料电池1强制地升温。
例如，ECU 33使燃料电池1的发电量提高。例如，ECU 33使其成为通过燃料电池1输出的电流对电池进行充电的状态。g卩，使燃料电池1的负载增加而使燃料电池1发热。
或者，ECU 33通过使安装在配管8上的加热器36或者安装在燃料电池1内部(例如隔板)上的加热器发热，来使燃料电池1升温。即，能够通过对燃料气体或燃料电池1自身进行加热来实现升温。
或者，还可以构成为对燃料电池1的燃料极(阴极)导入直接氧化剂气体，并构成为通过燃料极中的反应热量使燃料电池1升温。该情况下，虽然图1未示出，但是例如可以应用以下的构成通过氧化剂气体供应系统将供应给燃料电池1的空气极(阴极)的氧化剂气体(空气)的一部分
14导入燃料电池1的燃料极。另外，还可以应用以下的构成将流经配管8 的氢气的一部分导入空气极。
利用上述升温方法的一种以上，ECU 33实现燃料电池1的升温(暖 机)。在暖机时，ECU 33会针对冷却系统来控制三通阀24或停止泵25， 使得冷却水流经第二路径(对散热器23进行旁通的路径)，因而能够使 得燃料电池1的升温不被妨碍。
通过上述使燃料电池1的温度上升的运转(暖机运转)，燃料电池1 的温度被提高至比加臭剂的沸点(在本例中为80.7°C)高的温度。因此， 设定加臭剂的沸点以上的温度作为阈值Ts。由此，使得燃料电池l内部固 化或者堆积的加臭剂的至少一部分气化并且被氢气挤出，从而排出到燃料 电池1的外部(配管9)。此外，使得阈值Ts以上的温度持续预定的时间 t—HT，从而确保用于加臭剂气化的充足的时间。
在步骤S113中，ECU 33例如通过判定点火线圈(IG)是否变为 "OFF"(是否接收到IG的"OFF"信号)来判定是否结束燃料电池1的 运转。在步骤S113的条件成立的情况下(S113;"是")，作为上一次 结束时的值，将当前的低温定时器的值存储在非易失性存储器34中(步 骤S114)，结束处理。与此相对，在步骤S113的条件不成立的情况下 (S113;"否")，返回步骤S102继续处理。
图3是按照控制例1的时序图，时序性地并列示出了标志(IG标志、 暖机标志、暖机结束标志)、低温和高温定时器的时间计数值、以及燃料 电池1的温度(FC温度)。
在图3中，当在时刻tl使IG标志为"ON"而启动燃料电池1时，开 始低温定时器的计数(计时)(S102)。然后，当FC温度Tfc由于燃料 电池1的发电而上升，并且在时刻t2超过阈值tS时(S105的"是")， 高温定时器开始计数(计时)(S106)。
然后，当高温定时器的计数值不超过阈值t_HT的期间内FC温度Tfc 低于阈值Ts时(时刻t3: S105的"否")，高温定时器被重置 (S107)。
然后，当在时刻t4低温定时器的计数值超过阈值t LT时(S103的
15"是")，推定为燃料电池1内的加臭剂固化和堆积，为了使所述加臭剂
气化，将暖机标志设定为"ON" (S104)。于是，ECU 33根据暖机标志 为"ON"而进行使FC温度Tfc强制性上升的控制(暖机运转控制)。在 暖机标志为"ON"的期间内持续进行暖机运转控制。
由此，当FC温度Tfc上升并成为阈值Ts以上时(时刻t5: S105的 "是")，开始高温定时器的计数(S106)。当高温定时器的计数值超过 阈值t一HT时(时刻t6: S108的"是")，暖机结束标志被设定为"ON" (S109)，低温及高温定时器被重置并且暖机标志被设定为"OFF" (Sill)。通过试验等求出用于使堆积在燃料电池1内的加臭剂气化的充 足的时间，设定为阈值t一HT的长度。
然后，当在时刻t7， FC温度Tfc低于阈值Ts时(S105的"是")， 暖机结束标志被设定为"OFF" (S107)，经由步骤S108、 SllO、 S112、 S113，再次开始低温定时器的计数(S102)。然后，当在时刻t8低温定时 器的计数值超过阈值t一LH之前，在步骤S113中判定IG为"OFF"(燃料 电池1停止)时，ECU 33将此时的低温定时器的计数值存储在非易失性 存储器34中(步骤S114)。
然后，在时刻t9，当IG再次被设为"ON"时，存储在非易失性存储 器34中的低温定时器的计数值被设定为低温定时器初始值(S101)。 即，只要暖机结束标志没有变为"ON"，即使燃料电池l停止，低温定时 器的计数值也不会被重置。因此，即使在FC温度Tfc高于阈值Ts之前停 止燃料电池1，在燃料电池1内滞留的加臭剂在燃料电池1内固化时，也 可使所述加臭剂尽早气化并从燃料电池1中排出。
根据控制例1，在燃料电池1的运转状态下，当比预定时间(阈值 t_LT)更长地持续FC温度Tfc低于预定温度(阈值Ts)的低温状态时， 无论在此期间是否包括燃料电池1的停止时间，均推定为加臭剂堆积，进 行强制性的暖机运转。由此，能够使燃料电池1内液化或固化的加臭剂气 化而排出到燃料电池1夕卜。因此，能够抑制燃料电池1内堆积的加臭剂妨 碍发电的问题。
另外，在强制暖机运转中，通过使FC温度Tfc处于加臭剂的沸点以
16上的时间持续一定时间(阈值t—HT)，从而能够使燃料电池1中液化或固 化的加臭剂适当地气化。
另外，低温定时器的计数值不会由于燃料电池1的停止而重置，在累 积的低温定时器的计数值(计数值的累计值)达到预定时间(阈值t—LT) 时，执行强制暖机运转。因此，例如，即使在车辆的使用者使用反复进行 短距离的车辆运转(短程运转)的车辆(燃料电池)时，也能够掌握(算 出)未达到预定温度(阈值Ts)的运转时间，因而可使燃料电池1内液化 或固化的加臭剂气化来抑制堆积。 (控制例2)
接着，对于基于ECU 33的、推定加臭剂的堆积而进行强制的暖机运 转的第二控制例(控制例2)进行说明。控制例2的构成的概要如下所 述。(1)包括测量燃料电池的温度的单元(例如温度传感器37);计 测供应给燃料电池的氢量(氢供应量)的单元(例如HFM5或压力传感器 38);推定单元(例如ECU33)，在即使供应了预定的氢量而燃料电池l 仍未达到预定温度(阈值Ts)以上的情况下，推定为加臭剂堆积；以及控 制单元(ECU 33)，在推定为加臭剂堆积时，使燃料电池l强制地升温。 (2)与控制例1相同，在燃料电池1的温度达到预定温度之后，强制的 暖机运转仍然持续一定时间(暖机运转持续进行时间t_HT) 。 (3)在达 到预定温度(阈值Ts)之前燃料电池1的运转结束的情况下，将结束时的 氢供应量存储在存储装置(非易失性存储器34)中，在再次启动时，将上 一次运转结束时的氢供应量设定为氢供应量的初始值。
图4是表示基于ECU 33的控制例2的流程图。ECU 33具有用于执行 控制例2的高温定时器(第二定时器)，并且被构成为将暖机标志和暧机 结束标志的设定值(ON/OFF)和氢供应量(供应给燃料电池1的氢的累 计值)存储在存储装置中。此外，ECU 33的非易失性存储器34中存储有 上一次结束时(燃料电池1最终停止时)的氢供应量。例如在车辆的点火 线圈(IG)被开启(ON)并且燃料电池1启动时开始图4所示的处理。因 此，ECU 33被构成为接收IG的ON/OFF信号并且将表示IG的ON/OFF 的值(IG标志值)存储在存储装置中来进行管理。控制例2包括与控制例l相同的处理，因而主要说明不同的处理。
当IG变为"ON"，燃料电池1启动，开始图4所示的处理时，暖机 标志、暖机结束标志、高温定时器被初始化。作为氢供应量的初始值，读 取存储在非易失性存储器34中的上一次结束时的氢供应量(步骤 S201)。
在下一个步骤S202中，ECU 33累计氢供应量。在使用氢流量计 (HFM 5)的情况下，ECU 33通过对HFM 5的计测值进行时间积分来得 到氢供应量的累计值。累计值被存储在构成ECU 33的存储装置上。
在下一个步骤S203中，ECU 33判定氢供应量是否超过氢供应量阈值 M_H2。在步骤S203的条件成立的情况下(S203的"是")，ECU 33使 暖机标志为"ON"(步骤S104)。在步骤S203的条件不成立的情况下 (S203;"否")，处理进入步骤S105。如上所述，在控制例1中，以步 骤S203的条件成立来推定燃料电池1内的加臭剂的堆积。
步骤S105 S110的处理是与控制例1 (图2)相同的。S卩，在步骤 S105中判定FC温度Tfc是否为预定温度(阈值Ts)以上。在FC温度Tfc 为阈值Ts以上时，开始高温定时器的计数(S106)，在FC温度Tfc小于 阈值Ts时，高温定时器被重置并且暖机结束标志被设为"OFF" (S107)。另外，在步骤S108中判定高温定时器的计数值是否超过一定 时间(阈值t—HT)，在超过阈值t—HT时，暖机结束标志被设定为"ON" (S109)，在步骤S110中判定暖机结束标志是否为"ON"。
在步骤S110中判定暖机结束标志为"ON"时(S110的"是")，高 温定时器和氢供应量被重置且暖机标志被设定为"OFF"(步骤S211)。
在步骤S112中，与控制例l相同，ECU 33根据暖机标志和暖机结束 标志的ON/OFF状态来控制燃料电池1的运转。此时，在暖机标志为 "ON"并且暖机结束标志为"OFF"时，ECU 33通过控制例1中示出的 方法使燃料电池1强制地升温。
然后，ECU 33例如以IG是否为"OFF"的判定为条件，来判定是否 结束燃料电池1的运转(步骤S113)。在不结束燃料电池1的运转的情况 下(S113的"否")，处理返回步骤S202而继续处理。与此相对，在结
18束燃料电池1的运转的情况下(S113的"是")，将当前的氢供应量的值 存储在非易失性存储器34中(步骤S214)，结束图4的处理。
图5是按照控制例2的时序图，时序性地并列示出了标志(IG标志、 暖机标志、暖机结束标志)、高温定时器的定时计数值、氢供应量(例 如，HFM5的计测值的累计值)、以及燃料电池l的温度(FC温度)。
在图5中，当IG标志在时刻tl被设为"ON"并且燃料电池1启动 时，开始氢供应量的计测(S202)。然后，当FC温度Tfc由于燃料电池l 的发电而上升，并在时刻t2超过阈值Ts时(S105的"是")，高温定时 器开始计数(S106)。
然后，当在高温定时器的计数值未超过阈值t一HT的期间内FC温度 Tfc小于阈值Ts时(时刻t3: S105的"否")，高温定时器被重置 (S107)。
然后，当在时刻t4氢供应量超过阈值M—H2时(S203的"是")， 推定为燃料电池1内的加臭剂堆积，为了使所述加臭剂气化，暖机标志被 设定为"ON" (S104)。于是，ECU33根据暖机标志为"ON"，进行使 FC温度Tfc强制地上升的控制(暖机运转控制)。在暖机标志为"ON" 的期间，持续进行暖机运转控制。
因此，当FC温度Tfc上升并成为阈值Ts以上时(时刻t5: S105的
"是")，开始高温定时器的计数(S106)。当高温定时器的计数值超过 阈值t—HT时(时刻t6: S108的"是")，暖机结束标志被设定为"ON"
(S109)，氢供应量和高温定时器被重置，并且暖机标志被设定为
"OFF" (S211)。对于阈值t_HT的长度，通过试验等求出用于使堆积 在燃料电池1内的加臭剂气化的充足的时间。
然后，当在时刻t7温度Tfc小于阈值Ts时(S105的"是")，暖机 结束标志被设定为"OFF" (S107)，经由步骤S108、 SllO、 S112、 S113，再次开始氢供应量的计测(S202)。然后，在时刻t8，当在氢供应 量大于阈值M—H2之前在步骤S113中判定IG为"OFF"(燃料电池1停 止)时，ECU 33将此时的氢供应量存储在非易失性存储器34中
(S214)。
19然后，当IG在时刻t9被再次开启(ON)时，存储在非易失性存储器34 中的氢供应量被作为初始值来设定(S201)。即，只要暖机结束标志未变 为"ON"，即使燃料电池l停止，氢供应量也不会被重置。因此，即使在 FC温度Tfc高于阈值Ts之前停止燃料电池1，当燃料电池1内滞留的加臭 剂在燃料电池1内固化时，也可使所述加臭剂尽早气化并从燃料电池1中 排出。
根据控制例2，在燃料电池1的运转状态下，在氢供应量超过阈值 M_H2的时刻，在FC温度Tfc小于预定温度(阈值Ts)(未成为阈值Ts 以上)的情况下，无论在此期间是否包括燃料电池1的停止时间，均推定 为加臭剂堆积而进行强制暖机运转。由此，能够将燃料电池1内液化或固 化的加臭剂气化而排出到燃料电池1夕卜。因此，能够抑制燃料电池1内堆 积的加臭剂妨碍发电的问题。
另外，在强制暖机运转中，通过使FC温度Tfc处于加臭剂的沸点以 上的时间持续一定时间(阈值t—HT)，从而能够使燃料电池1中液化或固 化的加臭剂适当地气化。
另外，氢供应量不会由于燃料电池1的停止而重置，在氢供应量达到 预定量(阈值M一H2)时，执行强制暖机运转。因此，例如，即使在车辆 的使用者使用反复进行短距离的车辆运转(短程运转)的车辆(燃料电 池)时，也能够掌握未达到预定温度(阈值Ts)的运转时间，可使燃料电 池1内液化或固化的加臭剂气化来抑制堆积。
在上述控制例2中，说明了在氢量的计测中使用氢流量计(HFM) 5 的情况。但是，在图1所示的系统这样使用高压氢罐(氢罐3)的情况 下，还可以使用以下的构成通过压力传感器38来计测氢罐3内的压力 变化，并且ECU 33根据该压力变化(压力降低部分)算出氢供应量。 (控制例3)
接着，对于基于ECU 33的、推定为加臭剂堆积而进行强制暖机的第 三控制例(控制例3)进行说明。控制例3的构成的概要如下所述。(1) 包括测量燃料电池1的温度的单元(例如温度传感器37);测量燃料电 池的发电电流的单元(例如电流计30);推定单元(例如ECU 33)，在
20即使发电电流的累计值(积分值)超过预定值而燃料电池1的温度(FC温
度)仍未达到预定温度以上的情况下，推定为加臭剂堆积；以及控制单元 (ECU 33)，在推定为加臭剂堆积时，使燃料电池1强制性地升温。 (2)与控制例1相同，在燃料电池1的温度达到预定温度之后，强制的 暖机运转仍持续一定时间。(3)在达到预定的发电电流累计值之前燃料 电池1的运转结束的情况下，将结束时的发电电流累计值存储在存储装置 (例如非易失性存储器34)中。在燃料电池l再次启动时，将上一次运转 结束时的发电电流累计值设定为发电电流累计值的初始值。
图6是表示基于ECU 33的控制例3的流程图。ECU 33具有用于执行 控制例3的高温定时器(第二定时器)，并且被构成为将暖机标志和暖机 结束标志的设定值(ON/OFF)和燃料电池1的发电电流累计值(电流累 计值)存储在存储装置中。此外，在ECU33的非易失性存储器34存储有 上一次结束时(燃料电池1最终停止时)的发电电流累计值。例如在车辆 的点火线圈(IG)被开启(ON)并且燃料电池1启动时开始图6所示的处 理。因此，ECU 33被构成为接收IG的ON/OFF信号并且将表示IG的 ON/OFF的值(IG标志值)存储在存储装置中来进行管理。控制例3包括 与控制例l相同的处理，因而主要说明不同的处理。
当IG被设定为"ON"，燃料电池1启动，开始图6所示的处理时， ECU33将暖机标志、暖机结束标志、高温定时器初始化。ECU33读取存 储在非易失性存储器34中的上一次结束时的电流累计值，作为电流累计 值的初始值(步骤S301)。
在下一个步骤S302中，ECU 33累计发电电流(步骤S302)。艮P， ECU 33算出通过电流计30计测的电流值的积分值(电流累计值)并存储 在存储装置中。
接着，ECU33判定电流累计值是否超过电流累计值阈值Q—fc (步骤 S303 )。此时，在电流累计值超过阈值Q一fc的情况下(S303的 "是")，暖机标志被设为"ON"(步骤S104)。如上所述，在控制例 3中，以步骤S303的条件成立为前提，推定为加臭剂堆积。与此相对，在 电流累计值未超过阈值Q—fc的情况下(S303的"否")，处理进入步骤S105。
步骤S105 S110的处理是与控制例1相同的。S卩，在步骤S105中判定FC温度Tfc是否为预定温度(阈值Ts)以上。在FC温度Tfc为阈值Ts以上时(S105的"是")，开始高温定时器的计数(S106)，在FC温度Tfc小于阈值Ts时(S105的"否")，高温定时器被重置并且暖机结束标志被设为"OFF" (S107)。另外，在步骤S108中判定高温定时器的计数值是否超过一定时间(阈值t—HT)，在超过阈值t—HT时(S108的
"是")，暖机结束标志被设定为"ON" (S109)，在步骤S110中判定暖机结束标志是否为"ON"。
在步骤S110的条件成立的情况下，ECU 33将高温定时器、暖机标志、电流累计值进行重置(步骤S311)。另外，与控制例1相同，ECU33根据暖机标志、暖机结束标志的ON/OFF状态来控制燃料电池1的运转
(步骤S112) 。 B卩，如果暖机标志为"ON"，则通过与控制例1相同的方法进行强制暖机运转。另外，与控制例l相同，ECU33在步骤S113中判定是否结束燃料电池1的运转(步骤S113)。
在步骤S113的条件成立的情况下(S113的"是")，ECU33将电流累计值存储在非易失性存储器34中(步骤S314)，结束图6的处理。在步骤S113的条件不成立的情况下(S113的"否")，处理返回步骤S302而继续处理。
图7是按照控制例3的时序图，时序性地并列示出了标志(IG标志、暖机标志、暖机结束标志)、高温定时器的定时器计数值、电流累计值、以及燃料电池l的温度(FC温度)。
在图7中，当IG标志在时刻tl被设为"ON"，燃料电池1启动时，开始电流累计值的计测(S302)。然后，当FC温度Tfc由于燃料电池1的发电而上升，并且在时刻t2超过阈值Ts时(S105的"是")，高温定时器开始计数(S106)。
然后，当在高温定时器的计数值未超过阈值t一HT的期间内FC温度Tfc小于阈值Ts时(时刻t3: S105的"否")，高温定时器被重置(S107)。
22然后，当在时刻t4电流累计值超过阈值Q—fc时(S303的"是")，推定为燃料电池1内加臭剂堆积，为了使所述加臭剂气化，暖机标志被设定为"ON" (S104)。于是，ECU 33根据暖机标志为"ON"，进行使FC温度Tfc强制地上升的控制。在暖机标志为"ON"的期间，持续进行暖机运转控制。
由此，当FC温度上升并成为阈值Ts以上时(时刻t5: S105的"是")，开始高温定时器的计数(S106)。当高温定时器的计数值超过阈值t—HT时(时刻t6: S108的"是")，暖机结束标志被设定为"ON"(S109)，电流累计值和高温定时器被重置，并且暖机标志被设定为"OFF" (S311)。对于阈值t—HT的长度，通过试验等求得用于使堆积在燃料电池1内的加臭剂气化的充足的时间。
然后，在时刻t7，当FC温度Tfc小于阈值Ts时(S105的"是")，暖机结束标志被设定为"OFF" (S107)，经由步骤S108、 SllO、 S112、S113，再次开始电流累计值的计测(S302)。然后，在时刻t8，在电流累计值大于阈值Q—fc之前，当在步骤S113中判定IG为"OFF"(燃料电池1停止)时，ECU 33将此时的电流累计值存储在非易失性存储器34中(S314)。
然后，在时刻t9，在IG被再次设为"ON"时，存储在非易失性存储器34中的电流累计值被设定作为初始值(S301) 。 S卩，只要暖机结束标志未变为"ON"，即使燃料电池1停止，电流累计值也不会被重置。因此，即使在FC温度Tfc高于阈值Ts之前停止燃料电池1，在燃料电池1内滞留的加臭剂在燃料电池1内固化的情况下，也可使上述加臭剂尽早气化并从燃料电池l中排出。
根据控制例3，在燃料电池1的运转状态下，在电流累计值超过阈值Q_fc的时刻，在FC温度Tfc小于预定温度(阈值Ts)(未达到阈值Ts以上)的情况下，无论在此期间是否包括燃料电池1的停止时间，均进行强制的暖机运转。由此，能够将燃料电池1内液化或固化的加臭剂气化而排出到燃料电池1夕卜。因此，能够抑制燃料电池1内堆积的加臭剂妨碍发电的问题。
23另外，通过使FC温度Tfc处于加臭剂的沸点(阈值Ts)以上的时间持续一定时间(阈值tJTT)，从而能够使燃料电池1中液化或固化的加臭剂适当地气化。
另外，电流累计值不会由于燃料电池1的停止而重置，在电流累计值达到预定量(阈值(^fc)时，执行强制暖机运转。由此，例如，即使在车辆的使用者使用反复进行短距离的车辆运转(短程运转)的车辆(燃料电池)时，也能够掌握未达到预定温度(阈值Ts)的运转时间，可使燃料电池1内液化或固化的加臭剂气化来抑制堆积。
此外，可以通过燃料电池1内的氢渗逸量或者来自燃料电池1的氢排放量对上述控制例3中计测的电流累计值进行校正。这样一来，能够提高电流累计值的精度，进而执行基于正确的电流累计值的强制暖机运转。(控制例4)
作为基于加臭剂堆积推定的强制暖机运转的控制例4，可以对上述的控制例1、控制例2、以及控制例3进行组合。图8是表示在组合了控制例1与控制例3的情况下(控制例4)的ECU33的处理的流程图。作为用于执行控制例4的构成，可使用上述的用于执行实施例1、 3的构成。
当车辆的IG变为"ON"，燃料电池1启动时，开始图8所示的处理。在启动燃料电池1时，ECU 33将暖机标志、暖机结束标志、高温定时器初始化。另外，ECU33读入存储在非易失性存储器34中的上一次结束时的各个值，作为低温定时器和电流累计值的初始值(步骤S401)。
在步骤S402中，ECU 33累计发电电流并开始低温定时器的计数。在步骤S403中，判定电流累计值是否超过电流累计值阈值M—H2或者低温定时器是否超过低温持续时间阈值t_LT (步骤S403)。在步骤S403的条件成立的情况下，ECU33使暖机标志为"ON"(步骤S104)。以下，步骤S105 S110的处理是与控制例1及3相同的。
在步骤S110的条件成立的情况下(S110的"是")，ECU33将高温定时器、低温定时器、电流累计值进行重置，并且将暖机标志设定为"OFF"(步骤S411)。另外，与控制例l和控制例3相同，根据暖机标志、暖机结束标志的ON/OFF状态来控制燃料电池1的运转(步骤S112)，并且根据需要来进行强制暖机运转。
另外，ECU 33判定是否结束燃料电池1的运转(步骤S113)，在步骤S113的条件成立的情况下，将电流累计值和低温定时器的计数值存储在非易失性存储器34中(步骤S414)。在步骤S113的条件不成立的情况下，返回步骤S302而继续处理。
根据控制例4，能够得到控制例1 3所说明的作用效果。此外，根据控制例4，在供应给燃料电池1的氢的加臭剂的浓度管理不充分，加臭剂的浓度高的状态下进行供应的情况下，如果继续小电流发电，则恐怕在达到预想的电流累计阈值之前在燃料电池1内加臭剂将会过多地堆积，会对发电产生妨害。此时，通过基于低温下发电的时间施加防护(进行基于低温定时器计数值的强制暖机运转)，能够避免该问题。
另外，控制例4即使在由燃料电池1的单元间的流量偏差引起的单元间的加臭剂的堆积量的偏差中存在仪器误差的情况下，也可通过施加时间的防护(进行基于低温定时器计数值的强制暖机运转)来有效地抑制加臭剂的过多堆积。
此外，作为控制例4，还能够进行基于控制例1与控制例2的组合的强制暖机运转的控制。另外，也可以组合控制例2与控制例3、以及组合控制例l、 2、 3来进行强制暖机运转。(其他)
在本实施方式中，对可选择控制例1 4中任一个执行的燃料电池系统的构成例(图1)进行说明。燃料电池系统被构成为能够执行控制例i 4中至少一个。在仅通过控制例1来执行的情况下，例如可以从图1所示的结构中省去HFM 5、压力传感器38、以及电流计30。另外，在仅通过控制例2来执行的情况下，可以从图l所示的结构中省去电流计30。另外，可以省去HFM和压力传感器中的一个。另外，在仅通过控制例3来执行的情况下，可省去HFM5和压力传感器38。
另外，在图l中虽然示出了用于加热配管8的加热器36，但作为对燃料电池1进行强制暖机的方法，在不使用对供应给燃料电池1的燃料气体进行加热的情况下，可以省去加热器36。
权利要求
1. 一种燃料电池系统，包括氢供应通路，将添加有加臭剂的氢供应给燃料电池；推定单元，推定所述燃料电池内的加臭剂的堆积；以及控制单元，在推定为所述加臭剂堆积的情况下，使所述燃料电池升温至堆积在所述燃料电池内的加臭剂的至少一部分气化的温度。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述推定单元在所述燃料电池的运转时间内对所述燃料电池的温度不 超过预定温度的时间进行计数，在该计数值超过预定时间的情况下，推定 为所述加臭剂堆积。
3. 根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，在所述时间的计数过程中所述燃料电池的运转停止的情况下，所述推 定单元保存该停止时的计数值，然后，在所述燃料电池的运转重新开始的 情况下，将保存的计数值作为初始值来重新开始所述时间的计数。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述推定单元在所述燃料电池的运转时间内计测对所述燃料电池的氢供应量的累计值，在该氢供应量累计值达到预定值的时刻所述燃料电池的 温度未超过预定温度的情况下，推定为所述加臭剂堆积。
5. 根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，在所述氢供应量累计值的计测过程中所述燃料电池的运转停止的情况 下，所述推定单元保存该停止时的氢供应量累计值，然后，在所述燃料电 池的运转重新开始的情况下，将保存的氢供应量累计值作为初始值而重新 开始氢供应量累计值的计测。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述推定单元在所述燃料电池的运转时间内计测所述燃料电池的发电电流累计值，在该发电电流累计值达到预定值的时刻所述燃料电池的温度 未超过预定温度的情况下，推定为所述加臭剂堆积。
7. 根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，在所述发电电流累计值的计测过程中所述燃料电池的运转停止的情况 下，所述推定单元保存该停止时的发电电流累计值，然后，在所述燃料电 池的运转重新开始时，将保存的发电电流累计值作为初始值而重新开始发 电电流累计值的计测。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述控制单元当开始所述燃料电池的升温时对所述燃料电池进行暖机，使得所述燃料电池的温度处于所述加臭剂的至少一部分气化的温度以 上的状态持续预定时间。
9. 一种燃料电池内的加臭剂堆积推定装置，包括 温度计测单元，计测燃料电池运转时的温度；以及推定单元，使用计测的温度来推定与氢一起被供应给所述燃料电池的 加臭剂在所述燃料电池内的堆积。
全文摘要
一种燃料电池系统，包括氢供应通路，将添加有加臭剂的氢供应给燃料电池；推定单元，对燃料电池内的加臭剂的堆积进行推定；以及控制单元，在推定为加臭剂堆积的情况下，使所述燃料电池升温至堆积在燃料电池内的加臭剂的至少一部分气化的温度。
文档编号H01M8/06GK101501911SQ20078002926
公开日2009年8月5日 申请日期2007年8月8日 优先权日2006年8月9日
发明者广濑雄彦, 末松启吾, 松叶充司, 横山龙昭, 渡边修夫 申请人:丰田自动车株式会社