燃料电池系统和燃料电池系统控制方法

专利名称：燃料电池系统和燃料电池系统控制方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统和燃料电池系统控制方法。
背景技术：
日本专利申请公开2005-353569 (JP-A-2005-353569 )描述了 一种适 于在其正常运行模式下不排放燃料气体运行的燃料电池系统(在下文称为 "阳极闭端型燃料电池系统，，)。在阳极闭端型燃料电池系统中，随着系统 继续运行，包括氮气和水的杂质累积在各个燃料电池的气体通道中。
如果各个燃料电池的膜电极组合件的表面被这类杂质覆盖，则其
干扰各个燃料电池的电极的催化部分处的起电反应，导致电压降低。而 且，对起电反应的这种干扰产生异常电势，其可使膜电极组合件劣化。 因此，在常规的阳极闭端型燃料电池系统中，及时打开气体排放阀以将
4。 ^ i
此外，当燃料电池系统正在启动时，如果气体通道中存在过量杂 质，则它可能干扰燃料电池系统的发电，并可使燃料电池系统的某些部 分劣化。因此，在常规的燃料电池系统中，在燃料电池开始发电之前通 过打开排气阀吹扫阳极气体通道除去阳极气体通道中的杂质。
同时，在一些情况下，当上次关闭燃料电池系统时留在阳极气体 通道中的燃料气体保留在阳极气体通道中，直到下次启动燃料电池系 统。这种残余气体的量取决于上次关闭燃料电池系统时燃料电池系统的 运行状态、和运行停止期间燃料电池系统的状态等，因此，每次启动燃 料电池系统时残余气体的量可不同。特别地，在阳极闭端型燃料电池系 统中，阳极气体通道中燃料气体浓度的分布根据各种因素(包括供给到 燃料电池的燃料气体的流量)而不同。因此，在燃料电池系统关闭时留 在阳极气体通道中的燃料气体的量取决于在关闭燃料电池系统之前即 刻的燃料气体供给到燃料电池的速率(流量)。如果在阳极气体通道中存在杂质和燃料气体时吹扫阳极气体通 道，则燃料气体不可避免地与杂质一起排放到燃料电池系统外部。因此， 如果在阳极气体通道中留有相对大量的燃料气体时吹扫阳极气体通道，
则未用于发电的不必要地排放的燃料气体的量相应增加。然而，考虑到 改善燃料的经济性，应尽可能地避免这种燃料气体的浪费。

发明内容
本发明涉及在使不可避免地排放的燃料气体的量最小化的同时开 始燃料电池发电的燃料电池系统，还涉及用于控制这种燃料电池系统的 方法。
本发明的第一方面涉及燃料电池系统，其具有燃料电池，所述
和供给到所述阴极的空气发电；气体排放机构，所述气体排放机构设置
请求吹扫所述阳极中的所述气体通道；浓度获得装置，所述浓度获得装 置用于获得所述阳极中的所述气体通道中的燃料气体的浓度；比较装 置，所述比较装置用于在使所述燃料电池开始发电的请求被发出之后比 较由所述浓度获得装置获得的燃料气体浓度和参考值；和控制装置，所 述控制装置用于在使所述燃料电池开始发电的请求被发出之后基于所 述比较装置的比较结果选择第一启动控制和第二启动控制中的一种并 执行所选择的启动控制，所述第一启动控制为在吹扫所述阳极中的所述 气体通道之后使所述燃料电池开始发电，所述第二启动控制为在不吹扫 所述阳极中的所述气体通道的情况下使所述燃料电池开始发电。
根据上述燃料电池系统，在所述燃料电池系统启动期间，将所述 阳极中的所述气体通道中的燃料气体浓度与参考值相比较，以确定同一 气体通道中燃料气体的量是否足以使燃料电池开始发电。然后，基于该 确定结果，在其中在燃料电池开始发电之前吹扫所述阳极中的所述气体 通道的模式和其中在不吹扫所述阳极中的所述气体通道的情况下使所 述燃料电池开始发电的模式之间切换启动模式。根据该方法，因为只在 已确定燃料气体浓度不足以使燃料电池开始发电时才进行吹扫，所以在 不进行吹扫就可使燃料电池开始发电的状态下不必排放燃料气体。这 样，可以在使不可避免地排放的燃料气体的量最小化的同时使燃料电池开始发电。
上述燃料电池系统还可以包括用于在所述燃料电池的发电期间将 燃料气体供给到所述阳极中的所述气体通道的燃料供给装置，并且可以
为所述气体排放机构能够可变地调节气体排放速率并适于在需要时以 气体排放模式运行，在所述气体排放模式中，与燃料气体在所述阳极中
的所述气体通道中消耗的速率相比，以低的速率将气体排放到所述燃料 电池系统的外部，和在所述第二启动控制中，在不吹扫所述阳极中的所 述气体通道的情况下使所述燃料电池开始发电之后，所述控制装置将所 述气体排放机构置于所述气体排放模式。
根据上述结构，在所述燃料电池系统启动期间，在其中在燃料电 池开始发电之前吹扫所述阳极中的所述气体通道的模式和其中在不进 行吹扫的情况下使所述燃料电池开始发电然后在所述气体排放模式下 开始排放所述阳极中的所述气体通道中的气体的模式之间切换启动模 式。这样，在所述燃料电池系统启动时所述阳极中的所述气体通道中存 在残余杂质的状态下，根据所述阳极中的所述气体通道中的燃料气体浓 度适当地选择排放所述杂质的方法和时刻。这样，可以在使不可避免地 排放的燃料气体的量最小化的同时启动所述燃料电池系统。
此外，上述燃料电池系统可以为在所述第二启动控制中，所述 控制装置在将所述气体排放机构置于所述气体排放模式之后，执行更高 速率的气体排放控制，在所述更高速率的气体排放控制中，所述气体排 放机构以比所述气体排放模式的正常气体排放速率高的气体排放速率 工作预定时间。
根据上述结构，在所述燃料电池系统的启动期间可以更可靠地防 止燃料气体的不足。为了使不可避免地排放的氢的量最小化，所述气体 排放模式的所述正常气体排放速率比所述燃料电池中发电消耗燃料气 体的速率低。另一方面，如果在残余杂质留在所述阳极中的所述气体通 道中的情况下燃料电池开始发电，则在所述气体通道下游侧杂质浓度随 后增加。为了防止这种现象，在这种残余杂质的量倾向于大的状态下， 增加所述气体排放速率以迅速排出杂质。这样，可以在使不可避免地排 放的氢的量最小化且确保迅速排出杂质的同时，启动燃料电池系统。此外，上述燃料电池系统还可以包括设定装置，所述设定装置用 于基于由所述浓度获得装置获得的燃料气体浓度设定所述气体排放机 构的气体排放速率以用于所述更高速率的气体排放控制。
根据上述结构，当在燃料电池开始发电之后需要增加气体排放速 率以迅速排出杂质时，所述气体排放速率可准确地增加至与所述阳极中 的所述气体通道中的燃料气体浓度相对应的量。
本发明的第二方面涉及燃料电池控制方法，其包括获得燃料电 池的阳极中的气体通道中的燃料气体的浓度；确定所获得的燃料气体浓 度是否低于参考值；如果所获得的燃料气体浓度低于所述参考值，则在 吹扫所述阳极中的所述气体通道之后使所述燃料电池开始发电；如果所 获得的燃料气体浓度不低于所述参考值，则在不吹扫所述阳极中的所述 气体通道的情况下使所述燃料电池开始发电。


参照附图，从以下实施方案的说明中，本发明的前述和其它目的、 特征和优点将变得明显，附图中类似的附图标记用于表示类似的要素/ 元件，其中
图l是示意性示出根据本发明第一示例性实施方案的燃料电池系统 的结构的图2是示意性示出每个燃料电池内部结构并示出燃料电池系统运行 期间在燃料电池中发生的情况的图3是代表阳极气体通道中的氢浓度分布和燃料电池单元的输出电 流之间的关系的图4A和图4B是示出第一示例性实施方案的燃料电池系统的启动 操作的图5是表示计算结果的图，该结果表示燃料电池开始发电时阳极气 体通道中的氢浓度分布；和
图6是代表在第一示例性实施方案的燃料电池系统中执行的控制程序的流程图。
具体实施例方式
图1示意性示出根据本发明第一示例性实施方案的燃料电池系统
的结构。该燃料电池系统在燃料电池单元2处发电，并且将所产生的电供 给到各种负载(例如电动机)。燃料电池单元2是由多个相互堆叠的燃料电 池构成的燃料电池堆。每个燃料电池由一对集电器板和插入所述集电器板 之间的膜电极组合件构成，所述集电器板和膜电极组合件均未在图中示 出。膜电极组合件由固体聚合物电解质膜、整体式设置在所述固体聚合物 电解质膜的两侧上的催化剂部、和M式设置在所述各催化剂部外侧上的 气体扩散层构成。各集电器板还用作将两个相邻膜电极组合件隔开的隔离 器。各燃料电池利用供给到阳极的氢(燃料气体)和供给到阴极的空气发 电。
氢供给管6连接到燃料电池单元2，从而通过氢供给管6将氢供给 到燃料电池单元2。在氢供给管6中，按下述顺序从上游侧设置氢压力调 节阀8和氢进气阀10。氢在氢压力调节阀8处减压到期望的压力，然后供 给到燃料电池单元2。供给到燃料电池单元2的氢通过在燃料电池单元2 中形成的供给歧管(未在图中显示)输送到燃料电池单元2中的各燃料电 池的阳极。
第一示例性实施方案的燃料电池系统具有气体排放管12，阳极气体 通过气体排放管12从燃料电池单元2排出。气体排放管12经由在燃料电 池单元2中形成的气体排^L歧管(未在图中显示)连接到各燃料电池的阳 极中的气体通道下游端。在下面的说明中，燃料电池单元2的各燃料电池 的阳极中的气体通道将统称为"阳极气体通道42"。因此，阳极气体通道 42中的气体(阳极气体)通过气体排放歧管汇集，然后排出到气体排放管 12。气体排放管12的下游端对大气开放或连接到稀释器。
在气体排放管12中设置有电磁驱动的气体排放阀14。气体排放阀 14是通过占空比控制操作以根据需要切换气体排放管12的连通状态的气 体排放^M勾。优选地，气体排放阀14为注射器型，这是因为它提供显著的 流量可控性。也就《一说，因为注射器型气体排放阀可以以可变速率打开和 关闭，并且它们还具有良好的高频响应性，所以使用这种阀提供了高的流 量可控性。因此，如果气体排放阀14是注射器型气体排放岡，则与气体排
10放阀14为只有其打开度可变的阀时相比可以准确地控制气体排放速率。
经过阳极气体通道42排放到燃料电池系统外部的阳极气体的量可 以通过控制气体排放阀14的占空比来控制。因此，在第一示例性实施方案 的燃料电池系统中，对气体排放阀14执行占空比控制，使得与阳极气体通 道42中消耗氲的速率相比，以非常低的速率将阳极气体排放到燃料电池系 统外部(在下文称为"持续的低速率气体排放操作")。在下文中，用于执 行这种持续的低速率气体排放操作的占空比控制模式将称为"气体排放模 式"。
必要时，大幅打开气体排放阀14以吹扫阳极气体通道42。此时， 将阳极气体通道中的气体i2tit排放到燃料电池系统之外。相反，必要时， 完全关闭气体排放阀14，由此关闭阳极气体通道42的下游侧。这样，气 体排放阀14以至少三个操作模式操作，即"气体排放模式"、"吹扫模式" 和"关闭模式"。
空气供给管30连接到燃料电池单元2，使空气通过空气供给管30 供给至燃料电池单元2。空气泵32设置在空气供给管30中。空气泵32将 空气通过空气供给管30送至燃料电池单元2。供给到燃料电池单元2的空 气经过在燃料电池单元2中形成的供给歧管分配到各燃料电池的阴极。在 循环通过各阴^L^，空气在燃料电池单元2中形成的气体排放歧管处汇集， 然后排放到气体排放管34。
气体排放阀14的操作由控制器20控制。控制器20连接到压力传感 器26、温度传感器24和电流检测器22。温度传感器24连接到燃料电池单 元2以检测燃料电池单元2的温度。电流检测器22连接到燃料电池单元2 以检测燃料电池单元2的电流。压力传感器26检测阳极气体通道42(图2 ) 中的压力。
图2示意性示出燃料电池单元2的每个燃料电池的内部结构，并说 明在燃料电池系统运行期间在燃料电池中出现的情况。在图2中，只示出 燃料电池的主要部分，未示出包括各集电器板和各歧管在内的其它部分。 根据需要，在以下说明中一起参考图1与图2。
参考图2,在每个燃料电池的膜电极組合件40的各侧面上形成气体 通道。其中之一是阳极气体通道42,另一个是阴极气体通道44。在燃料电 池单元工作期间，氩供给到阳极气体通道42,空气供给到阴极气体通道44。
ii注意，这些气体通道42、 44的形状和结构没有具体限制。例如，可在集电 器板(隔离器)的表面中形成凹槽，并将其用作气体通道42、 44。或者， 可以在各集电器板和膜电极组合件40之间设置由导电材料制成的多孔层。 在这种情况下，气体通道42、 44是由多孔层中的连续孔隙形成的。
供给到阴极气体通道44的空气含有氮(N2 )以及用于发电的氧(02 )。 氮是一种非活性气体，因此，它通过阴极气体通道44排放到燃料电池系统 外部而没有用于发电。然而，该氮的一部分透过膜电极组合件40并i^阳 极气体通道42中，如图2中的箭头所示。
这种氮到阳极气体通道42侧的渗透是由阴极气体通道44和阳极气 体通道42中氮分压之间的差引起的。穿过膜电极组*40的氮(N2)被 阳极气体通道42中的氢(H2)流带到阳极气体通道42的下游侧，如图2 中的箭头所示。
氮在阳极也不用于发电。因此，只要阳极气体通道42的下游侧被气 体排放阀14关闭，则阳极气体通道42中的氮逐渐积累在阳极气体通道42 的下游端处，如图2中示意性示出的。如果膜电核i且合件40的表面覆盖有 这种氮，则其干扰在膜电极组合件40的催化部处的起电反应。这种干扰降 低燃料电池的电压并产生异常的电势，其可使膜电极组合件40劣化。
鉴于此，在第一示例性实施方案的燃料电池系统中，通过占空比控 制来控制气体排放阀14，以将阳极气体通道42中的氮逐渐地排放到燃料 电池系统外部。注意，在该第一示例性实施方案中，将以气体糸Nt模式排 放的气体的量设定为与每单位时间移动到阳极的氮的量(在下文称为"交 叉泄漏的氮的量")相对应的值。因此，排放了合适量的氮，同时使不可 避免地排放的氢的量最小化。
除了氮，空气中含有不用于发电的各种其它杂质，例如水蒸气和碳 氧化物。然而，这些杂质在空气中的浓度与氮的浓度相比极低，因此在该 示例性实施方案中只考虑氮作为空气中的杂质。但是，这并不意味着将除 氮之外的杂质排除在本发明的范围之外。
图3是代表第一示例性实施方案的燃料电池系统运行期间阳极气 体通道42中的氢浓度分布并示出所述分布如何变化的图。注意，图中 每个点处的从100%开始的不同氢浓度分别代表同一点处的氮浓度。在该 图中，实曲线表示在氮积累在阳极气体通道42下游端处的状态下阳极气体通道42中的氬浓度分布。如果在这种状态下进行上述持续的低速率气体排 放操作，则可以优先排出氮，同时使排放的氢的量最小化。
阳极气体通道42中的氮分布取决于阳极气体通道42中的氮的流动 状态。当氮如图2中箭头所示意性表示的朝向阳极气体通道42的下游侧流 动时，氮不可避免地累积在阳极气体通道42的下游端。
同时，在阳极气体通道42中的氮的流动状态取决于氮在阳极气体通 道42中扩散的速率和氢在阳极气体通道42中流动的速率。如果氢的流动 速率比氮的扩散速率高，则已通过膜电极组合件40进入阳极气体通道42 的氮被带到阳极气体通道42的下游侧，而不扩散到上游侧。结果，阳极气 体通道42中的氢浓度分布变成如图3中的实曲线所示。
另一方面，如果氢的流动速率比氮的扩散速率低，则氮扩散到阳极 气体通道42的上游侧。结果，阳极气体通道42中的氢浓度分布变成如图 3中的虚曲线所示。在控制器20的控制下，将氢的流量连续调节到与燃料 电池单元2上的^Mt负载相对应的值。也就是说，随着燃料电池单元2上 的操作负载增加，所需的输出电流增加，因此，氢的流量也相应增加。
这样，阳极气体通道42中的气体浓度分布根据燃料电池系统的运行 状态变化，并且，随着阳极气体通道42中的气体浓度分布变化，阳极气体 通道42中的氢浓度也相应变化。因此，优选考虑移动穿过膜电核i且^fr 40的氮的量和阳极气体通道42中的氢浓度分布来确定气体排放模式下的 气体排放速率。鉴于此，例如，气体排放模式下的正常气体排^t率可根 据燃料电池单元2的输出电流变化。在这种情况下，进一步地，阳极气体 通道42中的压力和由阳极气体通道42中的温度变化引起的氮扩散速率的 变化也可用作参数。
在该第一示例性实施方案的燃料电池系统中，控制器20存储氢浓度 估，，程的，据。，执行，程序是为了基于，上次关闭燃料电,系统到这次
如前文参考图2提到的，跨过膜电极组合件40彼此相对设置的阳极 和阴极之间的分压差使气体在阳极和阴极之间移动。如果燃料电池系统在 某一状态下运行一段时间之后关闭，则与该运行状态对应的量的氢残留在 阳极气体通道42中。该残留的氢在燃料电池系统关闭后的时间内向阴极气 体通道44移动。结果，在燃料电池系统关闭后的时间内，阳极气体通道42中的氢浓 度逐渐降低。另一方面，与阳极气体通道42中氢浓度的这种降低相反，由 于阳极和阴极之间的氮分压差，所以氮从阳极移动到阴极。在氢浓度估算 过程中，预先确定每单位时间内从阴极移动到阳极的气体的量(交叉泄漏 量)，并且根据从燃料电池系统关闭时起的时间估算阳极气体通道42中的 氢浓度。
在下文中，将参考图4A和图4B描述第一示例性实施方案的燃料电 池系统的运行。图4A和图4B是示出从燃料电池系统启动至燃料电池单元 2开始正常发电的时间内如何控制气体排放阀14的图。在图4A和图4B 的图中，纵轴表示气体排放阀14处的气体排放速率，横轴表示时间。在图 中，1\表示燃料电池单元2开始发电的时间点，因此，时间L左侧的区 域表示燃料系统启动并因此没有发电的时间段，时间Ti右侧的区域表示燃 料电池系统在燃料电池单元2处发电的时间段。在图中，Qn表示在气体排 放模式下在气体排放岡14处正常设定的气体排放速率。
此外，在第一示例性实施方案中，燃料电池单元2开始发电所需的 最低氢浓度是根据经验预先确定的。更具体地，在开始发电时产生足够的 OCV(开路电压)水平所需的最低氢浓度(在下文称为"下限氢浓度Cmin")
是才艮据经自先确定的。下限氢浓度Cmin例如为约10Yo。
在第一示例性实施方案中，当在燃料电池系统启动后使燃料电池单 元2开始发电的请求收t出时，控制器20首先执行氢浓度估算过程，其数 据储存在控制器20中。在图4A和图4B中示出的实例中，为了便于说明， 假定在时间T。时执行氢浓度估算过程。因此，获得时间T。时阳极气体通 道42中的氢浓度的估算值C。
随后，将时间To时获得的估算的氢浓度C与下限氢浓度Cmin进行 比较。此时，如果估算的氢浓度C低于下限氢浓度Qnin (C<Cmin),则其
表明燃料电池单元2尚未做好开始发电的准备。另一方面，如果估算的氢 浓度C等于或高于下限氢浓度Cmin (C > Cmin),则其表明燃料电池单元2 已做好开始发电的准备。这样，通过估算的氢浓度C和下限氢浓度Cmin 之间的比较确定燃料电池单元2是否做好开始发电的准备。
随后，基于上述估算的氢浓度C和下限氢浓度Cmin之间的比较结果
选择第一启动控制和第二启动控制(在下文描述)之一，并且执行所选的启动控制。在下文中，将参照图4A描述第一启动控制，并且将参照图4B描述第二启动控制。
在第一示例性实施方案的燃料电池系统中，如果估算的氢浓度CM氐于下限氢浓度Cmin，则执行第一启动控制。图4A的图示出第一启动控制下气体排放阀14的操作。在图4A的图中，实线代表气体排放阀14处的气体排放速率。在第一启动控制中，首先吹扫阳极气体通道42。此时，更具体地，操作气体排放岡14以将气体排放速率设定为Qp， Qp为用于迅速排放燃料电池单元2的各燃料电池中的阳极气体通道中总体积Va的气体的预定速率。通过该吹扫，将氮从阳极气体通道42中除去，由此确保燃料电池系统的良好可启动性。
在完成阳极气体通道42的吹扫之后，关闭气体排放阀14。然后，在时间1\时执行燃料电池单元2的开始发电的过程，使得氢开始供给到燃料电池单元2，并且燃料电池单元2开始以给定水平发电。
此外，在第一示例性实施方案的燃料电池系统中，在燃料电池单元2开始发电之后，气体排放阀14保持关闭，直至过去预定时间Tc。预定时间Tc是在吹扫阳极气体通道42之后燃料电池单元2开始发电之后阳极气体通道42下游端处的氢浓度变成基本上为零所需要的时间。因此，在燃料电池单元2开始发电之后气体排放阀14保持关闭预定时间Tc。考虑氮透过量、输出电流密度等预先确定预定时间Tc。在预定时间Tc经过时，将气体排放阀14置于前述气体排放模式，由此使燃料电池单元2开始正常发电。
在第一启动控制中，因为如上所述在启动燃料电池系统时对阳极气体通道42进行吹扫，所以在燃料电池单元2开始发电时阳极气体通道42可充有几乎纯的氢。为了使得不可避免地排放的氢的量最小化，当阳极气体通道42中的氢浓度高时不应不必要地打开气体排放阀14。鉴于此，根据第一示例性实施方案中的第一启动控制，在气体排放阀14关闭的情况下进行发电，直至阳极气体通道42中的氮的量增加至需要进行氮排放的水平。
例如，可以以下述方式确定预定时间Tc。首先，根据经验确定在开始发电的操作状态下泄漏到阳极气体通道42的氮的量(氮交叉泄漏的量)，并且基于所确定的氮交叉泄漏的量绘制用于根据所经过的时间确定阳极气体通道42中的氮的量的设定表。通过参考该设定表，可以估算发电开始 后特定时间点时阳极气体通道42下游侧的氮的量。此外，如果开始发电时 的输出电流密度是恒定的，则还可以确定此时的氢流量。此外，可以从燃 料电池系统启动时的输出确定发电所消耗的氢的量。利用该信息，可以预 测开始发电之后氢浓度分布如何随时间变化，并且，基于该预测结果，可 以估算在开始发电之后阳极气体通道42下游端处的氢浓U本上变为零 所需的时间。
如果在开始发电之后输出电流密度变化，则氮交叉泄漏的量变化。 此外，氮交叉泄漏的量也根据膜电极组合件40的电解质膜的性质变化。因 此，优选地，前述用于估算氮量的设定表根据开始发电时的输出电流密度 和膜电极组合件40的电解质膜的性质进行变化或校正。此外，除了前述设 定表之外或代替前述设定表，可以准备并使用估算阳极气体通道42中氮的 量的模型。这样，可以根据经验以更筒单的方式确定从开始发电到燃料电 池系统的输出(电压)开始降低的时间。
同时，在第一示例性实施方案的燃料电池系统中，如果估算的氢浓 度C等于或高于下限氢浓度Cmin，则执行图4B中所示的第二启动控制。 在图4B的图中，虚线代表在第二启动控制中气体排放阀14处的气体排放 速率是如何随时间变化的。如前所述，如果估算的氢浓度C等于或高于下 限氢浓度Cmin，则表示阳极气体通道42中的氢浓度等于或高于开始发电 所需的最小浓度。因此，在第二启动控制中，与第一启动控制不同，在不 预先吹扫阳极气体通道42的情况下使燃料电池单元2开始发电。这样，阳 极气体通道42中的氢用于发电。
因为与第一启动控制中不同，在第二启动控制中未对阳极气体通道 42进行吹扫，所以当燃料电池系统启动时残余的氮仍然存在于阳极气体通 道42中。图5的图表示当残余的氮留在阳极气体通道42中时在开始发电 之后氢浓度分布是如何随时间变化的计算结果。在图5的图中，横轴代表 阳极气体通道42中的位置，纵轴代表氢浓度的相对值。均表示氢浓度的图 5和图3的格式彼此相同。
在图5中，图5的图的起点(0秒)代表燃料电池单元2未进行发 电的状态下的氢浓度分布。图5 ^RJJL电开始后1、 2和4秒之后获得的氢 浓度分布。在起点(O秒)处，没有氢供给到燃料电池单元2，因此氮均匀 地遍布整个阳极气体通道42。因此，在该状态下，整个阳极气体通道42中的氢气浓JLA均匀的(在图5的实例中为0.6)。如果在该状态下开始供 给氢以开始发电，则氢流使氮朝向阳极气体通道42的下游侧移动。
因此，在时间过去l秒、2秒、和4秒等时，阳极气体通道42下游 侧的氮浓度增加，因此阳极气体通道42下游侧的氢浓度相应降低。此夕卜， 在该时间内，随着燃料电池单元2发电消耗氢，阳极气体通道42下游侧的 氢浓度降低加快。结果，根据图5中所示的计算结果，阳极气体通道42 下游侧的氢浓度在开始发电4秒后变为零。因此，在阳极气体通道42的该 部分处不能再继续发电。
鉴于上述情况，在第二启动控制中，在开始发电后在预定时间At内 使气体排放阀14处的气体排放速率高于气体排放模式下的正常气体排放 速率QN,并且在预定时间At过去时，将气体排放阀14处的气体排放速率 设定为正常气体排放速率QN。在图4A和图4B中，上述高于正常气体排 放速率Qn的气体排放速率用Qi表示。这样，通过在开始发电后的初始时 间内增加气体排放阀14处的气体排放速率，可以实现在燃料电池系统启动 时适当地利用氢发电和快速排放氮。
根据第一示例性实施方案的燃料电池系统，如上所述，在启动燃料 电池系统时估算残余氢的浓度，然后基于所估算的残余氢浓度确定在使燃 料电池单元2开始发电之前是否吹扫阳极气体通道42。然后，基于该确定 结果，选择第一启动控制(在开始发电前进行吹扫)和第二启动控制(在 不进行吹扫的情况下开始发电)之一。这样，可以在使不可避免地排放的 氢的量最小化的同时使燃料电池单元2开始发电。
此外，根据第一示例性实施方案的燃料电池系统，在不对阳极气体 通道42进行吹扫的第二启动控制中，在开始发电之后，以气体排放模式进 行持续的低速率气体排放操作。也就是说，根据上述控制程序，如果燃料 电池单元2未准备好开始发电，则吹扫阳极气体通道42，而如果燃料电池 系统准备好开始发电，则执行第二启动控制，使得以持续的低速率气体排 放模式进行发电，由此将氮排放到燃料电池系统外部，并同时使不可避免 地排放的氢的量最小化。这样，去除残余氮的方法根据情况需要在这两种 方法之间转换，由此可以在使氢的浪费最小化的同时启动燃料电池系统。
此外，根据第一示例性实施方案的燃料电池系统，在开始发电之后 以气体排放速率Ch操作气体排放阀14。以该方式，即4吏在启动燃料电池
17系统时阳极气体通道42中存在大量的残余氮，也可以将残余的氮迅速地排 放到燃料电池系统外部，因此可以早期获得良好的发电状态。这样，使不 可避免地排放的氢的量最小化，并且在发电期间将残余的氮i^il地排放到 燃料电池系统外部。注意，可以与正常气体排放速率QN无关地设定气体 排放速率Ql
在下文，将参照图6详细描述在第一示例性实施方案的燃料电池系 统中执行的控制程序。图6的流程图代表在第一示例性实施方案的燃料电 池系统中执行的控制程序。该控制程序是在使燃料电池系统启动的请求被 发出之后执行的。因此，当控制程序开始时，气体排放阀14处于关闭状态。 在燃料电池系统用于机动车辆中的情况下，基于是否已经打开点火开关来 确定当前是否请求启动燃料电池系统。
在图6的控制程序中，首先估算阳极气体通道42中的氢浓度C (步 骤S100)。更具体地，在该步骤中，控制器20通过执行氢浓度估算过程估 算当前的氢浓度C。
然后，确定估算的氢浓度C是否低于下限氢浓度Cmin (步骤S102 )。 更具体地，在该步骤中，控制器20将估算的氢浓度C与下限氢浓度C油 进行比较并确定估算的氢浓度C是否低于下限氢浓度Cmin。如果在该步骤 中确定估算的氢浓度C低于下限氢浓度Cmin ( C < Cmin )，则确定燃料电池 单元2未准备好开始发电。因此，在该情况下，吹扫阳极气体通道42(步 骤S104 ),使得阳极气体通道42中的气体被迅速排放到燃料电池系统外部。 在步骤S104之后，使燃料电池单元2开始发电。
随后，控制器20使气体排放阀14在燃料电池单元2开始发电之后 保持关闭预定时间Tc (步骤S106)。时间Tc的长度可以利用表示与过去 的时间对应的阳极气体通道42中的氮量的上述设定表来确定。例如，预定 时间Tc设定为在数十分钟至数小时的范围内。注意，预定时间Tc的长度 不限于该范围。在预定时间Tc过去之后，将气体排放阀14处的气体排放 速率设定为正常气体排放速率QN,此后完成控制程序的当前循环。
另一方面，在步骤S102中确定估算的氢浓度C等于或高于下限氢 浓度Cmin ( C > Cmin )，从而确定燃料电池单元2已经准备好开始发电。在 该情况下，首先，根据估算的氢浓度C计算燃料电池系统启动之后的初始 阶段中将使用的气体排放速率Qi (步骤SllO)。更具体地，在该步骤中，控制器20利用下述等式(1)计算气体排放速率Qh
Ch-(i-C)xVA/At….(1)
在等式(1)中，"C，，代表估算的氢浓度，"VA"代表燃料电池单元 2的各燃料电池中阳极气体通道的总容量。根据等式(l)，根据0~100% 的氢浓度，将0 1.0的值代入C。例如，当估算的氢浓度为50%时将0.5 代入C,当估算的氢浓度为10。/。时将0.1代入C。因此，在等式(l)中， (1 - C ) x VA代表阳极气体通道中除氢之外的物质总量(杂质总量)。"At" 代表在燃料电池系统启动之后立即以增加的速率排放气体的时间。该时间 设定为例如约5秒。因此，根据等式(l)，通过用燃料电池系统启动后所 需排放到燃料电池系统外部的杂质总量除以给定时间获得气体排放速率
在步骤S110中设定气体排放速率Qi之后，在气体排放阀14关闭的 情况下使燃料电池单元2开始发电。这样，在燃料电池系统启动时余留在 阳极气体通道42中的氢可被消耗用于燃料电池单元2的发电。
，在开始发电之后的At时间内，以气体排放速率Qi操作气体 排放阀14 (步骤S112 )。随着燃料电池单元2开始发电，开始将氢供给到 燃料电池单元2，然后如上文参考图3所述的，氮浓缩在阳极气体通道42 的下游侧。然而，根据步骤S112中的过程，氮可以i^il地并且优先地被排 放到燃料电池系统外部。然后，当时间At过去时，将气体排放速率设定为 正常气体排放速率Qn，此后结束控制程序的当前循环。
才艮据上述控制程序，可以在使氢的浪费排放最小化的同时启动燃料 电池系统。
在上述第一示例性实施方案中，气体排放阀14可以视为权利要求中 记载的"气体排放装置"的一个实例，氢浓度估算过程可以视为权利要求 中记载的"浓度获取装置"的一个实例。此外，第一示例性实施方案的控 制程序的步骤S102的过程可以视为权利要求中记载的"比较装置"的一 个实例和"控制装置"的一个实例。此外，步骤S104的过程及其随后的 步骤可以整⑩为权利要求中记载的"第一启动控制"的一个实例，并且 步骤S110的过程及其随后的步骤可以R视为权利要求中记载的"第二启 动控制"的一个实例。
此外，步骤S112的过程可以视为权利要求中记载的"更高速率的气体排放控制"的一个实例，时间At可以视为权利要求中记载的"预定时间" 的一个实例，步骤S110的过程可以视为权利要求中记载的"设定装置"的 一个实例。
根据第一示例性实施方案的燃料电池系统，如上所述，在燃料电池 单元2开始发电之后以气体排放速率Qi (Qi > QN)操作气体排放阀14预 定时间At。然而，作为替代方案，在燃料电池单元2开始发电之后可以以 正常气体排放速率Qn操作气体排放岡14。也就是说，可以从图6所示的 控制程序省去步骤S110和S112。
此外，可以通过除前述氢浓度估算过程中使用的方法之外的各种其 它方法获得与氢浓度相关的信息。例如，阳极气体通道42中氮浓度的变化 与用于冷却燃料电池单元2的冷却剂的温度变化有关联。因此，可以基于 冷却剂的温度变化估算阳极气体通道42中的氮浓度,并且可以从估算的氮 浓度计算阳极气体通道42中的氢浓度。
此外，可以在燃料电池单元2中设置氢浓度传感器，以与阳极气体 通道42连通，并且可由氢浓度传感器所检测的值确定阳极气体通道42中 的氢浓度。此外，可以使用本领域已知的各种技术获得与阳极气体通道42 中的氢浓度以及上述那些相关的信息。在使用氢浓度传感器获得阳极气体 通道42中的氢浓度的情况下，氢浓度传感器可以视为权利要求中记载的 "浓度获得装置"的一个实例。
在第一示例性实施方案的燃料电池系统中，在燃料电池单元2开始 发电后气体排放阀14保持关闭一定的时间Tc (图6中控制程序的步骤 S106)。然而，作为替代方案，在开始发电之后可以立即将气体排放阀14 置于气体排放模式而不用保持关闭 一段时间。
此外，在第一示例性实施方案的燃料电池系统中，如上所述，在燃 料电池单元2开始发电之后进行持续的低速率气体排放操作。然而，作为 一个替代方案，燃料电池系统可以为在燃料电池单元2发电期间间歇地 吹扫阳极气体通道42。在该情况下，从图6的控制程序省去步骤S110和 SU2，并且将步骤S108中的过程修改为开始正常气体排放控制(即在对 阳极气体通道42进行间歇吹扫的同时，燃料电池单元2进行发电的操作模 式)的过程。
根据该修改方案，即使在未进行前述持续的低速率气体排放操作的
20燃料电池系统中，当燃料电池系统启动时，也可以如在第一示例性实施方 案的燃料电池系统中一样，基于留在阳极气体通道中的燃料气体的量，使 启动模式在其中在开始发电之前吹扫阳极气体通道的模式和其中不进行 所述吹扫的模式之间恰当地转换。
虽然已经参考被认为是本发明优选实施方案的内容描述了本发明，但 是，应当理解，本发明不限于所公开的实施方案或结构。相反，本发明还 意图涵盖各种修改方案和等同布置。此外，虽然所公开发明的各种要素以 示例性的各种组合和结构示出，但是包括更多、更少或仅单个要素的其它 组合和构型也在本发明的范围内。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括燃料电池，所述燃料电池具有阳极和阴极并可运行以利用供给到所述阳极的燃料气体和供给到所述阴极的空气发电；气体排放机构，所述气体排放机构设置在所述燃料电池的所述阳极中的气体通道的下游并可操作以响应吹扫请求吹扫所述阳极中的所述气体通道；浓度获得装置，所述浓度获得装置用于获得所述阳极中的所述气体通道中的燃料气体的浓度；比较装置，所述比较装置用于在使所述燃料电池开始发电的请求被发出之后比较由所述浓度获得装置获得的燃料气体浓度和参考值；和控制装置，所述控制装置用于在使所述燃料电池开始发电的请求被发出之后基于所述比较装置的比较结果选择第一启动控制和第二启动控制中的一种并执行所选择的启动控制，所述第一启动控制为在吹扫所述阳极中的所述气体通道之后使所述燃料电池开始发电，所述第二启动控制为在不吹扫所述阳极中的所述气体通道的情况下使所述燃料电池开始发电。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括用于在所述燃料电池装置，其i、" 、 、所述气体排放机构能够可变地调节气体排放速率并适于在需要时 以气体排放模式运行，在所述气体排放模式中，与燃料气体在所述阳极 中的所述气体通道中消耗的速率相比，以低的速率将气体排放到所述燃 料电池系统的外部，和在所述第二启动控制中，在不吹扫所述阳极中的所述气体通道的情 况下使所述燃料电池开始发电之后，所述控制装置将所述气体排放机构 置于所述气体排放模式。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中在所述第二启动控制中，在将所述气体排放机构置于所述气体排放 模式之后，所述控制装置执行更高速率的气体排放控制，在所述更高速 率的气体排放控制中，所述气体排放装置以高于所述气体排放模式的正 常气体排放速率的气体排放速率运行预定时间。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，还包括设定装置，所述设定 装置用于基于由所述浓度获得装置获得的燃料气体浓度设定所述气体 排放机构的气体排放速率以用于所述更高速率的气体排放控制。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的燃料电池系统，其中在所述第一启动控制中，在所述燃料电池开始发电之后，所述控制放预定时间，在所述预定时间过去之后，所述控制装置控制所述气体排 放机构，使得与燃料气体在所述阳极中的所述气体通道中消耗的速率相 比，以低的速率将气体从所述阳极中的所述气体通道连续地排放到所述 燃料电池系统外部。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的燃料电池系统，其中所述浓度获得装置通过基于从所述燃料电池系统停机时起的时间 估算燃料气体浓度，获得所述阳极中的所述气体通道中的燃料气体浓 度。
7.根据权利要求1~5中任一项所述的燃料电池系统，其中所述浓度获得装置通过基于用于冷却所述燃料电池的冷却剂的温 度估算燃料气体浓度，获得所述阳极中的所述气体通道中的燃料气体浓 度。
8.根据权利要求1~5中任一项所述的燃料电池系统，还包括用于检测 所述阳极中的所述气体通道中的燃料气体浓度的传感器，其中所述浓度获得装置获得由所述传感器检测的燃料气体浓度。
9. 根据权利要求3所述的燃料电池系统，还包括用于检测所述燃料电 池的输出电流的电流检测器，其中所述控制装置基于由所述电流检测器检测的输出电流改变所述正 常气体排放速率。
10. 根据权利要求l所述的燃料电池系统，其中 在所述第二启动控制中，所述控制装置控制所述气体排放机构以在之后间歇地吹扫所述气体通道。
11.根据权利要求l所述的燃料电池系统，其中在所述第一启动控制中，在所述燃料电池开始发电之后，所述控制放预定时间，在所述预定时间过去之后，所述控制装置控制所述气体排 放机构以间歇地吹扫所述阳极中的所述气体通道。
12.根据权利要求5或11所述的燃料电池系统，其中所述控制装置在所述燃料电池开始发电之后估算所述阳极中的所 述气体通道中的氮的量并基于所估算的氮的量设定所述预定时间。
13.根据权利要求1~12中任一项所述的燃料电池系统，其中如果由所述浓度获得装置获得的燃料气体浓度低于所述参考值，则 所述控制装置执行所述阳极中的所述气体通道的吹扫，如果由所述浓度 获得装置获得的燃料气体浓度等于或高于所述参考值，则所述控制装置 不执行所述阳极中的所述气体通道的吹扫。
14. 一种燃料电池控制方法，包括获得燃料电池的阳极中的气体通道中的燃料气体的浓度；确定所获得的燃料气体浓度是否低于参考值；如果所获得的燃料气体浓度低于所述参考值，则在吹扫所述阳极中 的所述气体通道之后使所述燃料电池开始发电；和如果所获得的燃料气体浓度不低于所述参考值，则在不吹扫所述阳 极中的所述气体通道的情况下使所述燃料电池开始发电。
15. —种燃料电池系统，包括燃料电池，所述燃料电池具有阳极和阴极并可运行以利用供给到所 述阳极的燃料气体和供给到所述阴极的空气发电；气体排放机构，所述气体排放机构设置在所述燃料电池的所述阳极 中的气体通道的下游并可操作以响应吹扫请求吹扫所述阳极中的所述 气体通道；浓度获得部，所述浓度获得部获得所述阳极中的所述气体通道中的 燃料气体的浓度；比较部，所述比较部在使所述燃料电池开始发电的请求被发出之后 比较由所述浓度获得部获得的燃料气体浓度和参考值；和控制部，所述控制部在使所述燃料电池开始发电的请求被发出之 后，基于所述比较部的比较结果选择第一启动控制和第二启动控制中的 一种并随后执行所选择的启动控制，所述第一启动控制为在吹扫所述阳 极中的所述气体通道之后使所述燃料电池开始发电，所述第二启动控制 为在不吹扫所述阳极中的所述气体通道的情况下使所述燃料电池开始 发电。
全文摘要
获得燃料电池(2)的阳极气体通道(42)中的氢浓度。当燃料电池系统启动时，基于获得的阳极气体通道(42)中的氢浓度选择第一启动控制和第二启动控制中的一种。在第一启动控制中，燃料电池(2)在吹扫阳极气体通道(42)之后开始发电。在第二启动控制中，燃料电池(2)在不吹扫阳极气体通道的情况下开始发电。
文档编号H01M4/04GK101682026SQ200880017433
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月23日 优先权日2007年5月25日
发明者久米英明 申请人:丰田自动车株式会社