用于移动体的燃料电池的排气状态控制装置的制作方法

专利名称：用于移动体的燃料电池的排气状态控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制用于移动体的燃料电池的排气状态的技术。
背景技术：
在燃料电池中，反应产生电并排放对应量的产生的水。特别是在汽车用燃料电池 中，随着车辆长距离地行驶，产生大量水。大多数汽车用燃料电池为固体聚合物类型，其基 本在低温下工作。这种燃料电池的普遍问题是产生的水的处理，也就是说，防止产生的水在 寒冷区域的路上结冰或者朝任何随后的车辆溅射。但是，取决于环境空气条件和驾驶条件，还需要抑制从用于放气的排放通道 的排气口产生白烟。从汽车的适销性的观点看，不期望产生白烟。在一些情况下， 应当考虑汽车因白烟而对环境造成的影响。鉴于以上原因，在日本专利申请公报 No. 7-169498 (JP-A-7-169498)和日本专利申请公报 No. 2001-185199 (JP-A-2001-185199) 中已经做出了抑制用于车辆的燃料电池中的白烟的提议。通常，为了减少白烟，用于车辆的燃料电池采用用于将放气冷却或加热到易于产 生白烟的温度范围之外的装置和用于抑制扫气量的装置等等。因此，需要能量来减少白烟， 这有与要提高发电效率的需要相悖。也就是说，上述文献中描述的燃料电池主要基于排气温度与环境温度之间的差别 来估测白烟的产生。然后根据估测值执行白烟减少处理。如果频繁执行白烟减少处理，则 燃料效率因加热而降低，能量效率降低，输出因扫气的量受到抑制而降低等等，并且降低到 较大程度。从对产生白烟的环境的更详细的检查，可以结果得出以下结论，当车辆行进时产 生的白烟因顶风的扩散效果而不明显，但是当车辆静止或以低速行驶时则非常明显。白烟 的可见性随着车辆所处的环境条件——比如是白天还是黑夜以及是晴天还是阴天——而 变化。当倒车时，产生的白烟影响操作者的视线。

发明内容
本发明提供了一种用于由燃料电池提供动力的诸如车辆等移动体的燃料电池的 排气状态控制装置，该排气状态控制装置基于移动体的行进条件、移动体的工作状态或者 环境条件来判定减少白烟的必要性，以有效地抑制白烟。本发明的一个方面涉及一种用于移动体的燃料电池的排气状态控制装置，其检测 来自安装在移动体上的燃料电池的排气的状态。用于燃料电池的排气状态控制装置包括 白烟产生判定部，其基于排气的状态与环境空气的状态之间的关系来判定是否产生白烟； 运动传感器，其检测移动体的移动；条件判定部，当白烟产生判定部判定产生白烟时，条件 判定部基于来自运动传感器的检测信号来判定是否满足减少白烟的条件；以及控制部，如 果条件判定部判定满足预定条件，则控制部启动减少白烟的处理。用于移动体的燃料电池的排气状态控制装置，还可包括操作状态传感器，其检测操作移动体的操作部的操作状态；以及感测移动体的周围环境状态的传感器，其中，条件判定部可以基于以下状态中的至少一个来判定是否满足减少白烟的条件检测到的移动体的 移动状态；检测到的操作移动体的操作部的操作状态；以及检测到的移动体的周围环境状 态。在用于移动体的燃料电池的排气状态控制装置中，当条件判定部判定满足第一预 定条件时，控制部启动减少白烟的处理；并且，如果条件判定部判定满足第二预定条件，则 控制部启动比当判定满足第一预定条件时进一步减少白烟产生的处理。根据以上方面的用于移动体的燃料电池的排气状态控制装置可进一步包括排气 温度传感器，其测量排放通道中的排气的温度，排放通道排放来自燃料电池的主体的排气； 以及环境温度传感器，其测量环境空气的温度，排气将排放到环境空气中，其中，白烟产生 判定部根据排气的温度与环境的温度之差来判定是否产生白烟。根据以上方面的用于移动体的燃料电池的排气状态控制装置可进一步包括排气 温度传感器，其测量排放通道中的排气的温度，排放通道排放来自燃料电池的主体的排气； 环境温度传感器，其测量环境空气的温度，排气将排放到环境空气中，以及环境湿度传感 器，其测量排气将排放到其中的环境空气的湿度，其中，白烟产生判定部可根据排气的温度 与环境的温度之差以及环境的湿度来判定是否产生白烟。根据上述方面，如果判定将产生白烟，则能够通过判定是否满足所述第一条件或 者是否满足比所述第一条件需要更多地减少白烟的所述第二条件而以不同级别执行白烟 减少。一般，所述进一步减少白烟的处理比所述减少白烟的处理将用于移动体的燃料电池 的效率降得更低。因此，该用于移动体的燃料电池的排气状态控制装置能够通过详细判断 产生白烟的条件从而以不同级别执行白烟减少处理来提高用于移动体的燃料电池的效率。在以上方面中，如果满足以下条件的任一个则可以满足第一条件移动体的移动 速度被判定为处于或低于预定值；以及移动体周围的白烟的可见性被判定为比在基准环境 中的白烟的可见性高；并且如果以下两个条件都满足则可以满足第二条件移动体的移动 速度被判定为处于或低于预定值；以及移动体周围的白烟的可见性被判定为比在基准环境 中的白烟的可见性高。根据以上方面，所述用于移动体的燃料电池的排气状态控制装置能 够通过限定所述第一条件和比所述第一条件需要更多白烟减少的所述第二条件而详细判 定产生白烟的环境。在以上方面中，移动体的移动速度被判定为处于或低于预定值的条件包括移动体 静止的状态。有时，车辆静止时比其移动时需要更多的白烟减少。在以上方面中，移动体的 移动速度是移动体的绝对速度或者是移动体与移动体周围的环境空气之间的相对速度。白 烟的产生及其可见性受移动体与环境空气之间的相对速度的影响。在以上方面中，移动体可以是车辆；如果满足以下条件的任一个则可满足第一条 件变速杆被判定处于驻车位置；以及移动体周围的白烟的可见性被判定为比在基准环境 中的白烟的可见性高；并且如果以下两个条件都满足则可满足第二条件变速杆被判定为 处于驻车位置；以及移动体周围的白烟的可见性能够被判定为比在基准环境中的白烟的可 见性高。在以上方面中，如果满足以下条件的任一个则可满足第一条件白烟产生判定部 判定产生白烟，或者移动体的移动速度处于或低于预定值并且移动体周围的白烟的可见性被判定为比在基准环境中的白烟的可见性低；并且如果以下两个条件都满足则可满足第二 条件移动体的移动速度被判定为处于或低于预定值；以及移动体周围的白烟的可见性被 判定为比在基准环境中的白烟的可见性高。 在以上方面中，如果满足以下条件白烟产生判定部判定产生白烟；以及移动体 的移动速度处于或低于预定值并且移动体周围的白烟的可见性被判定为比在基准环境中 的白烟的可见性低，则条件判定部能以不同的级别执行在条件判定部判定已经满足第一预 定条件时的减少白烟的处理。在以上方面中，如果满足以下条件中的任一个则可满足第一条件操作移动体的 操作者的视线被判定受到白烟影响；以及移动体周围的白烟的可见性比在基准环境中的白 烟的可见性高；并且如果以下两个条件都满足则可满足第二条件操作移动体的操作者的 视线被判定受到白烟影响；以及移动体周围的白烟的可见性比在基准环境中的白烟的可见 性高。根据以上方面，用于移动体的燃料电池的排气状态控制装置可通过限定所述第一条 件和比所述第一条件需要更多白烟减少的所述第二条件而详细判定产生白烟的环境。在以上方面中，基准环境可包括白天环境和非雨天环境中的至少之一。认为白烟 的可见性在白天或非雨天的环境中最低。在以上方面中，移动体可以是车辆；可以基于前灯是否为开来判定操作部的操作 状态；可以基于以下至少之一来判定周围环境状态用于自动灯的黑暗检测信号是否为 开；当前时间是否是在日落之后和日出之前；是否不能接收到来自全球定位系统的信号； 刮水器是否为开；雨感测信号是否为开；以及环境湿度传感器的检测值是否超过预定值； 并且如果满足上述所判定的状态中的至少一个，则条件判定部可以判定基准环境是白天或 者非雨天的环境。在以上方面中，当移动体沿排气的排放方向前行时，可判定操作者的视线受到白 烟的影响。如果白烟在前进方向上并且驾驶员正在沿所述移动体的前进方向看，则白烟干 扰驾驶员视线的可能性增大。在以上方面中，移动体可以是车辆；并且在以下情形至少之一时可判定满足白烟 干扰移动体的操作者的视线的条件变速杆处于倒车位置；以及驻车制动器为关。在以上方面中，减少白烟的处理可以是以下处理中的至少一个控制排气温度的 处理；以及控制燃料电池的空气电极侧处的排气的流量的处理。可通过空气电极侧上的排 气流量和排气温度来控制白烟的产生。在以上方面中，空气电极侧处的排气的排放可被控制成使得排气的流量的限度随 着移动体的移动速度减小而减小。当所述移动体的移动速度等于或高于预定值时，白烟的 产生减少并且白烟的可见性降低。在以上方面中，空气电极侧处的排气的压力或流量可被控制成使得排气的流量的 限度随着排气的压力增大而增大。随着气体压力增大，要排放相同质量的排气，就要减少气 体的体积流量。因此，随着排气压力升高，要排放相同质量的排气就要减少将排放的水蒸气 的量。为了使将要排放的水蒸气的量大体保持相同，与压力不增大时相比，当排气压力增大 时能够排放质量更多的排气。在以上方面中，当条件判定部判定满足第二预定条件时执行的减少白烟产生的处 理包括以下至少之一停止扫气空气；以及切断至燃料电池的氢供给压力。


本发明的前述和其它特征以及优点将从下面参考附图的示例性实施方式的描述 中变得显而易见，附图中相同的附图标记用于表示相同的元件，附图中图1示出燃料电池系统的示例性构造；图2是示出燃料电池系统的操作的流程图；图3示出白烟减少控制的示例性处理；图4示出白烟减少处理的分级；图5示出白烟减少控制的示例性处理；图6示出白烟减少控制的示例性处理；图7是示出燃料电池系统的操作的流程图；图8示出显示白烟减少区域的映射图的示例；图9是燃料电池系统的构造图；图10示出配备有燃料电池系统的车辆概念；以及图11示出白烟减少控制的示例性处理。
具体实施例方式下面参见图1至图3描述根据本发明第一实施方式的燃料电池系统。图1示出了根据本发明实施方式的燃料电池系统的示例性构造。如图1所示，燃 料电池系统包括燃料电池组1。燃料电池系统还包括氢罐7、压力调节器10、阳极气体通 道2、阳极放气通道3、氢泵8、阳极放气循环通道4、气液分离器12、放泄箱13以及排出/放 泄阀14，其中，氢罐7用作燃料电池系统的给燃料电池组1供给氢的氢系统，气液分离器12 从阳极放气中分离水。作为将空气供给到燃料电池组1的空气系统，燃料电池系统另外还 包括空气过滤器11、泵9、阴极气体通道5以及阴极放气通道6。作为其控制系统和测量系 统，燃料电池系统另外还包括电子控制单元(ECU，相当于用于移动体的燃料电池的排气状 态控制装置)15、排气温度传感器17、环境温度传感器19A、环境湿度传感器19B以及电池组 温度传感器20。如图1示意性示出的，燃料电池系统安装在诸如车辆的移动体上以用作移 动体的动力源。燃料电池组1包括多个彼此叠置的电池单元。每个电池单元均包括电解质膜、阳 极(燃料电极)、阴极(空气电极)以及分离器。在阳极与阴极之间形成氢和空气的流动路径。氢罐7向阳极气体通道2供给阳极气体。通过压力调节器10将从氢罐7供给的 阳极气体调节至预定的压力。然后，将阳极气体从阳极气体通道2供给至燃料电池组1的 阳极。由泵9 (其可以是空气压缩机)从燃料电池系统外部经由空气过滤器11吸入的空 气经阴极气体通道5供给至燃料电池组1的阴极。当阳极气体供给至燃料电池组1的阳极时，从包含在阳极气体中的氢中产生氢离 子。包含在空气中的氧供给至燃料电池组1的阴极。然后，在燃料电池组1中，在氢与氧之 间发生电化学反应，从而产生电能。另外，在燃料电池组1的阴极处，由氢产生氢离子和氧化合从而产生水。从阴极渗出的包含未反应的氢和氮等的气体(以下称为“阳极放气”)从燃料电池组1排放至阳极放气通道3。从燃料电池组1的阳极排出的阳极放气通过阳极放气通道3和阳极放气循环通道 4又与来自氢罐7的阳极气体一起供给至燃料电池组1的阳极。阳极放气通道3将阳极放 气供给至气液分离器12。这使得能够在从阳极放气中分离出水之后将阳极放气供给到阳极 放气循环通道4。未反应的阴极气体(以下称为“阴极放气)从燃料电池组1排放到阴极放气通道 6。阴极放气包含由燃料电池组1产生的水蒸气形式的水。从阴极排出的阴极放气经阴极 放气通道6排放到环境空气中。E⑶15电连接至泵9、驱动压力调节器10的驱动马达(未示出)、排气温度传感 器17、环境温度传感器19A、环境湿度传感器19B(相当于传感器中的一个)以及电池组温 度传感器20。E⑶15控制用于压力调节器10的驱动马达(未示出)和泵9的供给。E⑶ 15获取由排气温度传感器17检测的阴极放气的温度。ECU 15获取由环境温度传感器19A 检测的环境温度和由环境湿度传感器19B检测的环境湿度。ECU 15获取由电池组温度传感 器20测出的燃料电池组1的工作温度。E⑶15内部包括CPU(中央处理器)和R0M(只读 存储器)等等。CPU根据储存在ROM中的控制程序执行不同的处理。排气温度传感器17检测经由阴极放气通道6排放到环境空气的阴极放气的温度。 排气温度传感器17可设在阴极放气通道6的任意位置处。例如，排气温度传感器17可设 在阴极放气通道6的排气出口(尾端)附近，以便测量马上要排放到环境空气之前的阴极 放气的温度。环境温度传感器19A测量燃料电池系统外部的温度，即环境温度。而且，环境湿度 传感器19B测量环境湿度。电池组温度传感器20测量燃料电池组1的工作温度。电池组 温度传感器20可直接附连至燃料电池组1，或者可测量燃料电池组1的冷却剂的温度。车辆设有检测车辆的行进速度的车速传感器22 (相当于传感器中的一个)以及使 驾驶员能够操作移动体的各种操纵杆、操作按钮、调节旋钮、踏板等。所述各种操纵杆、操作 按钮、调节旋钮、踏板等的示例包括变速杆，其指示通过动力源驱动的马达的转速与驱动 部件(例如，车轮)的转速之比；刮水器操纵杆，其起用和关闭刮水器；车辆内置设备的调 节旋钮，所述设备从全球定位系统(GPS)接收信号以提供对当前的位置和时间的指示，去 往目的地的导向等；以及驻车致动器操纵杆。根据该实施方式的车辆具有感测驾驶员对各 种操纵杆、操作按钮、调节旋钮以及踏板等的操作的相应传感器(其中每一个都相当于本 发明中的传感器)并根据操作来执行控制。在该控制期间，ECU 15监视多个传感器等的工 作以识别它们的工作状态。图2是E⑶15执行的排气状态控制处理的流程图。该处理由CPU执行的控制程 序来实现。该处理以预定的时间间隔周期性地执行。在该处理中，E⑶15首先获取由排气温度传感器17检测到的排气出口处的气体 温度和由环境温度传感器19A检测到的温度。然后，ECU15判定排气出口处的气体温度与 环境温度之间的差值是否超过预定值Tl (Si)。如果排气出口处的气体温度与环境温度之间 的差值不超过预定值Tl (Si中为否)，则E⑶15将处理返回到Si。在这种情况下，在经过预定量的时间之后，ECU 15可执行Sl和后续步骤。此处，预定值Tl和预定时间可设定为 工厂默认值，或者由例如车辆的经销商或使用者设定。顺带地，执行Sl中的处理的ECU 15 可以相当于本发明的白烟产生判定部。
另一方面，如果排气出口处的气体温度与环境温度之间的差值超过预定值Tl (在 Sl中为是)，则ECU 15读取来自车速传感器22的车辆行驶速度并读取变速杆的位置(S2)。然后，ECU 15判定车速是否为零，或者判定变速杆是否处于驻车位置(P档位) (S3)。此时，ECU 15可判定车速是否为零或者判定变速杆是否处于P档位。S3中的条件相 当于本发明的第一条件。然后，如果车速不为零，或者如果变速杆不在P档位(S3中为否)，则ECU 15将处 理返回到Si。另一方面，如果车速为零，或者如果变速杆在P档位(S3中为是)，则ECU 15 判定周围环境条件(S4)。周围环境条件包括例如如下条件。(1)前灯为开(这相当于本发 明的操作部的操作状态)。(2)用于自动灯的黑暗检测信号为开(这相当于本发明的环境 状态)。其中，“自动灯“是指自动打开和关闭的前灯。就是说，当自动灯的控制器感测到其 所处的环境的亮度已经降到预定阈值以下时自动灯产生黑暗检测信号以打开前灯。(3)是 在日落之后和日出之前(这可相当于本发明的环境状态)。(4)无法接收来自GPS的信号 (这可相当于本发明的环境状态)。(5)刮水器起用(这可相当于本发明的操作部的操作 状态)。(6)对于设有自动刮水器的车辆而言，雨感测信号为开(这可相当于本发明的环境 状态)。(7)环境湿度传感器19B检测到的环境湿度h超过预定值A(这可相当于本发明的 环境状态)。其中，预定值A可设定为工厂默认值，或者由例如车辆的经销商或使用者来设 定。然后，E⑶15判定S4中判定的周围环境是否满足预定条件(S5)。此处，预定条件 可设定为工厂默认值，或者由例如车辆的经销商或使用者来设定。如果这些条件都不满足 (S5中为否)，则ECU 15执行白烟减少控制(S6)。在这种情况下，周围环境条件判定为是白 天、没有雨并且环境湿度低于预定值。因此，判定白烟的可见性差，所以执行能够减少所产 生的白烟的处理。在此，白烟减少控制是减少空气电极处的扫气空气的量的处理。例如，E⑶15以 预定的比例减少来自泵9的扫气空气的量。可替代地，可通过例如设在阴极放气通道6中 的加热器(未示出)来加热阴极放气。相反地，也可通过热交换器(未示出)将阴极放气 冷却至接近环境温度的温度。例如，可基于从环境温度与排气出口处的气体温度之间的关系获得的用于产生的 白烟的条件而加热或冷却阴极放气。这能够通过根据试验或经验制备“湿度为h时环境温 度与排气出口处的气体温度之间的差值等于或小于△ T的”关系的映射图并将该映射图存 储在ECU 15的存储设备中来实现。然后，ECU 15可执行控制，以便加热或冷却阴极放气， 使得在环境湿度下环境温度与排气出口处的气体温度之间的差值等于或小于ΔΤ。另一方面，如果满足任意上述条件(S5中为是)，则ECU 15执行白烟抑制控制 (S7)。在这种情况下，周围环境条件判定为是夜晚、使用了前灯、有雨或者环境湿度超过预 定值。因此，白烟的可见性高，所以所述减少产生的白烟的处理不够并且执行白烟抑制处 理。顺带地，本发明中的白烟抑制处理可相当于能够进一步减少白烟的产生的处理。 其中，白烟抑制控制可包括例如停止泵9的运行(也就是说，停止扫气空气)和通过借助于压力调节器10切断氢供给压力而暂停燃料电池系统的操作。如上所述，当从将要排放到环境空气的阴极放气的温度与环境温度之间的关系考 虑很可能产生白烟时，根据本实施方式的燃料电池系统可通过基于车辆的行驶条件、车辆 的运行状态以及周围环境条件判定白烟的可见性而准确地判定是否需要减少白烟。然后， 当估测白烟的可见性不是特别高时，根据本实施方式的燃料电池系统执行白烟减少处理， 而当估测白烟的可见性高时执行白烟抑制处理。也就是说，根据车辆的驾驶条件和周围环 境条件切换白烟减少处理。这有助于准确地判定是否需要白烟减少，进而有助于减少能耗 浪费和发电效率上的降低。在第一实施方式中，如关于图2的S4和S5描述的，如果上述所有条件(1) 至(7) 都不满足则ECU 15执行白烟减少控制，而如果满足上述条件(1)至(7)的任一个则执行白 烟抑制处理。可替代地，ECU15可在满足上述条件(1)至(7)的特定组合的情况下执行白 烟抑制处理(S7)。例如，ECU 15可在前灯为开并且是夜晚的情况下执行白烟抑制处理。进 一步地，E⑶15可在刮水器起用且检测到的环境湿度超过预定值A的情况下执行白烟抑制 处理。因此，E⑶15可在满足上述条件(1)至(7)的特定组合的条件下执行白烟抑制处理 (S6)。在第一实施方式中，如果在图2的S3中判定车速不为零，或者判定变速杆不在P 档位，则处理返回到Si。也就是说，既不执行白烟减少控制也不执行白烟抑制控制。可替 代地，ECU 15可首先执行图2的S5中的判定，也就是说，首先判定周围环境条件是否满足。 然后，在上述所有条件(1)至(7)都不满足情况下，E⑶15可将处理返回到Si。也就是说， ECU 15可既不执行白烟减少控制也不执行白烟抑制控制。相反，如果满足上述条件(1)至 (7)的任一个，那么ECU 15可判定车速是否为零或者变速杆是否在P档位，并根据判定结果 执行白烟减少控制或者白烟抑制控制。在以上第一实施方式中，主要根据白烟是否从车辆外部高度可见，判定对白烟减 少的必要性以及是执行白烟减少控制还是白烟抑制控制。可替代地，ECU 15可根据车辆驾 驶员的视线是否受到影响来判定对白烟减少的必要性以及是执行白烟减少控制还是白烟 抑制控制。图3示出了这种处理的示例。在该处理中，E⑶15首先获取由排气温度传感器17检测到的排气出口处的气体 温度和由环境温度传感器19A检测到的温度。然后，ECU15判定排气出口处的气体温度与 环境温度之间的差值是否超过预定值Tl (Si)。如果排气出口处的气体温度与环境温度之间 的差值不超过预定值Tl (Si中为否)，则E⑶15将处理返回到Si。另一方面，如果排气出 口处的气体温度与环境温度之间的差值超过预定值Tl (Si中为是)JljECU 15判定周围环 境条件(S4)。这些条件与第一实施方式中的条件相同，因此省略对它们的描述。然后，ECU 15判定在S4中判定的周围环境是否满足预定条件(S5)。如果不满足 所有周围环境条件(以上条件(1)至(7))(S5中为否)，则E⑶15将程序返回至Si。另一 方面，如果满足任意周围环境条件(以上条件(1)至(7)) (S5中为是)，则ECU 15读取变速 杆的档位以及驻车制动器的切换信号(S8)。在随后的S9中，ECU 15判定变速杆是否处于R档位(倒车位置)，或者判定驻车 制动信号是否为关。此时，ECU 15可判定变速杆是否在R档位和驻车制动信号是否为关。然后，如果变速杆不在R档位，或者如果驻车制动信号为开(S9中为否)，则ECU15执行白烟减少控制(SlO)。在这种情况下，车辆不是沿从排气出口排放气体的方向行进， 因此ECU 15判定即使在产生白烟而且白烟的可见性相对较高的情况下，驾驶员的视线受 到影响的可能性仍然很小。在这种情况下，ECU 15判定白烟减少处理足够。可替代地，如果变速杆处于R档位，或者如果驻车制动信号为关(S9中为是)，则 E⑶15判定车辆正沿从排气出口排放气体的方向行进的可能性大。在这种情况下，E⑶判 定不但从车辆外部能够容易地看到白烟而且白烟还会影响驾驶员的视线，并因此执行白烟 抑制控制(Sll)。
如上所述，在这种改型中，E⑶15通过判定车辆的前进方向是否与气体的排放方 向一致来估测白烟对驾驶员的影响。然后，在车辆的前进方向与气体的排放方向一致的情 况下，E⑶15执行白烟抑制控制。在白烟抑制控制中，E⑶15停止扫气空气并暂停燃料电池系统的操作，和/或其 它方式。另一方面，在白烟减少控制中，ECU 15限制扫气并通过加热器加热阴极放气，和/ 或其它方式。根据这种控制，当白烟的可见性高时，ECU 15执行白烟减少控制，而当白烟影响驾 驶员的视线时，执行白烟抑制处理，从而使得能够有效利用燃料电池系统。例如，能够非常 准确地判定是否停止用于燃料电池组1的扫气空气或者是否暂停燃料电池系统的操作。在上述实施方式中，E⑶15在图2的S3中判定车速是否为零或者判定变速杆是否 在P档位。然而，从适销性的观点看或者应用户的请求，可以当车速等于或低于预定速度时 执行白烟减少处理或者白烟抑制处理。在这种情况下，该预定速度可设定为工厂默认值，可 由经销商调节或可由用户设定。如果车速等于或低于(或者低于)预定速度，则ECU15执 行图2的S4至S7中的处理。将参见图4和图5描述根据本发明第二实施方式的燃料电池系统。在上述第一实 施方式中，在车速不为零或者变速杆不在P档位的情况下，ECU 15不执行白烟减少。另外， 在车速为零或者变速杆在P档位的情况下，ECU 15根据是否满足周围环境条件(1)至(7) 而选择性地执行白烟减少控制或白烟抑制控制。可替代地，根据本发明第二实施方式的燃 料电池系统以更多样化的级别执行白烟减少。在下面的描述中，以白烟减少控制1、白烟减 少控制2以及白烟减少控制3(白烟抑制控制)执行白烟减少。该实施方式的其它构造和 功能与第一实施方式中的那些相同。因此，同样的处理由同样的附图标记指示，从而省略对 它们的描述。系统构造与图1所示的系统构造相同。图4示出了根据本实施方式的燃料电池系统对白烟减少处理的分级。在白烟减少 控制1中，例如，扫气空气减少30%并且用于加热阴极放气的功率设定为300瓦。扫气空 气减少30%意味着用于空气电极侧上的泵9的驱动功率减小30%。在白烟减少控制2中， 例如，扫气空气减少60%并且用于加热阴极放气的功率设定为600瓦。在白烟减少控制3 中，例如，扫气空气减少100%并且用于加热阴极放气的功率设定为1000瓦。也就是说，在 白烟减少控制3中，泵9停止以停止扫气空气。在这种情况下，可通过例如借助于压力调节 器10切断氢压力来停止燃料电池系统本身的操作。通过这种方式，ECU 15强行抑制白烟 的产生。图5示出了燃料电池系统中通过E⑶的控制。此处理中的步骤Si、S2和S3与第 一实施方式中的步骤Si、S2和S3相同，因此省略对它们的描述。
如果S3中的判定为否，则E⑶15执行白烟减少控制1(S6A)。另一方面，如果S3中的判定为是，则ECU 15判定周围环境条件(S4)。在S4中判定的周围环境条件与关于第 一实施方式描述的条件(1)至(7)相同。然后，如果所有条件(1)至(7)都不满足，则ECU 15执行白烟减少控制2 (S6B)。 但是，如果满足任何条件(1)至(7)，则E⑶15执行白烟减少控制3 (S6C)。也就是说，用于 燃料电池组1的扫气空气停止，或者燃料电池系统暂停以抑制白烟的产生。如上所述，依据根据本实施方式的燃料电池系统，能够以比第一实施方式更多样 化的级别执行白烟减少。如关于第一实施方式的改型所描述的，当满足上述条件(1)至(7)的特定组合时， ECU 15就会执行白烟抑制处理(S7)。例如，ECU 15可在前灯为开且是夜晚的情况下执行 白烟抑制处理。进一步地，E⑶15可在刮水器起用且检测到的环境湿度超过预定值A的情 况下执行白烟抑制处理。另外，如关于图3所表述的，ECU 15可根据驾驶员的视线是否受到影响来判定对 白烟减少的必要性以及是执行白烟减少控制还是白烟抑制控制。图6示出了这种处理的示 例。在该处理中，当周围环境不满足所有条件⑴至(7) (S5中为否)时，E⑶15执行 白烟减少控制I(SlOA)。另一方面，如果满足任意周围环境条件(上述条件(1)至(7)) (S5 中为是)，则ECU 15读取变速杆的档位以及驻车制动器的切换信号(S8)。继而，ECU 15判 定变速杆是否处于R档位，或者驻车制动信号是否为关。然后，如果变速杆未处于R档位，或者如果驻车制动信号为开(S9中为否)，则ECU 15执行白烟减少控制2 (SlOB)。另一方面，如果变速杆处于R档位，或者如果驻车制动信号 为关(S9中为是)，则ECU 15判定车辆沿从排气出口排放气体的方向行进的可能性大。在 这种情况下，ECU 15判定不但能够车辆外部容易地看到白烟而且白烟可影响驾驶员的视 线，因而执行白烟抑制控制(Sll)。将参照图7至9描述本发明的第三实施方式。在第一和第二实施方式中，E⑶15 基于排气出口处的气体温度与环境温度之间的差值来判定白烟减少是否必要(见图2、3、5 和6中的步骤Si)。可替代地，E⑶15可基于包括环境温度和环境湿度在内的车辆的周围环 境条件、以及排气出口处的气体温度来判定白烟减少是否必要。本实施方式的其它构造和 功能与第一实施方式和第二实施方式中的构造和功能相同。因此同样的部件由同样的附图 标记指示，从而省略对它们的描述。图7是示出根据本发明实施方式的燃料电池系统的操作的流程图。E⑶15首先获取由排气温度传感器17检测到的阴极放气的温度(SlA)。E⑶15 还获取由环境温度传感器19A检测到的环境温度(SlA)。E⑶15进一步获取由环境湿度传 感器19B检测到的环境湿度(SlA)。在本实施方式中，通过环境湿度传感器19B测量的环境 湿度称为“检测的环境湿度”。接着，E⑶15基于阴极放气的温度、检测的环境温度和检测的环境湿度对白烟减 少区域做出判定(SlB)。在S1B，术语“白烟减少区域”是指包含在排放到环境空气的阴极放气中的水蒸气 是白色的和可见的这种状态。白烟减少区域与阴极放气的温度、环境温度以及环境湿度之间的关系可通过实验或模拟提前获得。例如，提前通过实验或模拟准备如图8所示的映射 图(图表)。然后，ECU 15可利用映射图对白烟减少区域进行判定。图8中示出的符号Δ T代表阴极放气温度与环境温度之间的差值。图8中示出的 术语“湿度”是指环境湿度。图8中的圆形标记表示ΔΤ1和环境湿度在白烟减少区域中。 图8中的X形标记表示ΔΤ1和环境湿度不在白烟减少区域中。如果使用图8中的映射图 来判断ΔΤ1和环境湿度是否在白烟减少区域中，那么E⑶15计算ΔΤ1和阴极放气的温度 与环境温度之间的差值。然后，E⑶15参照图8所示的映射图来判定ΔΤ1和环境湿度是 否在白烟减少区域中(SlB)。如果判定Δ Tl和环境湿度在白烟减少区域中(SlB中为是)，那么E⑶15执行S2 和S2之后的处理。S2和S2之后的处理与第一实施方式及第二实施方式中的那些处理相 同，因此省略对它们的描述。另一方面，如果E⑶15判定ΔΤ1和环境湿度不在白烟减少区 域中(SlB中为否)，则处理返回到S1A。根据该实施方式，能够在初始阶段兼顾环境湿度来判定是否需要白烟减少。另外，从图7的S2开始往后，执行与从图2的S2开始往后的那些步骤相同的步 骤。可替代地，可以从图7的S2开始往后执行与图3的S4开始往后的那些步骤相同的步 骤。如另外可替代地，可从图7的S2开始往后执行与从第二实施方式的图5的S2开始往 后或者从图6的S4开始往后的那些步骤相同的步骤。
将参照图9至11描述根据本发明第四实施方式的燃料电池系统。在第一到第三 实施方式中，当判定白烟减少必要时，ECU 15就会基于白烟是否从车辆外部高度可见或者 白烟是否影响驾驶员的视线来执行白烟减少控制或者白烟抑制控制。在该实施方式中，燃料电池系统利用尚未通过燃料电池组的空气稀释包含水蒸气 并且已经通过燃料电池组1的阴极放气。在这种情况下，利用反映车辆速度的估值表达式 来确定作为控制目标的包含水蒸气的空气的稀释比。其它构造和功能与第一至第三实施方 式中的那些构造和功能相同。因此同样的部件用同样的附图标记指示以省略对它们的描 述。图9是根据该实施方式的燃料电池系统的构造图。与图1的构造相比较，在图9 中，在阴极侧上增加了空气背压调节器31和稀释器32。阴极放气通道6从阴极侧连接至稀 释器32。在阳极侧，阳极放气支路37经由排气阀36连接至阳极放气通道3。阳极放气支路 37也连接至稀释器32。此外，在图9中，用于氢的压力调节器10的上游设有切断阀30。E⑶15控制空气背压调节器31、排气阀36以及泵9以控制阴极放气和阳极放气 的稀释比。图10示出了配备有该燃料电池系统的车辆概念。在图10中，车辆以速度V沿箭 头方向前进。此时从阴极放气通道6向稀释器32排放的阴极放气的流量限定为Qairex。在这种情况下，车速为ν时的阴极放气的稀释比Dr由下面的公式1限定，车速ν 反映了阴极放气被环境空气稀释的影响[公式1]<formula>formula see original document page 15</formula>其中，k 转换系数，用以获得稀释空气的量Qairex 排放空气的量Ph2o0fc 在FC(燃料电池)的操作温度下的饱和水蒸气压力PH20@atffl 在环境温度下的饱和水蒸气压力在公式中，k代表转换系数，其用于计算用以在车速为ν的情况下稀释阴极放气的 空气的量；PH2Mrc是在燃料电池组1的操作温度下的饱和蒸汽压；以及PH2Matm是在环境温度 下的饱和蒸汽压。从物理意义上讲，公式1意味着随着车速提高通过稀释降低阴极放气的浓度。也 就是说，如果在燃料电池组1的操作温度下的饱和蒸汽压高于在环境温度下的饱和蒸汽 压，则 PH20@Fc/PH20@atm 大于1，这满足产生白烟的条件。此处， PH20@Fc/PH20@atm 代表当阴极放气释 放到环境空气中时凝结成水滴的阴极放气的比例。此外，(PH2Mrc/PH2Matm) xQairex则代表当 阴极放气释放到环境空气中时凝结成水滴的阴极放气的量。然而，当车速ν足够高时，由于与阴极放气被稀释时的相同效果导致白烟不明显。 稀释比Dr指示出这种效果的程度。因此，P_rc/PH2Matm设定成多个值，并且对于每个值而言，当改变阴极放气流量 Qairex和车速ν时能够观测到产生白烟的程度。基于从这种试验获得的数值，能够得出Ph2m rc、PH2。@atm、俶irex和车速ν与白烟的产生程度(可见性)之间的关系。由从试验获得的数 值，确定要由稀释比Dr实现的值(以下称为“基准值DrO”)。因此，在将该基准值DrO设在 ECU 15的存储器(未示出)的情况下，能够控制燃料电池的操作状态，从而使得稀释比Dr 等于或小于该基准值DrO。图11是示出在这种情况下E⑶执行的控制的流程图。在该处理中，E⑶15首先 从电池组温度传感器20读取燃料电池组1的操作温度，以计算阴极放气的饱和蒸汽压Ph2m fc(S21)。然而，可用图1中的排气温度传感器替代电池组温度传感器20来检测阴极放气的温度。接着，E⑶15从环境温度传感器19A读取环境温度以计算环境空气的饱和蒸汽压 PH20@atm(S22) 0进一步地，ECU 15从车速传感器(未示出)读取车速v(S23)。然后，ECU 15 根据公式1确定阴极放气流量Qairex使得稀释比Dr等于或小于基准值DrO (S24)。然后， E⑶15控制泵9的转速使得阴极放气流量等于或小于Qairex(S25)。如上所述，依据根据第四实施方式的电池燃料系统，E⑶15基于阴极放气的饱和 蒸汽压、环境空气的饱和蒸汽压以及车速来控制阴极放气的排量，即控制泵9的转速，使得 稀释比等于或小于基准值DrO。根据这种控制，可通过根据车速ν控制阴极放气的排量即稀 释比而将阴极放气引起的白烟控制成不明显。在第四实施方式中，ECU 15根据车速ν来控制阴极放气的排量，即控制阴极放气 的稀释比，从而抑制白烟。在这种控制中，E⑶15可进一步控制阴极侧上的背压。通过打开位于燃料电池组1的阴极侧上的流动路径的出口处的背压调节器31来控制阴极侧上的背压。在该燃料电池系统中，ECU 15计算排放的阴极放气的质量流的量。例如，假定产生功率同时要求阴极放气的排放量为M克。当阴极侧上的背压较高时，相同质量的排放的 放气的体积会较小。例如，当背压翻倍时，所要求的排放的放气的流量减半。另一方面，饱和蒸汽压取决于放气的温度而非背压，因此通常无论背压如何，相同 体积的放气中总是含有恒定量的水蒸气。因此，当背压翻倍时，所要求的排放的放气的体积 流量减半。于是，此时，要与放气一起排放的水蒸气的量也减半。通过将背压的影响反映在通过公式1给出的稀释比中，可以获得下面的公式2。[公式2]
<formula>formula see original document page 16</formula><formula>formula see original document page 16</formula>通过增大背压带来的体积流量上的变化在该公式中，Patm代表大气压；Pback代表阴极侧上的背压；以及QairX (Patm/ Pback)代表通过增大背压带来的体积流量上的变化。因此，对于将要排放相同量(质量) 的放气而言，能够通过改变体积流量来减小稀释比。相反，在操作期间当背压减小时，可以 通过减少将要排放的放气的质量的量来减少白烟的产生。如在上述改型1中所描述的，除执行图11的处理之外，E⑶15还可进一步通过控 制背压来减少白烟的产生。如果优先控制背压，则ECU 15可根据背压的变化来增多和减少 要排放的放气的质量的量。在第四实施方式中，ECU 15根据车速ν来控制阴极放气的排量，即控制阴极放气 的稀释比，从而抑制白烟的产生。在这种情况下，车辆周围的风的影响会反映在车速ν上。 例如，可在车辆周围的四个部位处，即可在车辆的前侧、后侧、左侧及右侧上设置风压传感 器，以基于风压计算车辆与环境空气之间的相对速度V，而不管车辆是静止的还是行进的。 作为车辆与环境空气之间的相对速度V，可以利用纵向上的一个较大的相对速度Vl和横向 上的相对速度V2，其中相对速度Vl基于在车辆的纵向上的风压，相对速度V2则基于车辆的 横向上的风压。然后，E⑶15可基于在车速为ν的情况下车辆与环境空气之间的相对速度V来计 算公式1中的稀释比。通过这种方式，在燃料电池系统抑制白烟的产生处理中，即使当车辆 以低速行驶或者静止时，仍然可通过考虑车辆与环境空气之间的相对速度计算稀释比而增 大能够排放的阴极放气的限制量。尽管已经参照本发明的示例性实施方式描述的本发明，但是应当理解，本发明并 不局限于所描述的实施方式或结构。相反，本发明意在涵盖各种变型及等同布置。另外，尽 管以多种组合和构造示出了示例性实施方式的多个要素，但是包括更多、更少或仅只单个 要素的组合和构造也在本发明的精神和范围内。
权利要求
一种用于移动体的燃料电池的排气状态控制装置，其检测来自安装在移动体上的燃料电池的排气的状态，其特征在于包括白烟产生判定部，其基于排气的状态与环境空气的状态之间的关系来判定是否产生白烟；运动传感器，其检测所述移动体的移动；条件判定部，当所述白烟产生判定部判定产生白烟时，所述条件判定部基于来自所述运动传感器的检测信号来判定是否满足减少白烟的条件；以及控制部，如果所述条件判定部判定满足预定条件，则所述控制部启动减少白烟的处理。
2.如权利要求1所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，还包括 操作状态传感器，其检测操作所述移动体的操作部的操作状态；以及 感测所述移动体的周围环境状态的传感器，其中，所述条件判定部基于以下状态中的至少一个来判定是否满足所述减少白烟的 条件检测到的所述移动体的移动状态；检测到的操作所述移动体的所述操作部的操作状 态；以及检测到的所述移动体的周围环境状态。
3.如权利要求1所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中，当所述条件判定部 判定满足第一预定条件时，所述控制部启动减少白烟的处理；并且，如果所述条件判定部判 定满足第二预定条件，则所述控制部启动比当判定满足所述第一预定条件时进一步减少白 烟产生的处理。
4.如权利要求2所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中，当所述条件判定部 判定满足第一预定条件时，所述控制部启动减少白烟的处理；并且，如果所述条件判定部判 定满足第二预定条件，则所述控制部启动比当判定满足所述第一预定条件时进一步减少白 烟产生的处理。
5.如权利要求4所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，还包括排气温度传感器，其测量排放通道中的排气的温度，所述排放通道排放来自所述燃料 电池的主体的排气；以及环境温度传感器，其测量环境空气的温度，所述排气将排放到所述环境空气中， 其中，所述白烟产生判定部根据所述排气的温度与所述环境的温度之差来判定是否产 生白烟。
6.如权利要求4所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，还包括排气温度传感器，其测量排放通道中的排气的温度，所述排放通道排放来自所述燃料 电池的主体的排气；环境温度传感器，其测量环境空气的温度，所述排气将排放到所述环境空气中，以及 环境湿度传感器，其测量所述排气将排放到其中的所述环境空气的湿度， 其中，所述白烟产生判定部根据所述排气的温度与所述环境的温度之差以及所述环境 的湿度来判定是否产生白烟。
7.如权利要求4至6中任一项所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中， 如果满足以下条件的任一个则满足所述第一条件所述移动体的移动速度被判定为处于或低于预定值；以及所述移动体周围的白烟的可见性被判定为比在基准环境中的白烟的 可见性高；并且如果以下两个条件都满足则满足所述第二条件所述移动体的移动速度被判定为处于 或低于所述预定值；以及所述移动体周围的白烟的可见性被判定为比在所述基准环境中的 白烟的可见性高。
8.如权利要求7所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中，所述移动体的移动 速度被判定为处于或低于所述预定值的条件包括所述移动体静止的状态。
9.如权利要求7所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中，所述移动体的移动 速度是所述移动体的绝对速度或者是所述移动体与所述移动体周围的环境空气之间的相 对速度。
10.如权利要求4至6中任一项所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中， 所述移动体是车辆；如果满足以下条件的任一个则满足所述第一条件变速杆被判定处于驻车位置；以及 所述移动体周围的白烟的可见性被判定为比在基准环境中的白烟的可见性高；并且如果以下两个条件都满足则满足所述第二条件所述变速杆被判定为处于所述驻车位 置；以及所述移动体周围的白烟的可见性能够被判定为比在所述基准环境中的白烟的可见性高。
11.如权利要求4至6中任一项所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中， 如果满足以下条件的任一个则满足所述第一条件所述白烟产生判定部判定产生白烟，或者所述移动体的移动速度处于或低于预定值并且所述移动体周围的白烟的可见性被 判定为比在基准环境中的白烟的可见性低；并且如果以下两个条件都满足则满足所述第二条件所述移动体的移动速度被判定为处于 或低于所述预定值；以及所述移动体周围的白烟的可见性被判定为比在所述基准环境中的 白烟的可见性高。
12.如权利要求11所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中，如果满足以下条 件所述白烟产生判定部判定产生白烟；以及所述移动体的移动速度处于或低于所述预定 值并且所述移动体周围的白烟的可见性被判定为比在所述基准环境中的白烟的可见性低， 则以不同的级别执行在所述条件判定部判定已经满足所述第一预定条件时的所述减少白 烟的处理。
13.如权利要求4至12中任一项所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中，如果满足以下条件中的任一个则满足所述第一条件操作所述移动体的操作者的视线 被判定受到白烟影响；以及所述移动体周围的白烟的可见性比在基准环境中的白烟的可见 性高；并且如果以下两个条件都满足则满足所述第二条件操作所述移动体的所述操作者的视线 被判定受到白烟影响；以及所述移动体周围的白烟的可见性比在所述基准环境中的白烟的 可见性高。
14.如权利要求7至13中任一项所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中，所述 基准环境包括白天环境和非雨天环境中的至少之一。
15.如权利要求14所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中， 所述移动体是车辆；基于前灯是否为开来判定所述操作部的所述操作状态；基于以下至少之一来判定所述周围环境状态用于自动灯的黑暗检测信号是否为开； 当前时间是否是在日落之后和日出之前；是否不能接收到来自全球定位系统的信号；刮水 器是否为开；雨感测信号是否为开；以及所述环境湿度传感器的检测值是否超过预定值； 并且如果满足上述所判定的状态中的至少一个，则所述条件判定部判定所述基准环境是白 天或者非雨天的环境。
16.如权利要求13所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中，如果所述移动体 沿排气的排放方向前行，则判定所述操作者的视线受到白烟的影响。
17.如权利要求13所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中，所述移动体是车辆；并且在以下情形至少之一时判定满足白烟干扰所述移动体的操作者的视线的条件所述变 速杆处于倒车位置；以及驻车制动器为关。
18.如权利要求4至17中任一项所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中，所述 减少白烟的处理是以下处理中的至少一个控制所述排气温度的处理；以及控制所述燃料 电池的空气电极侧处的排气的流量的处理。
19.如权利要求18所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中，所述空气电极侧 处的排气的排放被控制成使得排气的流量的限度随着所述移动体的移动速度减小而减小。
20.如权利要求18或19所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中，所述空气电 极侧处的排气的压力或流量被控制成使得排气的流量的限度随着排气的压力增大而增大。
21.如权利要求4至20中任一项所述的用于燃料电池的排气状态控制装置，其中，当所 述条件判定部判定满足所述第二预定条件时执行的所述减少白烟产生的处理包括以下至 少之一停止扫气空气；以及切断至所述燃料电池的氢供给压力。
全文摘要
一种用于移动体的燃料电池的排气状态控制装置，该控制装置包括排气温度传感器(17)，其测量排放通道中的排气的温度，排放通道排放来自燃料电池的主体的排气；以及环境温度传感器(19A)，其测量排气将要排放到其中的环境空气的温度。如果基于排气温度与环境温度之间的差值判定产生白烟，那么判定是否满足减少白烟的条件。当满足第一条件时，启动减少白烟的处理。当满足比在第一条件下更加减少白烟的第二条件时，启动抑制白烟产生的处理。
文档编号H01M8/04GK101821886SQ200880101311
公开日2010年9月1日 申请日期2008年7月31日 优先权日2007年8月1日
发明者末松启吾, 泉谷尚秀, 田中浩己 申请人:丰田自动车株式会社