專利名稱：燃料電池的控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池的控制裝置，更特別地，在停止燃料電池時控制氣壓。
背景技術：
停止燃料電池時，當防止燃料電池中由于燃料電極內(nèi)部電阻增加和隨后燃料電極與氧化劑電極間壓差增加而發(fā)生的退化時，迅速停止用于燃料電極的氣體和用于氧化劑電極的氣體是必要的。
日本未審查專利公開2000-512069披露了一種防止電解質(zhì)逐步退化的技術(此后稱之為第一現(xiàn)有技術)，這種退化可歸于電池內(nèi)部電阻增加而引起的電流密度分布變化，電池內(nèi)部電阻的增加是由于過量的氧引起氧化物敷層形成，通過封閉氧化劑電極邊的供給閥門，以及在停止燃料電池事件中氧化劑電極邊的氧壓降低到預定值時封閉燃料電極邊的供給閥門而導致電解質(zhì)退化。
同時，日本未審查專利公開8(1996)-45527披露了一種在燃料電池緊急停止時防止燃料電極和氧化劑電極間壓差增加的技術(此后稱之為第二現(xiàn)有技術)，該技術被設計用于從燃料重整裝置供給重整氣，采取在持續(xù)空氣鼓風機轉動預定時間周期時使氣體持續(xù)供給到氧化劑電極的方法。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在第一現(xiàn)有技術中用于氧化劑電極的氣體被預先停止。因此，在供給氧化劑氣體的結構(典型地由壓縮機和壓力調(diào)節(jié)閥組成)中，氧化劑電極邊的氣體壓力突然降低，結果仍然在工作的燃料電極邊的氣壓與氧化劑電極邊的氣壓間的壓差變得過量。因此，第一現(xiàn)有技術存在負擔電解質(zhì)惡化危險的問題。
同時，在第二現(xiàn)有技術中，在停止燃料電池時對氧化劑電極持續(xù)供給氣體由定時器控制。然而，燃料電極上氣壓與氧化劑電極上氣壓之間壓差的不同可能發(fā)生波動，這依賴于停止燃料電池事件中的操作條件。因此，盡管采用定時器進行控制，在停止對氧化劑電極供給氣體之后不能保證壓差維持在容忍的范圍內(nèi)，而且燃料電極與氧化劑電極之間的壓差可能和第一現(xiàn)有技術中一樣過量。因此，第二現(xiàn)有技術也存在負擔使電解質(zhì)惡化危險的問題。
考慮到前述的問題，本發(fā)明的目的就是提供燃料電池控制裝置，這種裝置在停止燃料電池時能夠維持燃料電極與氧化劑電極之間壓差處于可容忍的范圍內(nèi)，從而排除其中的電解質(zhì)惡化的危險。
為了達到前述目的，本發(fā)明提供用于燃料電池的控制裝置，該裝置包括判斷停止燃料電池程序啟動的停止程序啟動判斷單元、基于來自于燃料電池停止程序啟動判斷單元的輸出將燃料電極上的燃料氣體控制到停止狀態(tài)的燃料電極氣體控制單元、探測燃料電極上氣壓的氣壓探測單元以及氧化劑電極氣體控制單元，氧化劑電極氣體控制單元用于控制氧化劑電極上氣壓從而使氧化劑電極上氣壓與燃料電極上氣壓之間的壓差降低到基于來自于氣壓探測單元輸出和來自于燃料電池停止程序啟動判斷單元輸出的允許壓差最大值之內(nèi)，氧化劑電極氣體控制單元還用于在氣壓探測單元探測到的氣壓達到大氣壓與允許壓差的最大值之和后將氧化劑電極上的氣壓控制到大氣壓力。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池控制裝置的基本結構視圖。
圖2是采用本發(fā)明具體實施方式
的燃料電池系統(tǒng)的硬件結構視圖。
圖3是顯示未采用本發(fā)明的燃料電池在停止事件中的氣壓隨時間變化的時序圖。
圖4是顯示采用本發(fā)明的燃料電池在停止事件中的氣壓隨時間變化的時序圖。
圖5是用于解釋根據(jù)具體實施方式
控制器操作的總體流程圖。
圖6是用于解釋根據(jù)具體實施方式
停止氫控制的程序的詳細流程圖。
圖7是另一個用于解釋根據(jù)具體實施方式
停止氫控制的程序的詳細流程圖。
圖8是用于解釋根據(jù)具體實施方式
空氣控制的程序的詳細流程圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將參照附圖詳細地描述關于根據(jù)本發(fā)明的燃料電池控制裝置的具體實施方式
。
圖1中，燃料電池的控制裝置包括判斷停止燃料電池程序啟動的停止程序啟動判斷單元101、基于來自于燃料電池停止程序啟動判斷單元101的輸出將燃料電極上的燃料氣體控制到停止狀態(tài)的燃料電極氣體控制單元102、探測燃料電極上氣壓的氣壓探測單元103以及氧化劑電極氣體控制單元104，氧化劑電極氣體控制單元104用于控制氧化劑電極上氣壓從而使氧化劑電極上氣壓與燃料電極上氣壓之間的壓差降低到基于來自于氣壓探測單元103輸出和來自于燃料電池停止程序啟動判斷單元101輸出的允許的壓差最大值之內(nèi)，氧化劑電極氣體控制單元104還用于在氣壓探測單元探測到的氣壓達到大氣壓力與允許壓差的最大值之和后將氧化劑電極上的氣壓控制到大氣壓力。
圖2是采用根據(jù)本發(fā)明的燃料電池控制裝置具體實施方式
的燃料電池系統(tǒng)的硬件結構視圖。這里，燃料電池被應用于燃料電池車輛或者包括燃料電池的混合車輛的能源。
如圖2所示，燃料電池包括燃料電池主體的燃料電池組201，它包括作為氧化劑電極的空氣電極201a和燃料電極201b、濕度調(diào)節(jié)器202、壓縮機203、貯存燃料氫氣的高壓氫罐215、控制高壓氫流速的可變閥門204、控制壓力和空氣流速的節(jié)流器205、向外卸載氫的凈化閥206、凈化水泵207、使從燃料電池組201排出的氫循環(huán)回流的排出器208、獲取燃料電池組201外部輸出的驅動單元209、探測燃料電池入口處空氣壓力的空氣壓力傳感器210、探測燃料電池入口處氫壓力的氫壓力傳感器211、探測流入燃料電池的空氣的流速的空氣流速傳感器212、探測流入燃料電池的氫的流速的氫流速傳感器213、用于獲取各傳感器(210、211、212和213)信號以及根據(jù)內(nèi)嵌的控制軟件對燃料電池的各制動器(203、204、205和206)進行控制的控制器214。
壓縮機203壓縮和傳送空氣到濕度調(diào)節(jié)器202，濕度調(diào)節(jié)器202使用從凈化水泵207供給的凈化水將空氣增濕。增濕后的空氣被傳送到燃料電池組201。
通過可變閥門204控制貯存在高壓氫罐215中的氫氣的流速，氫氣在注射器208中與來自于燃料電極201b的廢氣合并。合并后的氣體被傳送到濕度調(diào)節(jié)器202。濕度調(diào)節(jié)器202使用從凈化水泵207供給的凈化水將氫氣增濕，和空氣一樣，而且增濕后的氫氣被傳送到燃料電池組201的燃料電極201b。燃料電池組201通過促進空氣與被送到那里的氫氣的反應而產(chǎn)生電，并將電流(電能)供給到驅動單元209。
燃料電池組201上反應后的殘余空氣被排放到燃料電池外面?？諝鈮毫τ晒?jié)流器205控制，而且空氣被排放到大氣中。同時，燃料電池組上反應后的殘余氫氣被排放到燃料電池外面，但是殘余氫氣通過排出器208循環(huán)回流到濕度調(diào)節(jié)器202中并重新用于能源產(chǎn)生。
控制器214獲取分別來自于探測空氣電極201a入口處空氣壓力的空氣壓力傳感器210、探測空氣流速的空氣流速傳感器212、探測燃料電極201b入口處氫壓力的氫壓力傳感器211和探測氫流速的氫流速傳感器213探測到的值。隨后，控制器214控制壓縮機203、節(jié)流器205和可變閥門204，這樣獲取的探測值被分別調(diào)整到由那時的目標產(chǎn)生電量決定的給定目標值。而且，根據(jù)達到目標值的實際壓力和流速控制器214指示和控制從燃料電池組201取出到驅動單元209的輸出(電流值)。
此外，控制器214包括燃料電池停止重新啟動判斷單元101、燃料電極氣體控制單元102和氧化劑電極氣體控制單元104，如圖1中所示。
在具有如圖2所示結構的燃料電池中，沒有控制器214控制，在停止燃料電池的事件中未采用本發(fā)明的燃料電極上氫壓力和空氣電極上空氣壓力隨時間變化的情況被顯示在圖3的時序圖中。
現(xiàn)在，例如，假設當電池在工作時在時間點t0由于某個原因判斷停止燃料電池程序啟動的條件產(chǎn)生。作出在時間點(t0)停止供給空氣和氫的判斷。響應于該判斷，壓縮機203停止而且節(jié)流器205對于空氣系統(tǒng)完全打開。同時，可變閥門204關閉而且凈化閥門206對于氫系統(tǒng)完全打開。這種方式中，空氣電極上的空氣壓力如圖3中點劃線指示迅速降低。
另一方面，因為提供用于防止由于水阻塞或者類似原因造成輸出降低的凈化閥206有小的流速，燃料電極上氫壓力如圖3中實線指示的逐漸地降低。這是由于下面的事實，凈化閥被供給了用于放出阻塞水的最小流速以避免操作過程中凈化時壓力的突然下降。
在停止燃料電池時也有凈化閥沒有被立即打開的情況。作為替代，在廢氣處理器(處理排放的氫氣)被設定到準備操作后，控制凈化閥為完全打開。在這種情況中，燃料電極上氫氣壓力的下降被進一步延遲。
因此，可能存在壓力迅速降低的空氣電極與壓力逐漸降低的燃料電極之間的壓差過多地增加的情況，如圖3中所示。如果壓差超出允許的限度，則可能存在燃料電池電解質(zhì)惡化的情況。這里，為了防止出現(xiàn)大的壓差，可以想到，單獨提供另外一個大流速凈化閥用于停止燃料電池。然而，這樣的凈化閥導致成本增加以及氣壓降低加速。因此，實現(xiàn)氧化劑電極先于燃料電極停止的狀態(tài)是困難的。
因此，在本發(fā)明中，當燃料電池停止程序啟動的判斷發(fā)生時停止燃料氣體的供給，同時凈化閥完全打開或者繼續(xù)產(chǎn)生能量。同時，繼續(xù)供給氧化劑氣體以持續(xù)壓力控制，這樣，氧化劑氣壓追蹤燃料氣壓的變化。采用這種方法，燃料電極與氧化劑電極之間氣壓的壓差被維持在允許壓差的最大值之內(nèi)。
圖4是顯示在通過根據(jù)本發(fā)明的燃料電池控制裝置停止燃料電池的事件中燃料電極上壓力和空氣電極上壓力隨時間變化情況的時序圖。在圖4中，例如，假設當燃料電池工作時，在時間點t0處，判斷停止燃料電池程序啟動的條件發(fā)生?？刂破?14立即關閉可變閥204以停止燃料氣體(氫)的供給，此時，控制器214完全打開凈化閥206。同時，繼續(xù)從壓縮機203供給空氣而且節(jié)流器205被調(diào)整到打開的角度，從而使空氣電極上的空氣壓力追蹤燃料電極上氫壓力的變化。而且，當氫壓力達到大氣壓力與允許壓差最大值(α)的和時(該時間點稱之為時間點t1)，壓縮機203被停止而且節(jié)流器205完全打開，由此空氣壓力被控制到與大氣壓相等。
采用這種方法，能夠防止由于氧化劑電極與燃料電極之間過大壓差產(chǎn)生的電解質(zhì)惡化。而且，還能夠防止由于電流密度分布變化產(chǎn)生的電解質(zhì)逐漸惡化，電流密度分布變化是由于過量氧形成氧化物敷層使電池內(nèi)部電阻增加而產(chǎn)生的。
(第一具體實施方式
)下面，將參照圖5、圖6和圖8的流程圖詳細描述關于圖1和圖2中所示結構中的第一具體實施方式
的操作。圖5是總體流程圖，由控制器214在每個給定時間周期(例如每10ms)內(nèi)執(zhí)行。
首先，在S501步驟中，對停止燃料電池程序是否啟動進行判斷。當未處于停止燃料電池的狀態(tài)時，執(zhí)行步驟S502中的正常操作控制，然后操作結束。在正常操作控制中，例如，計算用于利用燃料電池組201產(chǎn)生驅動單元209所需電能(電流)相應的氫氣壓力和/或氫氣流速和空氣壓力和/或空氣流速。而且，控制壓縮機203、節(jié)流器205和可變閥門204以形成這些壓力值和/或流速。
如果在步驟S501中作出停止燃料電池程序啟動的判斷，則在步驟S503中氫控制被停止。隨后，在步驟S504中，從用于探測燃料電極入口處氫壓力的壓力傳感器211獲取探測值。然后，將獲取的氫壓力與預定值進行比較。
該預定值指大氣壓與燃料電極上氣壓與空氣電極(氧化劑電極)上氣壓之間允許壓差α的最大值之和。這里，允許壓差α的最大值是根據(jù)燃料電池結構、電解質(zhì)材料和結構等等確定的值。在使用固體高分子電解質(zhì)的燃料電池組的情況中，允許壓差α的最大值通常比大氣壓小。
如果在步驟S504中氫壓力被判定大于預定值，那么操作進行到步驟S505以繼續(xù)控制空氣電極上的壓力和流速，然后操作結束。
如果在步驟S504中氫壓力未被判定大于預定值，那么操作進行到步驟S506以停止空氣的供給和壓力控制，然后操作結束。
圖6是顯示圖5的步驟S503中停止氫控制程序內(nèi)容的詳細流程圖。
在步驟S601中，發(fā)出用于關閉可變閥門204的控制信號以停止氫供給。在不受S602中，燃料電極201b上氫壓力由壓力傳感器211進行探測。在步驟S603中，計算出探測到的氫壓力相應的所需產(chǎn)生電量。
這里，根據(jù)可變閥門下游氫氣流程的體積和氫氣壓力之乘積計算氫的相當重量。根據(jù)氫的相當重量，預先計算氫氣壓力與所需產(chǎn)生電量之間的關系。然后，預先將關系圖存儲在控制器214中，這樣，按那樣的關系，當氫壓力增加時必需產(chǎn)生電量增加。因此，可參照圖計算所需產(chǎn)生電量。
同時，在包括正常發(fā)電的過程中根據(jù)產(chǎn)生電量計算氫壓力的系統(tǒng)中，還可以采用正規(guī)計算方法的逆計算結構。
在步驟S604中，凈化閥完全打開。從而，完成子程序過程而且操作返回到總體流程圖。
圖8是顯示在圖5的步驟S505中持續(xù)空氣控制程序內(nèi)容的詳細流程圖。
在步驟S801中，根據(jù)步驟S503中計算的所需產(chǎn)生電量計算發(fā)電所需的空氣流速。在步驟S802中，控制實際空氣流速是其與計算值相當。在步驟S803中，控制空氣壓力以追蹤氫壓力。從而，完成子程序過程而且操作返回到總體流程圖。
(第二具體實施方式
)接下來，將參照圖5、圖7和圖8的流程圖詳細描述關于圖1和圖2中所示結構中的第二具體實施方式
的操作。
因為圖5和圖8與第一具體實施方式
中相同，將只對圖7進行描述。
圖7是顯示圖5的步驟S503中停止氫控制程序內(nèi)容的詳細流程圖。
在步驟S701中，發(fā)送關閉可變閥門204的控制信號以停止氫供給，在步驟S702中，通過壓力傳感器211探測燃料電極201b上的氫壓力。
在步驟S703中，通過參照正常操作中使用的圖進行逆計算的方法，計算相應于探測到的氫壓力的所需產(chǎn)生電量。在步驟S704中，輸出命令到驅動單元209(用于獲取步驟S703中計算出的作為電能的所需產(chǎn)生電量)，然后程序完成。
這里，通過采用第一具體實施方式
中的凈化閥排除氣體使燃料電極上的氫壓力減小。同時，通過第二具體實施方式
中相應于氫壓力的發(fā)電使氫壓力減小。然而，同時執(zhí)行兩種方式是可能的。
此外，在兩個具體實施方式
種，采用相應于實際氫壓力的所需產(chǎn)生電量計算空氣電極上的流速。然而，空氣電極上的流速可以替代地被定義為預定值。這樣的預定值可以被適當定義為足以控制空氣壓力的流速。
根據(jù)前述的具體實施方式
，該控制裝置包括判斷停止燃料電池程序啟動的停止程序啟動判斷單元101、基于來自于燃料電池停止程序啟動判斷單元101的輸出將燃料電極上的燃料氣體控制到停止狀態(tài)的燃料電極氣體控制單元102、探測燃料電極上氣壓的氣壓探測單元103以及氧化劑電極氣體控制單元104，氧化劑電極氣體控制單元104用于控制氧化劑電極上氣壓從而使氧化劑電極上氣壓與燃料電極上氣壓之間的壓差降低到基于來自于氣壓探測單元103輸出和來自于燃料電池停止程序啟動判斷單元101輸出的允許的壓差最大值之內(nèi)，氧化劑電極氣體控制單元還用于在氣壓探測單元103探測到的氣壓達到大氣壓與允許壓差的最大值之和后將氧化劑電極上的氣壓控制到大氣壓力。因此，能夠在防止電解質(zhì)因燃料電極上氣壓與氧化劑電極上氣壓之間的壓差而毀壞的同時迅速停止燃料電池。
而且，控制裝置采用在燃料氣壓達到大氣壓與允許壓差最大值之和后將氧化劑電極邊的氣壓向下控制到大氣壓的結構。因此，能夠確保在停止通過設定氧化劑電極上的氣壓低到大氣壓進行的控制之后防止壓差超出允許壓差的最大值。而且，通過設定氣體控制使氧化劑電極邊早于燃料電極邊達到大氣壓的方式，能夠防止由于電流密度分布變化產(chǎn)生的電解質(zhì)逐漸惡化，電流密度分布變化是由于過多氧形成氧化物敷層使電池內(nèi)部電阻增加而產(chǎn)生的。
而且，根據(jù)第一具體實施方式
，燃料電極氣體控制單元102是被設計成用于當燃料電池停止程序啟動判斷單元101確定啟動停止程序時停止燃料氣體供給和打開排氣閥向外排出燃料氣體的單元。同時，氧化劑電極氣體控制單元104是被設計用于當燃料電池停止程序啟動判斷單元101確定啟動停止程序時繼續(xù)氧化劑氣體的供給和允許氧化劑氣體壓力追蹤燃料氣體壓力的單元。因此，當獲得停止燃料電池程序啟動的判斷時，能夠通過打開排氣閥促進燃料氣體壓力降低和確保將燃料電極邊氣壓和氧化劑電極氣壓之間的壓差控制到維持在預定范圍內(nèi)。
而且，根據(jù)第二具體實施方式
，燃料電極氣體控制單元102是被設計用于通過當燃料電池停止程序啟動判斷單元101確定啟動停止程序時繼續(xù)發(fā)電的方法停止燃料供給和減小燃料電極上氣壓的單元。同時，氧化劑電極氣體控制單元104是被設計用于當燃料電池停止程序啟動判斷單元101確定啟動停止程序時繼續(xù)氧化劑氣體的供給和允許氧化劑氣體壓力追蹤燃料氣體壓力的單元。因此，燃料氣體能夠通過繼續(xù)發(fā)電而被消耗，由此，能夠通過繼續(xù)發(fā)電促進燃料氣體壓力降低和從燃料氣體中獲得電能產(chǎn)生。
而且，根據(jù)第一具體實施方式
，氧化劑電極氣體控制單元104是被設計用于當燃料電池停止程序啟動判斷單元101確定啟動停止程序時持續(xù)供給相應于預定產(chǎn)生電量的氧化劑氣體的單元。因此，能夠在執(zhí)行停止程序的過程中以簡單的方法按剛好的比例繼續(xù)供給氧化劑氣體，還能夠將壓力控制到所需的值。
此外，根據(jù)第一具體實施方式
，在燃料電池停止程序啟動判斷單元101確定啟動停止程序的事件中，根據(jù)燃料氣體的壓力可以設定預定產(chǎn)生電量。因此，能夠在減少繼續(xù)發(fā)電時間的同時迅速停止燃料電池。
在此特以參考形式結合日本專利申請2002-8762的全部內(nèi)容。
權利要求
1.燃料電池的控制裝置，包括判斷停止燃料電池程序啟動的燃料電池啟動判斷單元；基于來自于燃料電池停止程序啟動判斷單元的輸出將燃料電極上的燃料氣體控制到停止狀態(tài)的燃料電極氣體控制單元；探測燃料電極上氣壓的氣壓探測單元；以及氧化劑電極氣體控制單元，用于控制氧化劑電極上氣壓從而使氧化劑電極上氣壓與燃料電極上氣壓之間的壓差降低到基于來自于氣壓探測單元輸出和來自于燃料電池停止程序啟動判斷單元輸出的允許壓差最大值之內(nèi)，還用于在氣壓探測單元探測到的氣壓達到大氣壓與允許壓差的最大值之和后將氧化劑電極上的氣壓控制到大氣壓力。
2.根據(jù)權利要求1的燃料電池控制裝置，其中燃料電極氣體控制單元用于當燃料電池停止程序啟動判斷單元確定啟動停止程序時，停止燃料氣體供給和打開排氣閥以向外排放燃料氣體，和氧化劑電極氣體控制單元被設計成用于當燃料電池停止程序啟動判斷單元確定啟動停止程序時繼續(xù)供給氧化劑氣體并允許氧化劑氣體壓力追蹤燃料氣體壓力。
3.根據(jù)權利要求1的燃料電池控制裝置，其中燃料電極氣體控制單元用于當燃料電池停止程序啟動判斷單元確定啟動停止程序時，停止燃料氣體供給和通過繼續(xù)產(chǎn)生能量的方法減小燃料電極上的氣壓，和氧化劑電極氣體控制單元被設計成用于當燃料電池停止程序啟動判斷單元確定啟動停止程序時繼續(xù)供給氧化劑氣體并允許氧化劑氣體壓力追蹤燃料氣體壓力。
4.根據(jù)權利要求2的燃料電池控制裝置，其中氧化劑電極用于當燃料電池停止程序啟動判斷單元確定啟動停止程序時相應于燃料電池預定產(chǎn)生電量繼續(xù)供給氧化劑氣體。
5.根據(jù)權利要求4的燃料電池控制裝置，其中根據(jù)燃料電池停止程序啟動判斷單元確定啟動停止程序時燃料氣體的壓力設定預定產(chǎn)生電量。
全文摘要
燃料電池停止程序啟動判斷單元(101)判斷停止燃料電池程序的啟動。燃料電極氣體控制單元(102)根據(jù)對停止程序啟動的判斷，將燃料電極上的燃料氣體控制到停止狀態(tài)。氣壓探測單元(103)探測燃料電極上的氣壓?；跉怏w探測結果和來自于燃料電池停止程序啟動判斷單元(101)的輸出，氧化劑電極氣體控制單元(104)控制氧化劑電極上的氣壓，使得氧化劑電極上的氣壓與燃料電極上的氣壓之差降低到最大允許壓差范圍內(nèi)，還在氣壓探測單元探測到的氣壓達到大氣壓與允許壓差最大值之和后，將氧化劑電極上的氣體壓力控制到大氣壓力。
文檔編號H01M8/04GK1561555SQ0280727
公開日2005年1月5日 申請日期2002年12月24日 優(yōu)先權日2002年1月17日
發(fā)明者鈴木敬介 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社