專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和估計(jì)燃料電池的燃料電極上的氮濃度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)和一種估計(jì)燃料電池的燃料電極上 的氮濃度的方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種技術(shù)的改進(jìn)，該技術(shù)用 于通過將氮從空氣電極(陰極)經(jīng)電解質(zhì)膜傳輸?shù)饺剂想姌O來測量或 估計(jì)存在于燃料電極(陽極)中的氮的濃度(本說明書中也稱作"陽 極氮濃度")。
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)的問題之一是如何阻止當(dāng)燃料電極(陽極)中的雜 質(zhì)濃度增加時(shí)執(zhí)行的運(yùn)行引起的燃料電池系統(tǒng)的壽命的減少。作為用于解決這樣的問題的技術(shù)，傳統(tǒng)上已經(jīng)存在一種技術(shù)，該 技術(shù)獲得當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)組溫度和環(huán)境溫度之間的溫度差， 和當(dāng)燃料電池的運(yùn)行開始時(shí)組溫度和環(huán)境溫度之間的溫度差，基于溫 度比(當(dāng)燃料電池的運(yùn)行開始時(shí)的溫度差/當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)的 溫度差)估計(jì)從燃料電池的運(yùn)行已經(jīng)停止以來已經(jīng)過去的時(shí)間的量， 以及已經(jīng)從空氣電極(陰極)經(jīng)電解質(zhì)膜傳輸?shù)疥枠O的氮的濃度，并 且根據(jù)氮的濃度限制燃料電池組的輸出(參見例如日本專利申請?zhí)亻_No. 2004-172026)。這項(xiàng)技術(shù)能夠阻止在陽極中的雜質(zhì)濃度是高的情 況中的過度發(fā)電的發(fā)生。發(fā)明內(nèi)容然而，即使如上所述估計(jì)氮濃度以限制燃料電池組的輸出，在一 些情況下也難于如在上述的運(yùn)行控制方法中那樣，基于溫度比(當(dāng)燃 料電池的運(yùn)行開始時(shí)的溫度差/當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)的溫度差)精 確地估計(jì)氮濃度。在這樣的估計(jì)方法中，如果氮濃度被估計(jì)為高于真實(shí)值(氮濃度的實(shí)際值)，則燃料電池組的輸出被過度限制，并且如 果，在另一方面，氮濃度被估計(jì)為低于真實(shí)值，則允許組的輸出至少 是額定輸出，從而因?yàn)椴蛔愕臍鋵?dǎo)致發(fā)電故障，并且最終導(dǎo)致燃料電 池的壽命的減少。因此，期望一項(xiàng)能夠更加精確地估計(jì)陽極氮濃度的 技術(shù)。本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)在于提供一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠精確 估計(jì)燃料電池組中的氮濃度，并且因此阻止燃料電池系統(tǒng)的壽命由于 當(dāng)陽極中的雜質(zhì)濃度增高時(shí)執(zhí)行的運(yùn)行而減少，并且本發(fā)明的一個(gè)目 標(biāo)在于提供一種估計(jì)燃料電池的燃料電極上的氮濃度的方法。本發(fā)明的發(fā)明者已經(jīng)研究了上述傳統(tǒng)技術(shù)的內(nèi)容。例如，在上述 技術(shù)的情況下，氮濃度僅僅基于溫度比(當(dāng)燃料電池的運(yùn)行開始時(shí)的 溫度差/當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)的溫度差)被估計(jì)，但是不僅溫度比， 而且組溫度、燃料電極中的壓力(本說明書中也稱作"陽極壓力")、 空氣電極中的壓力(本說明書中也稱作"陰極壓力")、停工時(shí)間(即 當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)和當(dāng)燃料電池的運(yùn)行開始時(shí)之間的時(shí)間段)、 交叉泄漏、電解質(zhì)膜的惡化等等被認(rèn)為是對實(shí)際燃料電池系統(tǒng)中的氮 濃度的影響因素。此外，作為重復(fù)研究的結(jié)果，本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)， 基于組溫度、陽極壓力(燃料電極中的壓力)和燃料電池保持停工的 時(shí)間段，通過估計(jì)當(dāng)燃料電池的運(yùn)行開始時(shí)燃料電極上的氮濃度，可 以獲得更加精確的估計(jì)值或者接近真實(shí)值的估計(jì)值。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)是基于上述發(fā)現(xiàn)的，并且將基于當(dāng)燃料電 池的運(yùn)行停止時(shí)燃料電池組的溫度、當(dāng)燃料電池的運(yùn)行重啟動(dòng)時(shí)在燃 料電極中的壓力和所述燃料電池從停止至重啟動(dòng)時(shí)的停工時(shí)間來估計(jì) 燃料電極氮濃度，該燃料電極氮濃度表示在燃料電池的燃料電極中的 氮的濃度。而且，在根據(jù)本發(fā)明的估計(jì)燃料電池中的燃料電極氮濃度 的方法中，基于當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)燃料電池組的溫度、當(dāng)燃料 電池的運(yùn)行重啟動(dòng)時(shí)燃料電極中的壓力和所述燃料電池從停止至重啟動(dòng)時(shí)的停工時(shí)間，估計(jì)表示在燃料電池的燃料電極中的氮的濃度的燃 料電極氮濃度。在這樣的燃料電池系統(tǒng)和估計(jì)燃料電池中的燃料電極氮濃度的方 法中，當(dāng)估計(jì)燃料電極中的氮濃度時(shí)，考慮到并且基于為實(shí)際燃料電 池系統(tǒng)中的氮濃度的影響因素的組溫度、燃料電極中的壓力(陽極壓 力)和停工時(shí)間，通過執(zhí)行估計(jì)可獲得接近真實(shí)值(氮濃度的實(shí)際值) 的值。因此，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)和估計(jì)方法能夠阻止以下問題的 出現(xiàn)，即燃料電池組的輸出被過度限制，導(dǎo)致加速性能的惡化，或者 允許組的輸出至少是其容量，導(dǎo)致發(fā)電故障。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng) 和估計(jì)方法能夠進(jìn)一步阻止燃料電池系統(tǒng)的壽命的減少。此外，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有用于檢測燃料電池組的溫 度的組溫度檢測裝置，用于檢測燃料電極的壓力的燃料電極壓力檢測 裝置，和用于測量停工時(shí)間的停工時(shí)間測量裝置。根據(jù)本燃料電池系 統(tǒng)，通過使用用于檢測燃料電池組的溫度的組溫度檢測裝置，用于檢 測燃料電極的壓力的燃料電極壓力檢測裝置，和用于測量停工時(shí)間的 停工時(shí)間測量裝置，可以更加精確地估計(jì)燃料電極氮濃度。在這種情況下，優(yōu)選的是，基于當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)的燃料 電池組的溫度，并且基于描述燃料電池組保持停工的停工時(shí)間和當(dāng)燃 料電池組的溫度是上述溫度時(shí)的燃料電極的壓力之間的關(guān)系的圖，估 計(jì)燃料電極氮濃度。因此，燃料電極氮濃度能被更加精確地估計(jì)。作為圖，第一圖描述了當(dāng)燃料電極氮濃度處于第一濃度狀態(tài)時(shí)的 關(guān)系，并且第二圖描述了當(dāng)燃料電極氮濃度處于濃度高于第一濃度狀 態(tài)中的濃度的狀態(tài)中時(shí)的關(guān)系。當(dāng)停工時(shí)間短于燃料電極中的壓力達(dá) 到最小值的時(shí)間段時(shí)，優(yōu)選地，第一圖用于估計(jì)燃料電極氮濃度。另 一方面，當(dāng)停工時(shí)間長于燃料電極中的壓力達(dá)到最小值的時(shí)間段時(shí)， 優(yōu)選地，第二圖用于估計(jì)燃料電極氮濃度。根據(jù)本燃料電池系統(tǒng)，第一圖和第二圖根據(jù)停工時(shí)間的量(長度)被分離地應(yīng)用，第一圖描述 當(dāng)燃料電極氮濃度處于低濃度狀態(tài)時(shí)的關(guān)系，并且第二圖描述當(dāng)燃料 電極氮濃度處于高濃度狀態(tài)時(shí)的關(guān)系。因此，燃料電極氮濃度能夠被 更加精確地估計(jì)。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還具有用于判斷在所述停工時(shí)間的測 量中由停工時(shí)間測量裝置測量的時(shí)間段是否被清除的判斷裝置，其中 當(dāng)它判斷出所測量的時(shí)間段被清除時(shí)，燃料電極氮濃度擬制為圖中的 最大值。因此，小于陽極氮濃度的真實(shí)值的值能夠被估計(jì)，并且不足 的氫導(dǎo)致的發(fā)電故障能夠被阻止出現(xiàn)。而且，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還具有用于當(dāng)燃料電池的運(yùn)行 停止時(shí)存儲燃料電極氮濃度的存儲裝置，其中，當(dāng)運(yùn)行停止時(shí)燃料電 極氮濃度的存儲的值和當(dāng)運(yùn)行重啟動(dòng)時(shí)燃料電極氮濃度的估計(jì)的值之 中，較大的值被采用。例如，當(dāng)在陽極氮濃度是高的時(shí)候燃料電池停 止，并且然后立即重啟動(dòng)時(shí)，盡管陽極氮濃度不是足夠低，但是低于 真實(shí)值的值被估計(jì)，并且因此，由于不足的氫而可出現(xiàn)發(fā)電故障。然 而，本發(fā)明能夠阻止這樣的情形。


圖l是本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的框圖，該框圖示出了燃料電池系 統(tǒng)的實(shí)施例；圖2是示出了當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)在組溫度是65 。C的情況 下，陽極壓力和陽極氮濃度相對于停工時(shí)間的波動(dòng)的圖；以及 圖3是示出本實(shí)施例中的陽極氮濃度的估計(jì)的流程的圖。
具體實(shí)施方式
下面，參照圖中所示的實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。圖1至圖3示出了本發(fā)明的實(shí)施例。在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)10中，基于當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)的燃料電池組20的溫度，當(dāng) 燃料電池的運(yùn)行重啟動(dòng)時(shí)的陽極的壓力，和所述燃料電池從停止至重 啟動(dòng)時(shí)的停工時(shí)間，估計(jì)燃料電極氮濃度，該燃料電極氮濃度表示在燃料電池組20的燃料電極中的氮(例如通過電解質(zhì)膜從陰極(空氣電極)傳輸?shù)疥枠O(燃料電極)的氮)的濃度。下文中，首先描述燃料電池系統(tǒng)10的總的概要，然后描述用于估計(jì)燃料電極氮濃度的結(jié)構(gòu)。下一步，描述本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)IO的結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)注意，下 文中燃料電池有時(shí)表示為"FC"。圖1表示了根據(jù)本實(shí)施例的燃料電 池系統(tǒng)10的示意性結(jié)構(gòu)。這里描述了一示例，該示例中燃料電池系統(tǒng) IO用作燃料電池混合車輛(FCHV)的車載發(fā)電系統(tǒng)，但是燃料電池系 統(tǒng)10當(dāng)然能夠用作安裝在多種可移動(dòng)物體(例如輪船，飛行器等)上 的發(fā)電系統(tǒng)及類似物。燃料電池電池組(下文中也稱作"燃料電池組" 或者簡單稱作"組")20具有組結(jié)構(gòu)，該組結(jié)構(gòu)具有串聯(lián)疊置的多個(gè) 單個(gè)電池，并且由例如固態(tài)聚合物電解質(zhì)燃料電池和類似物組成。此外，本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)IO具有燃料氣體循環(huán)供給系統(tǒng)和 氧化物氣體供給系統(tǒng)，所述兩個(gè)系統(tǒng)與燃料電池組20相連接。燃料電 池組20的燃料氣體循環(huán)供給系統(tǒng)包括燃料氣體供給源30,燃料氣體供 給通道31，燃料電池組20，燃料氣體循環(huán)通道32和陽極廢氣流動(dòng)通 道33(參見圖1)。燃料氣體供給源30由例如高壓氫罐，氫存儲罐或類似物的氫存儲 源構(gòu)成。燃料氣體供給通道31是用于引導(dǎo)燃料氣體的氣體流動(dòng)通道， 該燃料氣體從燃料氣體供給源30排出到燃料電池組20的陽極(燃料 電極)，并且從氣體流動(dòng)通道的上游到下游在氣體流動(dòng)通道內(nèi)設(shè)置罐 閥H201，高壓調(diào)節(jié)器H9，低壓調(diào)節(jié)器HIO，氫供給閥H200和FC進(jìn) 口閥H21。壓縮至高壓的燃料氣體遭受通過高壓調(diào)節(jié)器H9的壓力降低 從而具有中壓，并且進(jìn)一步遭受通過低壓調(diào)節(jié)器H10的壓力降低從而 具有低壓(正常運(yùn)行壓力)。燃料氣體循環(huán)通道32是用于使未轉(zhuǎn)化的燃料氣體流回到'燃料電池 組20的返回氣體流動(dòng)通道，并且從氣體流動(dòng)通道的上游至下游在燃料氣體循環(huán)通道內(nèi)設(shè)置FC出口閥H22，氫泵63，和單向閥H52。從燃料 電池組20排出的低壓未轉(zhuǎn)化的燃料氣體由氫泵63適當(dāng)加壓并且引導(dǎo) 至燃料氣體供給通道31。單向閥H52防止燃料氣體從燃料氣體供給通 道31流回到燃料氣體循環(huán)通道32。而且，在燃料氣體循環(huán)通道32中 間分開的陽極廢氣流動(dòng)通道33是用于將從燃料電池組20排出的氫廢 氣排放至系統(tǒng)的外部的氣體流動(dòng)通道，并且其中設(shè)置了排氣閥H51。應(yīng)當(dāng)注意罐閥H201，氫供給閥H200， FC進(jìn)口閥H21， FC出口 閥H22，和排氣閥H51將燃料氣體供給到氣體流動(dòng)通道31至33中的 每一個(gè)或者供給到燃料電池組20，或者是用于截?cái)嗳剂蠚怏w的流動(dòng)的 截止閥，并且由例如電磁閥構(gòu)成。作為這樣的電磁閥，例如能夠通過 PWM控制線性調(diào)節(jié)閥開度的開關(guān)閥或者線性閥是合適的。燃料電池組20的氧化物氣體供給系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)(氧化物氣 體供給源)40，氧化物氣體流動(dòng)通道41，和陰極廢氣流動(dòng)通道42。應(yīng) 當(dāng)注意，空氣壓縮機(jī)40壓縮通過空氣濾清器61從大氣吸進(jìn)的空氣， 并且將壓縮的空氣作為氧化物氣體供給到燃料電池組20的陰極(空氣 電極)。在促成燃料電池組20的電解反應(yīng)之后獲得的氧廢氣流進(jìn)陰極 廢氣流動(dòng)通道42并且被排放到系統(tǒng)的外部。所述氧流動(dòng)氣體包括通過 燃料電池組20的電解反應(yīng)生成的水份，因此處于高濕度狀態(tài)。加濕模 塊62在流經(jīng)氧化物氣體流動(dòng)通道41并且處于低濕度狀態(tài)的氧化物氣 體和流經(jīng)陰極廢氣流動(dòng)通道42并且處于高濕度狀態(tài)的氧廢氣之間交換 水份，并且恰當(dāng)?shù)丶訚窆┙o燃料電池組20的氧化物氣體。燃料電池組 20供給的氧化物氣體的背壓通過設(shè)置在陰極廢氣流動(dòng)通道42的陰極出 口的附近的壓力調(diào)節(jié)閥A4來調(diào)節(jié)。陰極廢氣流動(dòng)通道42與在陰極廢 氣流動(dòng)通道42的下游的稀釋器64相連通。此外，陽極廢氣流動(dòng)通道 33與在陽極廢氣流動(dòng)通道33的下游的稀釋器64相連通，使得氫廢氣被混合、稀釋并與氧化物氣體混合，并且此后排放到系統(tǒng)的外部。在燃料電池組20中生成的直流電力的一部分遭受通過DC/DC變 換器53的壓降，并且被充到電池(二次電池)54。牽引逆變器51和 輔助逆變器52將從燃料電池組20和電池54中的兩個(gè)或一個(gè)供給的直 流電力變換為交流電力，并且將所述交流電電力供給到牽引電機(jī)M3 并且供給到輔助電機(jī)M4。順便提及，輔助電機(jī)M4總體意味著驅(qū)動(dòng)下 文中描述的氫循環(huán)泵63的電機(jī)M2和驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)40的電機(jī)M1， 并且因此可以用作電機(jī)M1或用作電機(jī)M2。應(yīng)當(dāng)注意，下文中，由燃 料電池組20和電池54中的兩個(gè)或一個(gè)驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷一般稱作"負(fù)載"。控制部50基于由加速度傳感器55檢測的加速開度和由車輛速度 傳感器56檢測的車輛速度獲得系統(tǒng)需求電力(車輛行駛電力和輔助電 力的和)，并且控制該系統(tǒng)使得燃料電池組20與目標(biāo)電力一致。具體 地，控制部50調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)40的電機(jī)Ml的轉(zhuǎn)數(shù)以調(diào)節(jié)供給的 氧化物氣體的量，并且同時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氫泵63的電機(jī)M2的轉(zhuǎn)數(shù)以調(diào)節(jié) 供給的燃料氣體的量。而且，控制部50控制DC/DC變換器53以調(diào)節(jié) 燃料電池組20的工作點(diǎn)(輸出電壓，輸出電流)使得燃料電池組20 的輸出電力與目標(biāo)電力一致。用于檢測燃料氣體的壓力的壓力傳感器(狀態(tài)檢測裝置)P6，P7， P9, P61， P5， P10, Pll和用于檢測燃料氣體溫度的溫度傳感器(狀態(tài)檢測裝 置)T6， T7, T9， T61， T5, T10設(shè)置在高壓部分(在罐閥H201和氫供給 閥H200之間的部分)，低壓部分(氫供給閥H200到FC進(jìn)口閥H21)， FC部分(組進(jìn)口閥H21到FC出口閥H22)，和循環(huán)部分(FC出口閥 H22到單向閥H52)中的每一個(gè)中。為了詳細(xì)說明每一個(gè)壓力傳感器所 起的作用，壓力傳感器P6檢測燃料氣體供給源30的燃料氣體供給壓 力。壓力傳感器P7檢測高壓調(diào)節(jié)器H9的二次壓力。壓力傳感器P9檢 測低壓調(diào)節(jié)器H10的二次壓力。壓力傳感器P61檢測燃料氣體供給通 道31的低壓部分的壓力。壓力傳感器P5檢測組進(jìn)口的壓力。壓力傳感器P10檢測在氫循環(huán)泵63的輸入端口側(cè)(上游側(cè))上的壓力。壓力傳感器Pll檢測在氫循環(huán)泵63的輸出端口側(cè)(下游側(cè))上的壓力。如上所述，在本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)10中，燃料電池組20中 的陽極氮濃度(包括經(jīng)過燃料電池組20中的電解質(zhì)膜從陰極傳輸?shù)疥?極的陽極中的氮的濃度)被估計(jì)，并且作為實(shí)現(xiàn)本估計(jì)的示例，燃料 電池系統(tǒng)IO包括用于檢測燃料電池組溫度的組溫度檢測裝置11，用于 檢測陽極(燃料電極)的壓力的燃料電極壓力檢測裝置P5，用于測量 停工時(shí)間的停工時(shí)間測量裝置12和ECU13 (參見圖1)。下文中，描 述了用于估計(jì)陽極氮濃度的結(jié)構(gòu)和通過本結(jié)構(gòu)估計(jì)陽極氮濃度的方法 的細(xì)節(jié)(參見圖1等)。應(yīng)當(dāng)注意，在氣體不流經(jīng)陽極的期間內(nèi)，即 在燃料電池IO的運(yùn)行停止的期間內(nèi)，陽極氮濃度傾向于增加。因此， 優(yōu)選的是，當(dāng)燃料電池10的運(yùn)行開始時(shí)燃料電池組20的輸出被限制。組溫度檢測裝置11是用于檢測燃料電池的組溫度，即燃料電池組 20的溫度的裝置，并且由用于測量溫度的部分和用于傳輸關(guān)于所測量 的溫度的信息的部分組成。例如，本實(shí)施例的組溫度檢測裝置11被設(shè) 置以檢測燃料電池組20的溫度并且將與所檢測的溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸 到ECU 13 (參見圖1)。停工時(shí)間測量裝置12是用于測量燃料電池組20保持停止工作的 時(shí)間段，即在當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)和當(dāng)燃料電池的運(yùn)行重啟動(dòng)時(shí) 之間的時(shí)間段的裝置，并且由例如計(jì)時(shí)器構(gòu)成。本實(shí)施例的停工時(shí)間 測量裝置12與ECU13相連接(參見圖l)，并且被提供以從ECU13 接收命令信號以開始測量停工時(shí)間，并且進(jìn)一步從ECU 13接收命令信 號以結(jié)束測量。應(yīng)當(dāng)注意，本實(shí)施例的停工時(shí)間測量裝置12能夠測量 在當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)為停止的燃料電池組20接通和當(dāng)燃料電池組20的運(yùn)行 在點(diǎn)火ON狀態(tài)下開始時(shí)之間的時(shí)間段(點(diǎn)火ON持續(xù)時(shí)間)。燃料電極壓力檢測裝置P5用于檢測燃料電極(陽極)中的壓力，并且由例如壓力計(jì)構(gòu)成。在本實(shí)施例中，燃料電極壓力檢測裝置P5設(shè)置在燃料氣體供給通道31的低壓部分中，即FC進(jìn)口閥H21和燃料電 池組20之間的部分(參見圖1)。此外，燃料電極壓力檢測裝置P5與 ECU 13相連接從而將與所檢測的壓力相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼CU 13。ECU 13是由電控單元構(gòu)成的控制裝置。本實(shí)施例的ECU 13連接 到上述組溫度檢測裝置11，停工時(shí)間測量裝置12，和燃料電極壓力檢 測裝置P5，獲得與組溫度，停工時(shí)間，和燃料電極壓力(陽極壓力) 相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且在所獲得的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上估計(jì)陽極氮濃度(包括經(jīng) 過電解質(zhì)膜從陰極傳輸?shù)疥枠O的氮的濃度)。應(yīng)當(dāng)注意，盡管沒有在 圖l中特別詳細(xì)地示出，但是ECU 13也與控制部50相連接，并且根 據(jù)所估計(jì)的陽極氮濃度，當(dāng)必要時(shí)，燃料電池組20的輸出被限制。而且，在本實(shí)施例中，準(zhǔn)備了描述當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)停工 時(shí)間和陽極壓力之間的關(guān)系的圖，并且基于該圖估計(jì)陽極氮濃度。具 體地，準(zhǔn)備了實(shí)際的機(jī)器數(shù)據(jù)，如圖2中所示，圖2就是描述了當(dāng)燃 料電池的運(yùn)行停止時(shí)在組溫度是65 °C的情況下，陽極壓力和陽極氮濃 度相對于停工時(shí)間的波動(dòng)的圖，并且基于該圖估計(jì)陽極氮濃度。順便 提及， (黑色菱形標(biāo)記)表示陽極氮濃度(cnc—N2，單位是％)，并且x 表示陽極壓力(prs—fci，單位是kPaA)。如圖中所示，通過x表示的陽 極壓力的值(prs一fci)示出了變化， 一旦當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)該值 急劇減少，并且在到達(dá)最小值，即在過去時(shí)間Tl時(shí)的負(fù)壓力的峰值(在 圖2中所示的實(shí)際機(jī)器數(shù)據(jù)的情況下大約超過80 kPaA)之后逐漸增加 (應(yīng)當(dāng)注意這里的負(fù)壓力是基于大氣壓力的)。另一方面，由4表示的 陽極氮濃度(cnc一N2)示出了變化，陽極氮濃度不徹底地繼續(xù)增加并 且其后平滑地收斂。這里，例如，基于一定壓力p (參見圖2)，在與壓力p相對應(yīng)的 停工時(shí)間內(nèi)，如圖中清楚地所示的，存在兩種類型的時(shí)間段，TO和 T2 (即兩種類型的不同的停工時(shí)間)。在這種情況下，當(dāng)采用陽極壓力達(dá)到負(fù)壓力的峰值的時(shí)間Tl之前的時(shí)間(圖2中的TO)時(shí)的陽極 氮濃度(cnc一N2)作為估計(jì)值時(shí)，由于這個(gè)值在增加的中間并且仍舊是 小值，因此誤差可能產(chǎn)生，并且不執(zhí)行恰當(dāng)?shù)目刂?。在這種情況下， 作為用于預(yù)防這樣的誤差的出現(xiàn)的裝置，可以采用用于將在時(shí)間T1(本 實(shí)施例中的過去時(shí)間T2)之后的時(shí)間點(diǎn)時(shí)的陽極氮濃度(cnc一N2)作為 估計(jì)值的裝置，在該時(shí)間Tl時(shí)，陽極壓力達(dá)到最小值(負(fù)壓力的峰值)， 但是本實(shí)施例采用了不同于上述裝置的裝置。具體地，在也測量停工 時(shí)間的本實(shí)施例的情況中，根據(jù)由實(shí)際機(jī)器數(shù)據(jù)構(gòu)成的圖(圖2)，容 易判斷通過停工時(shí)間測量裝置12測量的停工時(shí)間是在時(shí)間Tl(陽極壓 力達(dá)到負(fù)壓力的峰值的時(shí)間)之前還是在時(shí)間T1之后。因此，在執(zhí)行 這樣的判斷之后，獲得陽極氮濃度的估計(jì)值。在這種情況下，由于估 計(jì)值不在T1之前的狀態(tài)中被獲得，也就是說，當(dāng)陽極氮濃度在所謂的 低氮濃度狀態(tài)中時(shí)不獲得估計(jì)值，在該低氮濃度狀態(tài)中，陽極氮濃度 仍沒有充分地增加，不產(chǎn)生誤差。例如，如果陽極氮濃度擬制為陽極 氮濃度充分增加之前的估計(jì)值，則不必要的輸出限制被強(qiáng)加到燃料電 池上，但是在如上所述執(zhí)行陽極氮濃度的精確估計(jì)的本實(shí)施例的情況 中，沒有強(qiáng)加這樣的不必要的輸出限制。因此，當(dāng)燃料電池保持停工 持續(xù)短時(shí)間段且此后重啟動(dòng)其運(yùn)行時(shí)，防止了錯(cuò)誤的陽極氮濃度估計(jì) 的出現(xiàn)，燃料電池組的輸出能夠被更恰當(dāng)?shù)叵拗?，并且在保持燃料?池停工一短時(shí)間段之后引起的加速性能的惡化能夠被改善。下一步，在下文中參照圖(參見圖3)描述了本實(shí)施例中的陽極氮 濃度的估計(jì)的流程。首先，通過關(guān)閉點(diǎn)火(IG—OFF)而停止燃料電池的運(yùn)行來開始本 實(shí)施例中的估計(jì)陽極氮濃度的流程(步驟l)。當(dāng)燃料電池停止時(shí)，當(dāng) 燃料電池停止時(shí)的燃料電池組的溫度(thm一fc一igoff)通過組溫度檢測裝 置11被檢測，并且所檢測的溫度存儲在ECU13中(步驟2)。此外， 開始停工時(shí)間(t—leave)的測量(步驟3)。當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)接通時(shí)，(表 示為步驟4的IG_ON的狀態(tài))，IG—ON測量時(shí)間(tjgon)和直到點(diǎn)火開關(guān)接通并且燃料電池組20啟動(dòng)的時(shí)間被測量(步驟5)。下一步，當(dāng)停止的燃料電池重啟動(dòng)(步驟6中表示的STJDN)時(shí)， 檢測氫增壓之前的陽極壓力(prsH2—fcJ))(步驟7)。因此，總停工時(shí) 間TR，即上述"停工時(shí)間"(t—leave)和"IG_ON持續(xù)時(shí)間(t—igon)" 的總時(shí)間段被計(jì)算(TR = t—leave+ t—igon)(步驟8)。然后，基于計(jì)算結(jié)果，確定總的停工時(shí)間TR是長于還是短于停 工時(shí)間Tl，也就是說，燃料電池組20重啟動(dòng)的定時(shí)是在陽極壓力達(dá) 到負(fù)壓力的峰值的時(shí)間之前還是之后。換句話說，總的停工時(shí)間TR 和停工時(shí)間Tl的大小被確定(步驟9)，并且如果時(shí)間段T1長于總 的停工時(shí)間TR (TIKTl)，則確定燃料電池在陽極壓力達(dá)到負(fù)壓力的峰 值之前被啟動(dòng)，并且過程進(jìn)行到步驟IO。在步驟10中，描述氫增壓之 前的陽極氮濃度的圖被參照以計(jì)算氫增壓之前的陽極氮濃度 (cncN2—tmp)(步驟10)。應(yīng)當(dāng)注意，這里將要參考的圖能夠是，例如，由實(shí)際機(jī)器數(shù)據(jù)本 身構(gòu)成的圖(參見圖2)，但是優(yōu)選的是，所述圖被預(yù)先分為應(yīng)用于第 一氮狀態(tài)(例如低氮濃度狀態(tài))的第一圖和應(yīng)用于濃度高于第一氮狀 態(tài)的第二氮狀態(tài)的情況中的第二圖。例如，在本實(shí)施例中，所述圖被 分為作為第一 圖的氫增壓前陽極氮濃度圖A (圖2中從t = 0到t = Tl 的曲線)，該圖A示出了低氮濃度狀態(tài)；和作為第二圖的氫增壓前陽 極氮濃度圖B (圖2中從t-Tl向前的曲線)，該圖B示出了濃度高于 低氮濃度狀態(tài)的高氮濃度狀態(tài)。因此，在如上所述的TIKT1的情況中， 燃料電池組20在陽極壓力達(dá)到負(fù)壓力的峰值之前重啟動(dòng)，因此參照示 出低氮濃度狀態(tài)的圖A計(jì)算陽極氮濃度(步驟IO)。 一旦氫增壓之前 的陽極氮濃度(cncN2—tmp)被計(jì)算，那么過程進(jìn)行到步驟12。另一方面，作為步驟9中總的停工時(shí)間TR和停工時(shí)間Tl的大小 的確定的結(jié)果，如果得到相反的結(jié)果，即如果停工時(shí)間Tl小于總的停工時(shí)間TR (TR > Tl)，則確定燃料電池在陽極壓力達(dá)到負(fù)壓力的峰 值之后重啟動(dòng)，并且因此過程進(jìn)行到步驟11。在步驟11中，氫增壓之 前的陽極氮濃度(cncN2一tmp)的計(jì)算以與步驟10中相同的方式被執(zhí) 行，但是在步驟11中參考圖B而非圖A。 一旦氫增壓之前的陽極氮濃 度(cncN2—tmp)被計(jì)算，則過程進(jìn)行到步驟U。下一步，在步驟12中，氫增壓之后的陽極壓力(prsH2—fc—a)被 檢測(步驟12)。其后，氫增壓之后的陽極氮濃度(cncN2)被計(jì)算(步 驟13)。如圖3中所示，氫增壓之后的陽極氮濃度(cncN2)能夠通過以 下方程獲得.，cncN2 = cncN2—tmp * prsH2—fc一b / prsH2—fc_a 換言之，氫增壓之后的陽極氮濃度可作為下述值被獲得，即通過用氫 增壓之后的陽極壓力(prsH2一fc—b)乘以氫增壓之前的陽極氮濃度 (cncN2jmp)并且把這樣得到的結(jié)果除以氫增壓之后的陽極壓力 (prsH2_fc—a)。因此，氮濃度的減少通過陽極吹洗被執(zhí)行(步驟14)， 并因此終止一系列過程(步驟15)。其后，在以上述方式獲得的陽極 氮濃度的估計(jì)結(jié)果(或計(jì)算結(jié)果)的基礎(chǔ)上，對燃料電池組20的輸出 限制被恰當(dāng)?shù)貓?zhí)行，因此，在陽極中的雜質(zhì)濃度是高的情況下，過度 發(fā)電的出現(xiàn)能夠被防止。此外，在如上所述估計(jì)陽極氮濃度的情況下，當(dāng)在時(shí)間的測量期 間通過停工時(shí)間測量裝置所測量的時(shí)間段被清除時(shí)，優(yōu)選地應(yīng)用將陽 極氮濃度設(shè)置為最大值的技術(shù)。在停工時(shí)間測量裝置12執(zhí)行時(shí)間測量 期間，如果由于一些原因(例如當(dāng)輔助電池被分離時(shí))以前測量的時(shí) 間段被復(fù)位和清除為0，則停工時(shí)間測量裝置12獲得的停工時(shí)間變得 短于初始值，并且因此，低于應(yīng)當(dāng)初始被估計(jì)的陽極氮濃度的真實(shí)值 的值可被估計(jì)，同時(shí)由于不足的氫而引起發(fā)電故障。另一方面，如果 在上述情況中陽極氮濃度被取為最大值，則至少可防止如上所述由不 足的氫導(dǎo)致的發(fā)電故障的出現(xiàn)。由于在這種情況中取為最大值的值能 夠是各種值，但是在本實(shí)施例中，該值大約低于80%，在該值下陽極 氮濃度的值收斂到最大值。此外，ECU 13，例如，能夠檢測或判斷停工時(shí)間測量裝置12被復(fù)位，盡管燃料電池組20保持停工。而且，優(yōu)選地提供用于存儲當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)的陽極氮濃 度的裝置，并且當(dāng)運(yùn)行停止時(shí)的陽極氮濃度和當(dāng)下次開始運(yùn)行(重啟 動(dòng))時(shí)的陽極氮濃度(估計(jì)值)中的較大值被使用。例如，當(dāng)在陽極 氮濃度是高的時(shí)候燃料電池被停止，并且然后在停止之后立即重啟動(dòng) 時(shí)，盡管陽極氮濃度不足夠低，但是低于真實(shí)值的值被估計(jì)，并且因 此如上述情況中由于不足的氫導(dǎo)致的發(fā)電故障可能出現(xiàn)。另一方面， 通過存儲當(dāng)運(yùn)行停止時(shí)的陽極氮濃度，將存儲值與估計(jì)值相比較，并 且選擇/應(yīng)用較高值，至少可以防止如上所述的不足的氫導(dǎo)致的發(fā)電故障發(fā)生。在本實(shí)施例中，在運(yùn)行停止時(shí)的陽極氮濃度由ECU3存儲， 并且在必要時(shí)，將存儲值與估計(jì)值相比較。如上所述，在本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池組20中的陽 極氮濃度(燃料電極氮濃度)被更加精確地估計(jì)，因此，與現(xiàn)有技術(shù)相 比，能夠防止燃料電池組的壽命由于當(dāng)陽極的雜質(zhì)濃度增加時(shí)執(zhí)行的 運(yùn)行而減少。應(yīng)當(dāng)注意，上述實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的合適的示例，并且不局限 于這個(gè)合適的示例，而且能夠在不背離本發(fā)明的范圍的情況下以多種 方式被修改和實(shí)施。例如，在本實(shí)施例中，如上所述基于陽極壓力(燃 料電池組20的燃料電極中的壓力)的圖估計(jì)陽極氮濃度，但是陽極氮 濃度能夠基于其它因素被估計(jì)。例如，陽極氮濃度能夠基于陽極壓力 的變化率(例如與壓力增加相關(guān)的梯度或與壓力減少相關(guān)的梯度)被 確定。具體地，在運(yùn)行停止時(shí)的壓力的變化特性(圖2的圖中示出的 特性)中，在t:Tl之前示出壓力梯度減少的趨勢，然而在t-Tl之后 示出壓力梯度增加的趨勢。因此，當(dāng)壓力梯度從減少狀態(tài)波動(dòng)到增加 狀態(tài)時(shí)該圖能夠被切換，并且因此氮濃度能夠被估計(jì)。工業(yè)實(shí)用性而且，本實(shí)施例中示出的圖僅僅示出了當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí) 組溫度是65。C的情況下的示例，因此不言而喻，如果燃料電池本身或 者燃料電池系統(tǒng)是不同的，則根據(jù)所述燃料電池或者燃料電池系統(tǒng)， 應(yīng)當(dāng)使用示出不同組溫度的圖。根據(jù)本發(fā)明，燃料電池組中的氮濃度被更加精確地估計(jì)，并且因 此能夠防止燃料電池系統(tǒng)的壽命由于當(dāng)陽極的雜質(zhì)濃度增加時(shí)執(zhí)行的 運(yùn)行而減少因此，本發(fā)明能夠廣泛應(yīng)用在具有這樣的要求的燃料電池系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其中，基于當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)燃料電池組的溫度，當(dāng)所述燃料電池的運(yùn)行重啟動(dòng)時(shí)燃料電極中的壓力，和所述燃料電池從停止至重啟動(dòng)時(shí)的停工時(shí)間，估計(jì)燃料電極氮濃度，所述燃料電極氮濃度表示所述燃料電池的所述燃料電極中的氮的濃度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，包括用于檢測所述燃 料電池組的所述溫度的燃料電池組溫度檢測裝置；用于檢測所述燃料 電極的所述壓力的燃料電極壓力檢測裝置；和用于測量所述停工時(shí)間 的停工時(shí)間測量裝置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，基于當(dāng)所述燃料 電池的運(yùn)行停止時(shí)所述燃料電池組的所述溫度，并且基于描述所述燃 料電池組保持停工的停工時(shí)間和當(dāng)所述燃料電池組的所述溫度是當(dāng)所 述燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)的所述溫度時(shí)所述燃料電極的所述壓力之間 的關(guān)系的圖，估計(jì)所述燃料電極氮濃度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，描述了當(dāng)所述燃 料電極氮濃度處于第一濃度狀態(tài)時(shí)的關(guān)系的第一圖，和描述了當(dāng)所述 燃料電極氮濃度處于濃度高于所述第一濃度狀態(tài)中的濃度的狀態(tài)中時(shí) 的關(guān)系的第二圖，被用作所述圖，并且當(dāng)所述停工時(shí)間短于所述燃料 電極中的所述壓力達(dá)到最小值的時(shí)間段時(shí)，使用所述第一圖，但是在 另一方面，當(dāng)所述停工時(shí)間長于所述燃料電極中的所述壓力達(dá)到最小 值的所述時(shí)間段時(shí)，使用所述第二圖，以估計(jì)所述燃料電極氮濃度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，包括用于判斷在所述停 工時(shí)間的測量中由所述停工時(shí)間測量裝置測量的時(shí)間段是否已經(jīng)被清 除的判斷裝置，其中當(dāng)判斷出所述測量的時(shí)間段已經(jīng)被清除時(shí)，所述燃料電極氮濃度擬制為所述圖中的最大值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，包括用于 當(dāng)所述燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)存儲所述燃料電極氮濃度的存儲裝置， 其中，當(dāng)所述運(yùn)行停止時(shí)所述燃料電極氮濃度的存儲的值和當(dāng)所述運(yùn) 行重啟動(dòng)時(shí)所述燃料電極氮濃度的估計(jì)的值之中，采用較大的值。
7. —種估計(jì)燃料電池中的燃料電極氮濃度的方法，其中，基于當(dāng) 所述燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)燃料電池組的溫度，當(dāng)所述燃料電池的運(yùn) 行重啟動(dòng)時(shí)所述燃料電極中的壓力，和所述燃料電池從停止至重啟動(dòng) 時(shí)的停工時(shí)間，估計(jì)燃料電極氮濃度，所述燃料電極氮濃度表示所述 燃料電池的所述燃料電極中的氮的濃度。
全文摘要
燃料電池組中的氮濃度被更加精確地估計(jì)，因此阻止燃料電池的壽命由于當(dāng)陽極中的雜質(zhì)濃度增加時(shí)執(zhí)行的運(yùn)行而減少。所述燃料電池系統(tǒng)包括用于檢測燃料電池組的溫度的燃料電池組溫度檢測裝置；用于檢測燃料電極的壓力的燃料電極壓力檢測裝置；和用于測量停工時(shí)間的停工時(shí)間測量裝置?；诋?dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)的燃料電池組的溫度，當(dāng)燃料電池的運(yùn)行重啟動(dòng)時(shí)的燃料電極中的壓力，以及所述燃料電池從停止至重啟動(dòng)時(shí)的停工時(shí)間，估計(jì)燃料電極氮濃度，該燃料電極氮濃度表示燃料電池的燃料電極中的氮的濃度(從空氣電極經(jīng)電解質(zhì)膜傳輸?shù)饺剂想姌O的氮等等)。
文檔編號H01M8/10GK101233644SQ20068002816
公開日2008年7月30日 申請日期2006年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月9日
發(fā)明者五十嵐總紀(jì), 森裕晃 申請人:豐田自動(dòng)車株式會社