專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的氫氣供應(yīng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)向燃料電池或燃料電池組供應(yīng)燃料氣體，諸 如氫氣和包含氧氣的氧化氣體，以使這些氣體通過燃料電池的電解而 相互發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)以獲得電能。相關(guān)技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)在從燃料電池排出的陽極廢氣所 經(jīng)過的陽極廢氣通道上設(shè)置有氬氣濃度傳感器，并測量陽極廢氣中包 含的氫氣的濃度(例如，見7>開號為2004-95300 ( JP-A-2004-9530O ) 的曰本專利申請)。由氫氣濃度傳感器測量到的氫氣濃度用于對燃料電池系統(tǒng) 執(zhí)行各種控制操作，諸如調(diào)節(jié)從燃料電池排出的陽極廢氣的量。因此 要求氫氣濃度傳感器具有高測量精度。然而，在使用過很長時間后， 氫氣濃度傳感器的精度可能降低，這會引起誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，即使設(shè)置有測量氫氣濃度的氫氣濃度傳 感器的燃料電池系統(tǒng)經(jīng)過長期使用后，氫氣濃度傳感器的測量誤差也 要被抑制并且氫氣濃度傳感器的精度被保持。
本發(fā)明的第一方案涉及一種包含通過氫氣和氧化氣體之間 的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電流的燃料電池的燃料電池系統(tǒng)。所述燃料電池 系統(tǒng)包括燃料電池；氫氣供應(yīng)裝置，其向燃料電池供應(yīng)氫氣；氫氣 供應(yīng)通道，從氫氣供應(yīng)裝置供應(yīng)的氬氣經(jīng)過氬氣供應(yīng)通道中；陽極廢
氫氣濃度傳感器，其設(shè)置在氫氣供應(yīng)通道和陽極廢氣通道中的至少一 個上；以及校正裝置，其減少設(shè)置有氫氣濃度傳感器的通道內(nèi)的雜質(zhì)， 利用氫氣濃度傳感器來測量氫氣濃度，并且在測量出的氫氣濃度的基 礎(chǔ)上校正氫氣濃度傳感器的基準(zhǔn)點。根據(jù)第一方案的燃料電池系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括釋放閥， 其設(shè)置在陽極廢氣通道上，將包含在陽極廢氣中的雜質(zhì)從系統(tǒng)中排放 出，其中氫氣濃度傳感器可以設(shè)置在陽極廢氣通道上的釋放閥的上游， 并且在利用氬氣供應(yīng)裝置來供應(yīng)氬氣的同時，可以通過開啟釋放閥排 放出預(yù)定量或更多陽極廢氣而使雜質(zhì)減少。根據(jù)第 一 方案的燃料電池系統(tǒng)包括用于^^交正氫氣濃度傳感 器的基準(zhǔn)點的校正裝置。通過利用校正裝置來校正來自傳感器的測量 值，能夠校正傳感器的基準(zhǔn)點。當(dāng)已經(jīng)從系統(tǒng)排放出預(yù)定量或更多陽 極廢氣，同時利用氫氣供應(yīng)裝置供應(yīng)氫氣時，即當(dāng)雜質(zhì)已經(jīng)減少時， 校正裝置在由氫氣濃度傳感器測量到的氫氣濃度的基礎(chǔ)上校正來自傳 感器的測量值。另外，因為能夠通過開啟釋放閥來排放出陽極廢氣， 所以能夠利用簡單的結(jié)構(gòu)從系統(tǒng)中排放出陽極廢氣。通常，除了包含未用于產(chǎn)生電流的氫氣之外，還包含著通 過電解質(zhì)膜傳輸?shù)疥枠O側(cè)的氮?dú)獾牟患儍魵怏w被從燃料電池的陽極側(cè) 排出。因此，在陽極廢氣通道內(nèi)，除了氫氣之外還有各種雜質(zhì)氣體的
混合物。如果在供應(yīng)氫氣的同時，陽極廢氣通道內(nèi)的氣體被從系統(tǒng)中 排出，則各種氣體被排出，并且雜質(zhì)被減少。結(jié)果，由于所供應(yīng)的氫 氣，氫氣濃度增加。陽極廢氣通道內(nèi)的氫氣濃度受到燃料電池是否正 在產(chǎn)生電流以及燃料電池的電解質(zhì)膜的滲透性的影響。然而，當(dāng)從陽 極廢氣通道排出的陽極廢氣的量變得等于或大于一定量時，陽極廢氣 通道內(nèi)的氫氣濃度變得幾乎恒定。這種方案的燃料電池系統(tǒng)可以排出預(yù)定量或更多的陽極廢 氣，當(dāng)假定陽極廢氣通道內(nèi)的氫氣濃度基本恒定時，利用氫氣濃度傳 感器測量氫氣濃度，并且假設(shè)被假定為恒定濃度的氫氣濃度和來自氫 氣濃度傳感器的測量值之間的差值為誤差，來校正測量值的誤差。該 預(yù)定量為，當(dāng)陽極廢氣已排出預(yù)定量因而雜質(zhì)已減少時，由氫氣濃度 傳感器測量到的陽極廢氣通道內(nèi)的氫氣濃度應(yīng)當(dāng)變?yōu)榛竞愣ǖ臐?度。該預(yù)定量根據(jù)燃料電池的電流產(chǎn)生條件等來適當(dāng)設(shè)定。更確切地說，當(dāng)陽極廢氣已排出陽極廢氣排出量時，使來 自氫氣濃度傳感器的測量值基本變?yōu)?00%的該陽極廢氣排出量被預(yù)
先計算作為預(yù)定量，并且假設(shè)在陽極廢氣已排出預(yù)定量后氫氣濃度變
為100%。如果當(dāng)陽極廢氣已排出預(yù)定量時，來自氫氣濃度傳感器的測 量值不是100%,則假設(shè)實際值和100%之間的差值為誤差，對來自傳
感器的測量值進(jìn)行校正。通過以預(yù)定間隔來執(zhí)行這種校正，即使在長 期使用之后也能夠保持測量氫氣濃度的精度。如果將理論的氫氣濃度和實際測量的氫氣濃度進(jìn)行比較， 并且在其間差值的基礎(chǔ)上對來自氫氣濃度傳感器的測量值進(jìn)行校正以 通過這種方式來校正氫氣濃度傳感器的基準(zhǔn)點，則即使氫氣濃度傳感
器被長時間使用并變得退化而引起測量值的誤差時，仍能夠適當(dāng)?shù)匦?正傳感器的誤差并保持氫氣濃度傳感器的測量精度。根據(jù)這種方案的燃料電池系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括旁通通道， 其將氫氣引導(dǎo)至陽極廢氣通道而不通過燃料電池，該旁通通道連接氫 氣供應(yīng)通道和位于氬氣濃度傳感器的上游的陽極廢氣通道的一部分， 其中，當(dāng)校正裝置已經(jīng)從系統(tǒng)排出預(yù)定量或更多陽極廢氣，同時通過 旁通通道將氬氣供應(yīng)到陽極廢氣通道時，校正裝置利用氫氣濃度傳感 器測量氫氣濃度，并且校正氫氣濃度傳感器的基準(zhǔn)點。在燃料電池中，通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了水，因此經(jīng)過燃刮-電池的陽極廢氣可能包含濕氣。如果陽極廢氣包含濕氣，則來自氫氣 濃度傳感器的測量值可能受到濕氣的影響。另一方面，被引導(dǎo)通過旁 通通道的氫氣因為沒有通過燃料電池從而不包含濕氣。如果當(dāng)校正裝置校正傳感器的基準(zhǔn)點時，氫氣通過旁通通 道供應(yīng)給陽極廢氣通道，則來自氫氣濃度傳感器的測量值受濕氣影響 的可能性降低了。結(jié)果，能夠提高氫氣濃度傳感器的測量精度，并且 也能夠提高在測量的濃度的基礎(chǔ)上進(jìn)行的校正的精度。在根據(jù)這種方案的燃料電池系統(tǒng)中，關(guān)于陽極廢氣排出的 預(yù)定量可以是這樣的，當(dāng)陽極廢氣排出該預(yù)定量時，由氫氣濃度傳感 器測量到的陽極廢氣通道內(nèi)的氬氣濃度應(yīng)當(dāng)基本變?yōu)?00%。隨著/人陽 極廢氣通道排出的陽極廢氣的量的增加，氫氣濃度4妄近100%。因此， 與氫氣濃度為其它濃度的情況相比，陽極廢氣通道內(nèi)的氫氣濃度為 100%的情況可以有利于提高校正精度。
根據(jù)這種方案的燃料電池系統(tǒng)可以包括氫氣循環(huán)通道， 其連接氫氣供應(yīng)通道和陽極廢氣通道，并且將陽極廢氣引導(dǎo)至氫氣供 應(yīng)通道，其中氫氣濃度傳感器設(shè)置在氫氣供應(yīng)通道上位于氫氣供應(yīng)通 道和氫氣循環(huán)通道連接處的下游，并且在調(diào)節(jié)從氫氣循環(huán)通道進(jìn)入氫 氣供應(yīng)通道的陽極廢氣流量的同時，通過向燃料電池供應(yīng)氫氣而使雜 質(zhì)減少。根據(jù)這種方案的燃料電池系統(tǒng)包括校正氫氣濃度傳感器的 校正裝置，因此能夠利用校正裝置通過校正來自氫氣濃度傳感器的測 量值而校正氫氣濃度傳感器的基準(zhǔn)點。根據(jù)這種方案的燃料電池系統(tǒng) 包括使從燃料電池排出的陽極廢氣返回到燃料電池的循環(huán)系統(tǒng)。在調(diào) 節(jié)進(jìn)入氫氣供應(yīng)通道的陽極廢氣流量的同時從氫氣供應(yīng)裝置向燃料電 池供應(yīng)氫氣之后，在利用氫氣濃度傳感器測量到的氫氣濃度的基礎(chǔ)上， 校正裝置校正來自氫氣濃度傳感器的測量值。陽極廢氣不僅包含雜質(zhì)氣體，諸如當(dāng)燃料電池內(nèi)的電流產(chǎn) 生停止時通過電解質(zhì)膜從陰極側(cè)傳輸?shù)疥枠O側(cè)的氮?dú)?，還包括供應(yīng)到 燃料電池的氫氣。如果陽極廢氣從系統(tǒng)中排出，將排出高濃度氫氣。 因此，陽極廢氣通過氫氣循環(huán)通道被引導(dǎo)進(jìn)入氫氣供應(yīng)通道，因此陽 極廢氣中包含的氫氣返回到燃料電池以降低排出氫氣的濃度。氫氣濃度傳感器設(shè)置在氫氣供應(yīng)通道上位于氫氣供應(yīng)通道 和氫氣循環(huán)通道連接處的下游，測量氫氣供應(yīng)通道內(nèi)的氣體的氫氣濃 度。在測量到的氫氣濃度的基礎(chǔ)上，執(zhí)行各種控制操作，諸如調(diào)節(jié)被 引導(dǎo)進(jìn)入燃料電池的陽極廢氣的流量。這種方案的燃料電池系統(tǒng)，在來自氫氣濃度傳感器的測量 值已變?yōu)楹愣ㄖ档臈l件下，即在雜質(zhì)已減少并且氫氣供應(yīng)通道中的氫 氣濃度已變?yōu)楹愣ㄖ档那闆r下，利用氫氣濃度傳感器來測量氫氣濃度， 然后假設(shè)測量值和假定恒定值之間的差值即為誤差，校正來自氫氣濃 度傳感器的測量值。更確切地說，利用氫氣供應(yīng)裝置氫氣被供應(yīng)到燃料電池而 不將陽極廢氣引入氫氣供應(yīng)通道中，以便允許從氫氣供應(yīng)裝置供應(yīng)的 純氫氣代替陽極廢氣流入氫氣供應(yīng)通道。這樣，雜質(zhì)從通道中排出， 并且氫氣供應(yīng)通道內(nèi)的氫氣濃度和從氫氣供應(yīng)裝置供應(yīng)的氫氣量之間 的關(guān)系變?yōu)樘囟P(guān)系。氫氣濃度是在來自氫氣濃度傳感器的氫氣濃度 被假定為恒定濃度的情況下被實際測量的，并且，如果實際測量值和 理論值彼此不相等，則假設(shè)實際測量值和理論值之間的差值為誤差， 校正來自氫氣濃度傳感器的測量值。如果氬氣濃度實際上在能夠估計氫氣濃度的條件下被測 量，并且在估計值的基礎(chǔ)上校正來自氫氣濃度傳感器的測量值以校正 氫氣濃度傳感器的基準(zhǔn)點，那么即使氫氣濃度傳感器已使用很長時間 且變得退化以致引起誤差時，也能夠適當(dāng)?shù)匦Ｕ齻鞲衅鞯幕鶞?zhǔn)點并保 持測量氫氣濃度的精度。當(dāng)燃料電池中的電流產(chǎn)生過程開始時，根據(jù)這種方案的燃 料電池系統(tǒng)的校正裝置可以校正氫氣濃度傳感器的基準(zhǔn)點。當(dāng)燃料電 池中的電流產(chǎn)生停止時，燃料電池內(nèi)的氣壓幾乎下降到大氣壓。然而， 一般地，在燃料電池產(chǎn)生電流時，受控氣壓高于大氣壓，因此，當(dāng)在 開始產(chǎn)生電流時開始供應(yīng)氫氣時，氫氣流入氫氣供應(yīng)通道中，則靠近 氫氣濃度傳感器的氫氣濃度變高。因此，通過在燃料電池中開始產(chǎn)生 電流之后執(zhí)行校正，將氬氣濃度傳感器的測量值引導(dǎo)到任意恒定值變 得容易，因此能夠提高校正精度。當(dāng)校正裝置利用氫氣供應(yīng)裝置已向燃料電池供應(yīng)了預(yù)定量
的氬氣時，校正裝置可以利用氫氣濃度傳感器測量氫氣濃度，并且才交 正氫氣濃度傳感器的基準(zhǔn)點?？拷鼩鍤鉂舛葌鞲衅鞯臍錃鉂舛纫蕾噺臍錃夤?yīng)裝置供應(yīng) 的氫氣量而變化。因為通過預(yù)先計算使靠近氫氣濃度傳感器的氫氣濃 度成為預(yù)定值的氫氣供應(yīng)量，并且當(dāng)氫氣已被供應(yīng)了計算出的量時校 正氫氣濃度傳感器的基準(zhǔn)點，能夠以適當(dāng)?shù)臍錃鉂舛葓?zhí)行校正。因此， 可能提高校正精度。優(yōu)選地，預(yù)定量根據(jù)氫氣供應(yīng)通道的空間體積等而適當(dāng)?shù)?設(shè)定。在假定氫氣濃度基本為100%的條件下，當(dāng)由校正裝置執(zhí)行校正 時，例如，使靠近氫氣濃度傳感器的氫氣濃度基本為100%的氫氣量被 預(yù)先計算，并在氫氣已供應(yīng)這些量時執(zhí)行校正。這樣，在靠近氫氣濃 度傳感器的氫氣濃度被假定為100%的條件下執(zhí)行校正，因此能夠提高 校正精度。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)使得校正氫氣濃度傳感器的誤 差成為可能，因此即使在長時間使用后也能夠保持氫氣濃度傳感器的 測量精度。


參照附圖，對優(yōu)選實施例的下述說明將4吏本發(fā)明的前述的 和進(jìn)一步的目的、特征和優(yōu)點變得清楚，其中相同的標(biāo)記用于表示相 同的部件，而且其中
圖1為根據(jù)一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2為顯示由根據(jù)該實施例的燃料電池系統(tǒng)執(zhí)行的過程的流程圖3為根據(jù)另一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖4為根據(jù)又一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；以及
圖5為顯示由根據(jù)該實施例的燃料電池系統(tǒng)執(zhí)行的過程的流程圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的實施例將參照附圖進(jìn)行詳細(xì) 說明。圖1為根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。燃料電 池系統(tǒng)10包括燃料電池l，其通過氫氣和氧化氣體之間的電化學(xué)反 應(yīng)產(chǎn)生電流；高壓氬氣罐2，作為將氫氣供應(yīng)給燃料電池l的氫氣供應(yīng) 裝置，高壓氫氣罐2存儲作為燃料氣體的氫氣；高壓氫氣罐2的釋放 閥6;調(diào)節(jié)閥7，用于調(diào)節(jié)從高壓氫氣罐2排出的氫氣的壓力；氧化氣 體供應(yīng)通道21,待供應(yīng)到燃料電池1的空氣通過氧化氣體供應(yīng)通道21; 空氣壓縮器8，設(shè)置在氧化氣體供應(yīng)通道21上，將氧化氣體供應(yīng)給燃 料電池1;陽極廢氣通道22，從燃料電池1的陽極側(cè)排出的陽極廢氣 經(jīng)過陽極廢氣通道22;氫氣濃度傳感器3，設(shè)置在陽極廢氣通道22上， 測量陽極廢氣中氬氣的濃度；ECU4，執(zhí)行諸如控制通過高壓氬氣罐2 的氫氣供應(yīng)，控制氧化氣體供應(yīng)等各種控制操作；釋放閥5，設(shè)置在陽 極廢氣通道22上位于氫氣濃度傳感器3的下游，用于將陽極廢氣從系 統(tǒng)排出；以及調(diào)節(jié)閥9，用于調(diào)節(jié)從燃料電池l的陰極側(cè)排出的陰極廢 氣的壓力。
氬氣濃度傳感器3測量經(jīng)過陽極廢氣通道22的陽極廢氣中 的氫氣濃度。由氫氣濃度傳感器3測量到的值輸入到ECU 4。當(dāng)燃料 電池1中進(jìn)行電流產(chǎn)生過程時，ECU4在氫氣濃度的勤出上對釋放閥5 執(zhí)行開啟/關(guān)閉操作以排出諸如氮?dú)獾碾s質(zhì)氣體。當(dāng)氫氣從高壓氫氣罐2供應(yīng)到燃料電池1的陽極側(cè)時，在 陽極側(cè)出現(xiàn)的氫氣變?yōu)闅潆x子，其穿過電解質(zhì)膜以與氧氣反應(yīng)。在反 應(yīng)中未消耗的氫氣與傳輸?shù)疥枠O側(cè)的氮?dú)庖黄鹱鳛殛枠O廢氣被排出。釋放閥5排出陽極廢氣通道22中的陽極廢氣。如果陽極廢 氣繼續(xù)排出，同時從高壓氬氣罐2供應(yīng)的氬氣以及傳輸?shù)牡獨(dú)獾纫瞊皮 排出，那么陽極廢氣通道22中的氫氣濃度由于供應(yīng)的氫氣而增高。在這個實施例中，氫氣供應(yīng)給燃料電池1時排出的陽極廢 氣的量和陽極廢氣已排出這些量的時間點時的陽極廢氣通道22內(nèi)的氫 氣濃度之間的關(guān)系被預(yù)先確定；并且使設(shè)置有氫氣濃度傳感器3的陽 極廢氣通道22內(nèi)的氫氣濃度基本為100%的排出量浮皮設(shè)定作為預(yù)定量。 當(dāng)陽極廢氣排出預(yù)定量時，利用氫氣濃度傳感器3測量氫氣濃度，并 且假設(shè)測量值和作為理論值的100%之間的差值為誤差，校正來自氫氣 濃度傳感器3的測量值。另外，在該實施例中，當(dāng)燃料電池1的電流產(chǎn)生停止時計 算用于氫氣濃度傳感器3的校正值，并且，在反映計算出的校正值的 氫氣濃度的基礎(chǔ)上，執(zhí)行燃料電池系統(tǒng)10的各種控制操作，諸如調(diào)節(jié) 被排出的陽極廢氣的量。下面將詳細(xì)說明在如上所述構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)10中執(zhí) 行的傳感器校正控制。下文中說明的各種控制操作包含在由ECU 4執(zhí)
行的程序中，并且定期重復(fù)。圖2為顯示根據(jù)該實施例的傳感器校正
控制的流程圖。當(dāng)燃料電池1中進(jìn)行電流產(chǎn)生過程時，ECU4向氫氣濃度 傳感器3發(fā)送指令以測量穿過陽極廢氣通道22的陽極廢氣中的氫氣濃 度(S101 )。它的目的是在氫氣濃度的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)從燃料電池1排出的 陽極廢氣的量。步驟S102是將在步驟S101中測量到的氫氣濃度與下文描 述的校正值a相乘以設(shè)定氫氣濃度的步驟。在該實施例中，與氫氣濃 度一樣，各種控制操作都是利用通過由氫氣濃度傳感器3實際測量到 的值與校正值a相乘得到的值來執(zhí)行的。因此，在步驟S102中及其之 后，諸如調(diào)節(jié)排出陽極廢氣的量的各種操作，是在正常操作條件下(即， 當(dāng)燃料電池產(chǎn)生電流時)在校正后的氬氣濃度的基礎(chǔ)上執(zhí)行的。接下來，將說明氫氣濃度傳感器3的校正。ECU4開啟設(shè) 置在陽極廢氣通道22上的釋放閥5以開始排出陽才及廢氣(S201 )。 ECU 4測量陽極廢氣的排放量(S202),并判斷排放量是否等于或大于預(yù)定 量(S203)。如果步驟S203中的判定結(jié)果顯示陽極廢氣的排放量小于 預(yù)定量，則不進(jìn)行傳感器的校正，然后退出程序。另一方面，如果在步驟S203中的判定結(jié)果顯示陽極廢氣的 排放量等于或大于預(yù)定量，則測量氫氣濃度以便對氫氣濃度傳感器3 進(jìn)行校正(S204)。預(yù)定量為，當(dāng)陽極廢氣已排出預(yù)定量時，由氫氣濃 度傳感器3測量到的氬氣濃度，即陽極廢氣通道22內(nèi)的氫氣濃度應(yīng)當(dāng) 基本變?yōu)?00%。預(yù)定量是預(yù)置的。如果步驟S204中測量到的氫氣濃度不是100%，則測量值 和作為理論值的100%之間的差值為誤差，并且通過將作為理論值的 100%除以實際測量值得到的值被設(shè)定為校正值a ( S205 )。在陽極廢氣已排出預(yù)定量的時間點時，通過將在本實施例 中為100%的氬氣濃度的理論值除以在相同時間點時的實際測量值而 獲得的值為校正值a，該校正值a是在步驟S102中當(dāng)校正氫氣濃度時 與測量值相乘的值。當(dāng)在陽極廢氣通道22內(nèi)的氫氣濃度的基礎(chǔ)上執(zhí)行各種控 制操作時，來自氫氣濃度傳感器3的測量值乘以如此計算出的校正值a (S102)。這樣，能夠適當(dāng)?shù)匦Ｕ龤錃鉂舛葌鞲衅?的誤差，并校正氫 氣濃度傳感器3的基準(zhǔn)點。即使氫氣濃度傳感器3已使用了很長時間 并隨著時間的過去變得退化，也能夠通過適當(dāng)?shù)貓?zhí)行傳感器的校正來 校正由于退化而產(chǎn)生的誤差。在該實施例中盡管在步驟S205中計算得到的值，即在單次 測量后計算得到值，被用作了校正值，但是例如，通過多次計算校正 值并將計算出的校正值取平均后得到的平均值也可以用作校正值。另 外，可以設(shè)定校正值的上限和下限。通過這樣適當(dāng)?shù)卦O(shè)定校正值，能 夠提高氫氣濃度傳感器的測量精度進(jìn)而抑制測量誤差。在上述實施例中，從燃料電池1中排出的陽極廢氣從系統(tǒng) 中以預(yù)定量^皮排出，然后假設(shè)陽極廢氣通道22中的氫氣濃度為特定的 恒定濃度來執(zhí)行校正。然而，如圖3中所示，可以設(shè)置將從高壓氫氣 罐2供應(yīng)的氫氣直接引導(dǎo)(不通過燃料電池)到陽極廢氣通道22的旁 通通道23。如果設(shè)置旁通通道23，通過旁通通道23引入到陽極廢氣
通道22中的氫氣包含很少的濕氣，因此，能夠降低濕氣對氫氣濃度傳
感器3的影響，這樣能夠提高測量精度?？梢栽O(shè)置將氬氣的供應(yīng)通道在通往旁通通道和通往燃料電 池堆之間進(jìn)行切換的控制閥12。同樣優(yōu)選的是利用控制閥12使旁通通 道23在正常的電流產(chǎn)生過程中關(guān)閉，并且，當(dāng)氫氣濃度傳感器的基準(zhǔn) 點被校正后，氫氣被供應(yīng)給旁通通道，而從高壓氫氣罐2到燃料電池 堆的氫氣供應(yīng)被切斷。圖4為根據(jù)第二實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。燃料電 池系統(tǒng)100包括燃料電池l，其通過氫氣和氧化氣體之間的電化學(xué)反 應(yīng)產(chǎn)生電流；高壓氫氣罐2，作為將氫氣供應(yīng)給燃料電池l的氫氣供應(yīng) 裝置，高壓氫氣罐2存儲氫氣作為燃料氣體；高壓氫氣罐2的釋放閥6; 調(diào)節(jié)閥7，用于調(diào)節(jié)從高壓氫氣罐2排出的氫氣的壓力；氧化氣體供應(yīng) 通道21，待供應(yīng)到燃料電池1的空氣通過氧化氣體供應(yīng)通道21;空氣 壓縮器8，設(shè)置在氧化氣體供應(yīng)通道21上，其將氧化氣體供應(yīng)給燃料 電池1;氫氣供應(yīng)通道20，來自高壓氫氣罐2的氫氣經(jīng)過氫氣供應(yīng)通 道20供應(yīng)給燃料電池1;陽極廢氣通道22，從燃料電池l的陽極側(cè)排 出的陽極廢氣經(jīng)過陽極廢氣通道22;氫氣循環(huán)通道24，其連接在陽極 廢氣通道22和氫氣供應(yīng)通道20之間；氫氣泵ll,設(shè)置在氫氣循環(huán)通 道24上，其將陽極廢氣引導(dǎo)到氫氣供應(yīng)通道20;氫氣濃度傳感器3， 設(shè)置在氫氣供應(yīng)通道20上位于氫氣供應(yīng)通道20和氫氣循環(huán)通道24的 連接處的下游；釋放閥5，設(shè)置在從陽極廢氣通道22分支出的陽極廢 氣排出通道25上，用于從系統(tǒng)中排出陽極廢氣；調(diào)節(jié)閥9，用于調(diào)節(jié) 從燃料電池1的陰極側(cè)排出的陰極廢氣的壓力；以及ECU4，其執(zhí)行 各種控制操作，諸如控制高壓氫氣罐2的氫氣供應(yīng)。
燃料電池1通過由高壓氫氣罐2供應(yīng)的氫氣和通過氧化氣 體通道21供應(yīng)的氧化氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)獲得電能。包含著未用于 產(chǎn)生電流的剩余氫氣和已通過燃料電池1的電解質(zhì)膜的氮?dú)獾年枠O廢 氣通過陽極廢氣通道22從燃料電池1的陽極(燃料電極)側(cè)排出。陽極廢氣通道22與排放陽極廢氣的陽極廢氣排出通道25 連接，則能夠通過對釋放闊5進(jìn)行開啟/關(guān)閉操作而從系統(tǒng)中排出陽極 廢氣。然而，陽極廢氣含有氫氣，所以，如果陽極廢氣這樣排出，則 高濃度氫氣可能從系統(tǒng)中排出。因此，為了使陽極廢氣返回燃料電池1， 設(shè)置了連接著陽極廢氣通道22和氬氣供應(yīng)通道20的氫氣循環(huán)通道24。 氫氣循環(huán)通道24設(shè)置有氫氣泵11,根據(jù)需要，使用氫氣泵ll將陽極 廢氣引導(dǎo)進(jìn)入氫氣供應(yīng)通道20中，從而將陽極廢氣供應(yīng)給燃料電池1。根據(jù)第二實施例的燃料電池系統(tǒng)100,在燃料電池1的電 流產(chǎn)生條件、陽極廢氣中的氫氣濃度等的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)后，將 來自高壓氫氣罐2的氫氣或來自氫氣循環(huán)通道24的陽極廢氣引導(dǎo)到燃 料電池1。氫氣濃度傳感器3測量通過氫氣供應(yīng)通道20供應(yīng)給燃料電 池1的氫氣中的氫氣濃度。由氫氣濃度傳感器3測量到的值被輸入給 ECU4。當(dāng)燃料電池l中的電流產(chǎn)生過程進(jìn)^f亍時，ECU4執(zhí)行各種控制 操作，諸如在氫氣濃度的基礎(chǔ)上對利用氫氣泵11進(jìn)行循環(huán)的陽極廢氣 的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)以防止燃料電池1缺少氫氣的控制操作。因為來自氫氣濃度傳感器3的測量值被用于燃料電池系統(tǒng) IOO的各種控制操作中，優(yōu)選為氫氣濃度傳感器3具有高測量精度。然
而，在長時間使用之后，氫氣濃度傳感器3可能變得退化，而測量精
度因此降低。利用第二實施例，氫氣濃度傳感器3的誤差^皮校正。確切地說，來自高壓氬氣罐2的僅僅預(yù)定量的氫氣被供應(yīng) 給燃料電池1 (不供應(yīng)陽極廢氣)以實現(xiàn)能夠假設(shè)靠近氫氣濃度傳感器 3的氫氣濃度基本為100%的條件。在這種條件下，利用氫氣濃度傳感 器3來實際測量氫氣濃度。如果測量到的濃度不是理論值100%，則判 定為產(chǎn)生誤差，并計算用于氫氣濃度傳感器3的校正值。在反映計算 出的校正值的氫氣濃度的基礎(chǔ)上執(zhí)行燃料電池100的各種控制操作， 諸如調(diào)節(jié)被引入到燃料電池1內(nèi)的陽極廢氣的流量。下面將參照圖5中所示的流程圖詳細(xì)說明根據(jù)第二實施例 的氫氣濃度傳感器3的校正。這種控制是通過由ECU 4執(zhí)行的程序?qū)?現(xiàn)的。當(dāng)燃料電池1開始產(chǎn)生電流時，對氫氣濃度傳感器3進(jìn)行 校正。當(dāng)電流產(chǎn)生停止時，燃料電池1中的氣壓低于電流產(chǎn)生過程進(jìn) 行中的氣壓。如果在這種條件下供應(yīng)氬氣，純氫氣流過:&置有氫氣濃 度傳感器3的氫氣供應(yīng)通道20，因此能夠使靠近氫氣濃度傳感器3的 氫氣濃度基本為100°/。。 —旦收到開始信號，ECU 4開始從高壓氫氣罐2供應(yīng)氫氣 (S101)。應(yīng)當(dāng)注意，因為步驟S101是在燃料電池1開始產(chǎn)生電流之 前執(zhí)行的，并且氫氣泵ll因此停止，所以僅有來自高壓氫氣罐2的氫 氣流入氫氣供應(yīng)通道20中。隨后，ECU4測量從高壓氫氣罐2供應(yīng)的氫氣量(S102)。 通過測量氬氣量，能夠估計靠近氫氣濃度傳感器3的氫氣濃度基本變?yōu)?00%的時刻。ECU4—直等待著直到從高壓氫氣罐2供應(yīng)的氬氣量 變?yōu)轭A(yù)定量(S103 )。然后ECU4利用氫氣濃度傳感器3測量氫氣濃度 (S104 )。預(yù)定量是這樣的，當(dāng)氫氣已供應(yīng)該預(yù)定量時，靠近氫氣濃 度傳感器3的氫氣濃度應(yīng)當(dāng)變?yōu)?00%。當(dāng)氫氣已供應(yīng)該預(yù)定量時，氫 氣濃度被實際測量，并且，如果測量值與作為理論值的100%不同，則 對來自氫氣濃度傳感器的測量值進(jìn)行校正。在下文描述的各種控制操作中，ECU4計算用于校正氫氣 濃度傳感器3的誤差的校正值a(S105)。在氫氣已供應(yīng)預(yù)定量后，通 過將氫氣濃度的理論值(在本實施例中為100%)除以實際測量值而獲 得的值即為校正值a，該值是在下文描述的步驟S202中校正氫氣濃度 時與測量值相乘的值。計算校正值a之后，進(jìn)行正常的電流產(chǎn)生過程。當(dāng)產(chǎn)生電流時4丸行步驟S201和隨后的步驟。為了在氫氣濃 度的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)被引入燃料電池1中的陽極廢氣的流量，ECU 4利用 氫氣濃度傳感器3測量氫氣供應(yīng)通道20內(nèi)的氫氣濃度。隨后，在步驟S201中獲得的測量值乘以在步驟S105中計 算出的校正值a，從而設(shè)置用作控制氫氣循環(huán)的流量的基準(zhǔn)的氫氣濃度 (S202)。這樣，能夠適當(dāng)?shù)匦Ｕ龤錃鉂舛葌鞲衅?的誤差，即，校正 氫氣濃度傳感器3的基準(zhǔn)點。通過對氫氣濃度傳感器3適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行校 正，能夠校正誤差并且即使在氫氣濃度傳感器被長時間使用并變得退 化時也能夠保持測量精度。在第二實施例中，盡管將步驟S105中計算出的值，即單次 測量后計算出的值用作校正值a，但是，例如通過多次計算校正值并將
計算出的校正值取平均后得到的平均值也可以用作校正值。另外，可 以設(shè)定校正值的上限和下限。通過這樣適當(dāng)?shù)卦O(shè)定校正值，能夠提高 氫氣濃度傳感器的測量精度進(jìn)而抑制測量誤差。在上述實施例中，靠近氫氣濃度傳感器3的氫氣濃度基本 變?yōu)?00%的時刻是在所供應(yīng)的氫氣量的基礎(chǔ)上確定的。然而，在本發(fā) 明中，燃料電池系統(tǒng)具有能夠確定靠近氬氣濃度傳感器3的氫氣濃度 變?yōu)轭A(yù)定濃度的時刻的結(jié)構(gòu)就可以；本發(fā)明不限于利用供應(yīng)量執(zhí)行控 制的結(jié)構(gòu)。例如，氫氣濃度基本變?yōu)?00%的時刻可以在從開始供應(yīng)氫 氣后流逝的時間的基礎(chǔ)上來確定。盡管已經(jīng)參照被認(rèn)為是優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了說 明，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不限于公開實施例或結(jié)構(gòu)。相反，本發(fā)明意在 覆蓋各種修改和等同配置。另外，盡管已公開的發(fā)明的各種元件顯示 為各種組合和構(gòu)造，這是示例性的，包括更多、更少或僅有單個元件 的其它組合和構(gòu)造也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種燃料電池系統(tǒng)，包括:燃料電池，其通過氫氣和氧化氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流；氫氣供應(yīng)裝置，其向所述燃料電池供應(yīng)所述氫氣；氫氣供應(yīng)通道，從所述氫氣供應(yīng)裝置供應(yīng)的所述氫氣經(jīng)過所述氫氣供應(yīng)通道中；陽極廢氣通道，從所述燃料電池的陽極側(cè)排放出的陽極廢氣經(jīng)過所述陽極廢氣通道中；氫氣濃度傳感器，其設(shè)置在所述氫氣供應(yīng)通道和所述陽極廢氣通道中的至少一個上；以及校正裝置，其減少設(shè)置有所述氫氣濃度傳感器的所述通道內(nèi)的雜質(zhì)；利用所述氫氣濃度傳感器來測量氫氣濃度，并且在所述測量出的氫氣濃度的基礎(chǔ)上校正所述氫氣濃度傳感器的基準(zhǔn)點。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括釋放閥，其設(shè)置在所述陽極廢氣通道上，將包含在所述陽極廢氣 中的所述雜質(zhì)從所述系統(tǒng)中排放出，其中所述氬氣濃度傳感器設(shè)置在所述陽極廢氣通道上的所述釋放閥的 上游，并且在利用所述氫氣供應(yīng)裝置來供應(yīng)所述氬氣的同時，通過開 啟所述釋放閥排放出預(yù)定量或更多所述陽極廢氣而使雜質(zhì)減少。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括 旁通通道，其將所述氫氣引導(dǎo)至所述陽極廢氣通道而不通過所述 燃料電池，所述旁通通道連接所述氫氣供應(yīng)通道和^f立于所述氫氣濃度 傳感器的上游的所述陽極廢氣通道的一部分，其中，當(dāng)所述校正裝置已經(jīng)排出預(yù)定量或更多所述陽極廢氣，同時通過 所述旁通通道將所述氫氣供應(yīng)到所述陽極廢氣通道時，所述校正裝置 利用所述氫氣濃度傳感器測量所述氫氣濃度，并且^f交正所述氫氣濃度 傳感器的所述基準(zhǔn)點。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括控制閥，其在所述氪氣通往所述旁通通道和通往所述燃料電池的 所述供應(yīng)通道之間切換。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述陽極廢氣被排出的預(yù)定量為，當(dāng)所述陽極廢氣被排出所述預(yù) 定量時，由所述氬氣濃度傳感器測量出的所述氫氣濃度應(yīng)當(dāng)基本變?yōu)?100%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括氫氣循環(huán)通道，其連接所述氫氣供應(yīng)通道和所述陽極廢氣通道， 并且將所述陽極廢氣引導(dǎo)至所述氫氣供應(yīng)通道，其中所述氫氣濃度傳感器設(shè)置在所述氫氣供應(yīng)通道上的所述氫氣供應(yīng) 通道和所述氫氣循環(huán)通道連接處的下游，并且在調(diào)節(jié)從所述氫氣循環(huán) 通道進(jìn)入所述氪氣供應(yīng)通道的所述陽極廢氣流量的同時，通過向所述 燃料電池供應(yīng)所述氫氣而使雜質(zhì)減少。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中當(dāng)所述燃料電池內(nèi)的電流產(chǎn)生過程開始時，所述校正裝置校正所 述氫氣濃度傳感器的所述基準(zhǔn)點。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中當(dāng)所述校正裝置利用所述氫氣供應(yīng)裝置已向所述燃料電池供應(yīng)了 預(yù)定量或更多的所述氫氣時，所述校正裝置利用所述氫氣濃度傳感器 測量所述氬氣濃度，并且校正所述氫氣濃度傳感器的所述基準(zhǔn)點。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述氫氣被供應(yīng)的預(yù)定量為，當(dāng)所述氫氣已經(jīng)被供應(yīng)了所述預(yù)定 量時，由所述氬氣濃度傳感器測量出的所述氫氣濃度應(yīng)當(dāng)基本變?yōu)?100%。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述校正裝置通過假定測量值除以實際測量值計算用于校正所述 氫氣濃度傳感器的所述基準(zhǔn)點的校正值，所述假定測量值為當(dāng)所述雜 質(zhì)已被減少時應(yīng)當(dāng)獲得的測量值。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述校正裝置多次計算所述校正值，并且在所述計算出的校正值 的平均值的基礎(chǔ)上校正所述氫氣濃度傳感器的所述基準(zhǔn)點。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，僅當(dāng)所述校 正值在預(yù)定范圍內(nèi)時，所述校正裝置才基于所述校正值來校正所述氫 氣濃度傳感器的所述基準(zhǔn)點。
13、 一種控制燃料電池系統(tǒng)的方法，所述燃料電池系統(tǒng)包含通過 氬氣和氧化氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電流的燃料電池，所述方法 包括通過氫氣供應(yīng)通道將氫氣從氫氣供應(yīng)裝置供應(yīng)到所述燃料電池；將陽極廢氣從所述燃料電池的陽極側(cè)排放到陽極廢氣通道中；減少設(shè)置有氫氣濃度傳感器的通道內(nèi)的雜質(zhì)，所述通道為所述氫 氣供應(yīng)通道和所述陽極廢氣通道中的至少一個；以及，當(dāng)所述雜質(zhì)已被減少時，利用所述氫氣濃度傳感器測量所述氫氣 濃度，并且在所述測量出的氫氣濃度的基礎(chǔ)上校正所述氫氣濃度傳感 器的基準(zhǔn)點。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的控制燃料電池系統(tǒng)的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)包括將包含在所述陽極廢氣中的所述雜質(zhì)/人所 述系統(tǒng)中排放出去的釋放閥，以及在利用所述氫氣供應(yīng)裝置供應(yīng)所述氫氣的同時，在所述釋放閥開 啟并且所述陽極廢氣已被排出預(yù)定量之后，在所述陽極廢氣通道內(nèi)的 釋放閥的上游對所述氫氣濃度進(jìn)行測量。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的控制燃料電池系統(tǒng)的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)包括氫氣循環(huán)通道，所述氫氣循環(huán)通道連接 所述氫氣供應(yīng)通道和所述陽極廢氣通道，并且將所述陽極廢氣引導(dǎo)至 所述氫氣供應(yīng)通道；以及 在調(diào)節(jié)從所述氬氣循環(huán)通道進(jìn)入所述氫氣供應(yīng)通道的所述陽極廢 氣流量的同時，通過將所述氫氣供應(yīng)到所述燃料電池而使所述雜質(zhì)減 少之后，在所述氬氣供應(yīng)通道中的所述氫氣供應(yīng)通道和所述氫氣循環(huán) 通道的連接處的下游對所述氫氣濃度進(jìn)行測量。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，包括燃料電池(1)，其通過氫氣和氧化氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流；氫氣供應(yīng)裝置(2)，其向燃料電池供應(yīng)氫氣；氫氣供應(yīng)通道(21)，從氫氣供應(yīng)裝置供應(yīng)的氫氣經(jīng)過氫氣供應(yīng)通道(21)中；陽極廢氣通道(22)，從燃料電池的陽極側(cè)排放出的陽極廢氣經(jīng)過陽極廢氣通道(22)中；氫氣濃度傳感器(3)，其設(shè)置在氫氣供應(yīng)通道(21)和陽極廢氣通道(22)中的至少一個上；以及校正裝置(4)，其減少設(shè)置有氫氣濃度傳感器的通道內(nèi)的雜質(zhì)，利用氫氣濃度傳感器來測量氫氣濃度并且在測量出的氫氣濃度的基礎(chǔ)上校正氫氣濃度傳感器的基準(zhǔn)點。
文檔編號H01M8/04GK101385176SQ200780005450
公開日2009年3月11日 申請日期2007年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月14日
發(fā)明者菅野善仁 申請人:豐田自動車株式會社