專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)及其控制方法，更具體地，涉及一種給燃料電池中的陰極供應(yīng)氧化劑的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
通常，在燃料電池系統(tǒng)的領(lǐng)域中，使用氧化劑短缺供應(yīng)過程(空氣短缺供應(yīng))，該過程臨時停止或減少給燃料電池中的陰極供應(yīng)氧化劑，從而使該陰極的氧化劑不足。
一般知道，與在氧化劑短缺供應(yīng)過程之前的輸出相比，燃料電池在氧化劑短缺供應(yīng)過程之后的輸出(尤其電動勢)增大了。這可以以各種不同的方式中使用JP-A 63-26961披露了這樣一種技術(shù)，即，在進行恒定的發(fā)電時以正常工作進行氧化劑短缺供應(yīng)過程，從而恢復(fù)燃料電池的輸出，否則燃料電池的輸出會隨著時間而降低。
此外，PCT(WO)2003-504807披露了這樣一種技術(shù)，其中在啟動時基于燃料電池的溫度進行氧化劑短缺供應(yīng)過程，以便提高燃料電池的過電壓(內(nèi)電阻)，這導(dǎo)致發(fā)熱量增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題然而，JP-A 63-26961既沒有披露用于確定是否進行氧化劑短缺供應(yīng)過程的確定標準，也沒有披露在何時執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程的時序。在氧化劑短缺供應(yīng)過程期間，燃料電池的輸出(電功率)降低，這意味著，執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程和恢復(fù)燃料電池系統(tǒng)的輸出可以導(dǎo)致這樣的情況，其中，由于氧化劑短缺供應(yīng)過程所提高的電能的量小于由于氧化劑短缺供應(yīng)過程所降低的電能的量，這取決于燃料電池系統(tǒng)的條件(例如，在燃料電池中的電解質(zhì)的條件)。換句話說，通過執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程，可能降低燃料電池的發(fā)電效率，這取決于燃料電池中的電解質(zhì)的條件。
在PCT(WO)2003-504807中所披露的技術(shù)是，在啟動時即在燃料電池的輸出仍不穩(wěn)定時進行氧化劑短缺供應(yīng)過程。該技術(shù)試圖快速地提高燃料電池的溫度，從而使燃料電池系統(tǒng)快速地進入正常工作，從而燃料電池能夠更穩(wěn)定發(fā)電。也就是說，在PCT(WO)2003-504807中所披露的技術(shù)沒有涉及到通過執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程恢復(fù)燃料電池的輸出來提高發(fā)電效率，否則，在正常工作期間，燃料電池的輸出會隨著時間而降低。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種在正常工作期間可靠地提供燃料電池的發(fā)電效率的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。
解決問題的技術(shù)方案本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例提供一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，其具有被供應(yīng)氧化劑陰極；氧化劑供應(yīng)裝置，用于給所述陰極供應(yīng)所述氧化劑；確定裝置，用于根據(jù)情況確定在正常工作期間是否執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程；以及控制裝置，基于由所述確定裝置所確定的結(jié)果控制所述氧化劑供應(yīng)裝置在正常工作期間的工作。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例提供一種控制燃料電池系統(tǒng)的方法，該燃料電池系統(tǒng)給燃料電池中的陰極供應(yīng)氧化劑。該方法包括確定步驟，根據(jù)情況確定在正常工作期間是否執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程；以及控制步驟，基于在正常工作期間是否執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程的確定結(jié)果來控制給所述陰極供應(yīng)的氧化劑的量。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，在正常工作期間，根據(jù)情況確定是否執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。如果確定執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程，則從到當時為止所供應(yīng)的量臨時停止或減少給所述陰極供應(yīng)氧化劑。如上所述，檢查情況，以確定是否執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程，然后，根據(jù)情況的需要執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。這樣，可以更可靠地提供燃料電池在正常工作期間的發(fā)電效率。
優(yōu)選地，該燃料電池系統(tǒng)還包括第一存儲裝置，用于存儲所述燃料電池在前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之前的輸出值和所述燃料電池在前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之后的輸出值?；诖鎯υ谒龅谝淮鎯ρb置中的所述燃料電池在前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之前的輸出值和所述燃料電池在前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之后的輸出值之間的比較結(jié)果，確定是否要執(zhí)行所述氧化劑短缺供應(yīng)過程。在這種情況下，當存儲在所述第一存儲裝置中的所述燃料電池在前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之后的輸出以不小于預(yù)定比的比率大于所述燃料電池在前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之前的輸出時，確定執(zhí)行所述氧化劑短缺供應(yīng)過程，并且控制給所述陰極供應(yīng)的氧化劑的量。也就是說，當前一氧化劑短缺供應(yīng)過程的結(jié)果顯示在所述氧化劑短缺供應(yīng)過程之后可得到的電能的增量大于在所述氧化劑短缺供應(yīng)過程期間可得到的電能的量時，確定執(zhí)行所述氧化劑短缺供應(yīng)過程。如上所述，通過在存在提高所述燃料電池的發(fā)電效率的正標記時執(zhí)行所述氧化劑短缺供應(yīng)過程，可以更可靠地提高燃料電池在正常工作期間的發(fā)光效率。
優(yōu)選，該燃料電池系統(tǒng)還包括第二存儲裝置，用于存儲與所經(jīng)過的時間長度對應(yīng)的所述燃料電池的期望輸出值，并且，基于存儲在所述第二存儲裝置中的所述燃料電池的期望輸出值和所述燃料電池的當前輸出值之間的比較結(jié)果，確定是否要執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。在這種情況下，當所述燃料電池的輸出的當前值小于存儲在所述第二存儲裝置中的所述燃料電池的輸出的期望值時，確定執(zhí)行所述氧化劑短缺供應(yīng)過程，并且控制給所述陰極供應(yīng)的氧化劑的量。也就是說，當所述輸出降低得比所述燃料電池的標準時間進程輸出更快時，確定執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。因此，可以避免在無需恢復(fù)所述燃料電池的輸出時進行不必要的氧化劑短缺供應(yīng)過程，并且可以使所述燃料電池在正常工作期間的發(fā)電效率不會有不希望的下降。
優(yōu)選，該燃料電池系統(tǒng)還包括二次電池，其與所述燃料電池電連接；以及電荷檢測裝置，用于檢測在所述二次電池中的電荷量?；谟伤鲭姾蓹z測裝置所檢測的所述二次電池中的電荷量，確定是否要執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。當所述二次電池中的電荷量低于預(yù)定量時，即，當所述二次電池必須充電時，確定執(zhí)行所述氧化劑短缺供應(yīng)過程，并且控制給所述陰極供應(yīng)的氧化劑的量。當所述二次電池中的電荷量足夠時，無需恢復(fù)所述燃料電池的輸出。因此，這種布置避免了不必要地執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程，并且降低了所述燃料電池的發(fā)電效率中的不希望的下降的風(fēng)險。這種布置也防止了由于過度充電而導(dǎo)致所述二次電池過早劣化的問題。
優(yōu)選，該燃料電池還包括時間測量裝置，用于測量時間。在所述時間測量裝置測量在啟動操作后從所述啟動操作過渡到正常工作所需的預(yù)定量的時間之后，確定是否要執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。如上所述，通過讓時間測量裝置自動測量從所述啟動操作過渡到所述啟動操作之后的所述正常工作所需的預(yù)定量的時間，可以取消操作員確定所述燃料電池系統(tǒng)是否已經(jīng)進入正常工作的需要，從而降低了操作員的負擔。
在直接甲醇燃料電池系統(tǒng)中，將甲醇水溶液直接供應(yīng)給所述燃料電池，使得直接甲醇燃料電池系統(tǒng)無需重組器，從而可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于此原因和其它原因，直接甲醇燃料電池系統(tǒng)適用于需要便攜式的設(shè)備或希望小尺寸的設(shè)備中。為了長時間操作直接甲醇燃料電池系統(tǒng)和包括該系統(tǒng)的設(shè)備，必需提高燃料電池的發(fā)電效率。本發(fā)明能夠提高所述燃料電池的發(fā)電效率，因此，在適用于要求便攜式的設(shè)備中的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)中以及在直接供應(yīng)水溶液燃料給燃料電池的其它燃料電池系統(tǒng)中，本發(fā)明尤其有效。
當燃料電池系統(tǒng)用于運輸設(shè)備中時，所述燃料電池系統(tǒng)必須輕，因此它必須小于用于固定設(shè)備中的燃料電池系統(tǒng)。由此，必須提高用于運輸設(shè)備中的燃料電池的發(fā)電效率。尤其當燃料電池系統(tǒng)包括二次電池時，所述二次電池通常小而輕，所以容易缺少所需的電荷。由于諸如此類的原因，必須快速地提高所述二次電池中的電荷量，從而提高所述燃料電池的發(fā)電效率是重要的。因此，本發(fā)明的優(yōu)選實施例適用于運輸設(shè)備。
這里，應(yīng)該注意，術(shù)語“正常工作”是指燃料電池系統(tǒng)的一種狀態(tài)，其中，燃料電池能夠恒定地發(fā)電。
根據(jù)以下參照附圖對優(yōu)選實施例的詳細描述，其它特征、元件、特點和優(yōu)點將顯而易見。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的燃料電池系統(tǒng)的主要部分的示意圖；圖2是示出安裝在摩托車的框架上的燃料電池系統(tǒng)的透視圖；圖3示出燃料電池系統(tǒng)的主要部分的示意圖；圖4是示出燃料電池系統(tǒng)的電學(xué)結(jié)構(gòu)的方框圖；圖5是示出在燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電啟動之后的主要步驟的實例的流程圖；圖6是圖5中的流程圖的延續(xù)部分；圖7是示出在燃料電池系統(tǒng)中要執(zhí)行的氧短缺供應(yīng)過程的實例的流程圖；圖8是示出當執(zhí)行氧短缺供應(yīng)過程時燃料電池的輸出如何變化的示意圖。
標號說明10 燃料電池系統(tǒng)12 燃料電池12c 陰極34 空氣泵72 CPU74 時鐘電路75 易失存儲器76 非易失存儲器84 電壓檢測電路
86 電流檢測電路102 二次電池103 電荷檢測器200 車架具體實施方式
下面參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
如圖1至圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的燃料電池系統(tǒng)10被提供為直接甲醇燃料電池系統(tǒng)。直接甲醇燃料電池系統(tǒng)不需要重組器，從而適用于需要是便攜式的和/或希望小尺寸的設(shè)備中。這里，就燃料電池系統(tǒng)10用于作為運輸設(shè)備的實例的摩托車中進行描述。如圖2所示，摩托車僅由車架200表示，在圖中，左手側(cè)是車輛的前側(cè)，右手側(cè)是車輛的背側(cè)。燃料電池系統(tǒng)10沿著車架200設(shè)置。
主要參照圖1，燃料電池系統(tǒng)10包括燃料電池12。燃料電池12構(gòu)造成燃料電池堆或多個串聯(lián)的(層疊的)燃料電池，其中的每個燃料電池包括由固體聚合物膜所提供的電解質(zhì)12a、陽極(燃料電極)12b和陰極(空氣電極)12c，其中電解質(zhì)12a夾于陽極12b和陰極12c之間。
燃料電池系統(tǒng)10包括燃料箱14，該燃料箱容納高濃縮的甲醇燃料(含有大約50重量％的甲醇的水溶液)F。燃料箱14通過燃料供應(yīng)管16與水溶液箱18相連接，該水溶液箱18貯存甲醇水溶液S。燃料供應(yīng)管16設(shè)置有燃料泵20。燃料泵20從燃料箱14給水溶液箱18供應(yīng)甲醇燃料F。
燃料箱14設(shè)置有液位傳感器15，用于檢測燃料箱14中的甲醇燃料F的液位。水溶液箱18設(shè)置有液位傳感器22，用于檢測水溶液箱18中的甲醇水溶液S的液位。水溶液箱18通過水溶液管24連接燃料電池堆12的陽極12b。水溶液管24從上游側(cè)分別設(shè)置有水溶液泵26、充當熱交換器的散熱器28和水溶液過濾器30。冷卻扇32設(shè)置在散熱器28附近，用于冷卻散熱器28。水溶液箱18中的甲醇水溶液S通過水溶液泵26供應(yīng)給陽極12b，在需要時通過散熱器28冷卻，然后在供應(yīng)給陽極12b之前經(jīng)過水溶液過濾器30凈化。
另一方面，燃料電池12中的陰極12c通過空氣管36連接空氣泵34?？諝夤?6設(shè)置有空氣過濾器38。因此，含有氧氣(氧化劑)的空氣從空氣泵34中發(fā)送出，經(jīng)過空氣過濾器38凈化，然后供應(yīng)給陰極12c。
陽極12b和水溶液箱18通過管40相互連接，所以，從陽極12b排放出的未用的甲醇水溶液和所產(chǎn)生的二氧化碳被供應(yīng)給水溶液箱18。
此外，陰極12c通過管42連接水箱44。管42設(shè)置有散熱器46，用作氣液分離器，并且，在散熱器46附近設(shè)置冷卻扇48，用于冷卻散熱器46。從陰極12c排放出的且含有濕氣(水和水蒸氣)的廢氣通過管42移入水箱44。
水溶液箱18和水箱44通過CO2通氣管50相互連接。CO2通氣管50設(shè)置有甲醇阱52，該甲醇阱52分離甲醇水溶液S。從而，從水溶液箱18排放出的二氧化碳被供應(yīng)給水箱44。
水箱44設(shè)置有液位傳感器54，該液位傳感器檢測水箱44中的水的水位。水箱44設(shè)置有廢氣管56。廢氣管56排放二氧化碳和來自陰極12c的廢氣。
水箱44通過水循環(huán)管58連接水溶液箱18。水循環(huán)管58設(shè)置有水泵60。如有需要，根據(jù)水溶液箱18的情況，通過水泵60將水箱44中的水循環(huán)到水溶液箱18。
此外，在水溶液管24中，在散熱器28和水溶液過濾器30之間設(shè)置旁通管62。
現(xiàn)在還參照圖4，在燃料電池系統(tǒng)10中，旁通管62設(shè)置有濃度傳感器64，用于檢測甲醇水溶液S的濃度。用于檢測燃料電池12的溫度的電池溫度傳感器66附著在燃料電池12上，而用于檢測環(huán)境溫度的環(huán)境溫度傳感器設(shè)置在空氣泵34附近。
如圖4所示，燃料電池系統(tǒng)10包括控制電路70。
控制電路70包括CPU 72，充當執(zhí)行必要的計算和控制燃料電池系統(tǒng)10的工作的控制裝置；時鐘電路74，提供時鐘信號給CPU 72；易失存儲器75(例如，RAM、DRAM或任何其它合適的存儲器)，其基于提供給CPU 72的時鐘信號、標記數(shù)據(jù)等存儲數(shù)據(jù)，例如，經(jīng)過的時間；非易失存儲器76(例如，EEPROM、CMOS或任何其它合適的存儲器)，其存儲用于控制燃料電池系統(tǒng)10所需的程序和數(shù)據(jù)以及計算數(shù)據(jù)等；復(fù)位IC 78，防止燃料電池系統(tǒng)10出現(xiàn)故障；接口電路80，用于連接外部器件；電壓檢測電路84，其檢測在燃料電池12連接于其上的電路82中的電壓，上述電路給電動機202供電以驅(qū)動摩托車；電流檢測電路86，其檢測流入電路82中的電流的值；開/關(guān)電路88，其打開和關(guān)閉電路82；電壓保護電路90，其防止電路82中出現(xiàn)過電壓；二極管92，其被設(shè)置在電路82中；以及電源電路94，其供應(yīng)預(yù)定的電壓給電路82。
在上述控制電路70中，給CPU 72提供來自濃度傳感器64、溫度傳感器66和環(huán)境溫度傳感器68的檢測信號以及來自液位傳感器15、22和54的檢測信號。此外，給CPU 72提供來自翻轉(zhuǎn)開關(guān)96的用于檢測車輛是否已經(jīng)翻轉(zhuǎn)的檢測信號、以及來自輸入單元98的用于進行各種設(shè)定和信息輸入的其它信號。
CPU 72控制諸如燃料泵20、水溶液泵26、空氣泵34、熱交換器冷卻扇32、氣液分離器冷卻扇48和水泵60之類的部件。CPU 72還控制顯示器100，該顯示器顯示各種信息給騎摩托車的人。
在該優(yōu)選實施例中，CPU 72優(yōu)選充當確定裝置和控制裝置。然而，任何其它邏輯或控制單元也可以充當確定裝置和控制裝置。易失存儲器75充當?shù)谝淮鎯ρb置，而非易失存儲器76充當?shù)诙鎯ρb置。此外，在該優(yōu)選實施例中，CPU 72、時鐘電路74和易失存儲器75都包含在時間測量裝置中。氧化劑供應(yīng)裝置優(yōu)選包括空氣泵34或者用于供應(yīng)空氣和/或氧氣給燃料電池的任何其它合適的裝置。
在該優(yōu)選實施例中，CPU 72將基于來自時鐘電路74的時鐘信號的時間信息存儲在易失存儲器75中，從而測量從某一過程開始起所經(jīng)過的時間長度。第一存儲裝置，例如易失存儲器75，存儲燃料電池12在氧化劑短缺供應(yīng)過程(稍后描述)之前的輸出值和燃料電池12在氧化劑短缺供應(yīng)過程之后的輸出值。在該具體情況中，在氧化劑短缺供應(yīng)過程之前和之后的輸出值是電壓值，所以，電壓值被存儲在易失存儲器75中。第二存儲裝置，例如非易失存儲器76，存儲期望電壓值和期望電流值的表數(shù)據(jù)，作為用于所經(jīng)過的時間長度的標準期望值。例如，在工作1000小時之后，燃料電池12的輸出(電能)通常從正常工作剛好啟動之后的值(初始輸出)下降大約10％。非易失存儲器76存儲關(guān)于這種標準時間進程輸出的期望電壓值和期望電流值的表數(shù)據(jù)，即顯示標準時間進程輸出的期望輸出值的表數(shù)據(jù)。
燃料電池12連接二次電池102和電荷檢測器103，其中，電荷檢測器用于檢測二次電池102的電荷量(電荷與二次電池102的容量之比)。二次電池102和電荷檢測器103也連接電動機202。二次電池102補充燃料電池12的輸出、由來自燃料電池12的電能充電、并且放電以給電動機202和其它部件供電。二次電池102可以是Ni-H電池、鋰離子電池、Ni-Cd電池等。來自電荷檢測裝置的檢測信號，例如，來自電荷檢測器103的信號，進入CPU 70。
電動機202設(shè)置有計量器204，該計量器測量有關(guān)電動機202的各種數(shù)據(jù)。由計量器204測量的有關(guān)電動機202的這些數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息經(jīng)由接口電路104提供給CPU 72。
現(xiàn)在，將描述燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電工作過程。當未圖示的主開關(guān)開啟時，燃料電池系統(tǒng)10開始驅(qū)動其部件例如水溶液泵26和空氣泵34，并且開始發(fā)電(工作)。
當開始發(fā)電時，貯存在水溶液箱18中的所需濃度的甲醇水溶液S由水溶液泵26向燃料電池12泵送。該溶液由散熱器28根據(jù)需要地冷卻，通過水溶液過濾器30凈化，然后供應(yīng)給陽極12b。另一方面，含有作為氧化劑的氧氣的空氣由空氣泵34向燃料電池12泵送。該空氣首先通過空氣過濾器38凈化，然后被供應(yīng)給陰極12c。
在燃料電池12中的陽極12b上，甲醇水溶液S中的甲醇和水相互發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生二氧化碳和氫離子。氫離子通過電解質(zhì)12a向陰極12c移動，在陰極12c上，氫離子與供應(yīng)給陰極12c的空氣中的氧氣電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生水(水蒸氣)和電能。
在燃料電池12中的陽極12b上所產(chǎn)生的二氧化碳流過管40、水溶液箱18和CO2排氣管50，到達水箱44，然后從廢氣管56排放出。
另一方面，在燃料電池12中的陰極12c上所產(chǎn)生的大部分水蒸氣是液化的，并且以水的形式排放出，其中飽和的水蒸氣以氣體的形式排放出。通過降低散熱器46中的露點來冷卻和液化從陰極12c排放出的部分水蒸氣。散熱器46通過冷卻扇48的工作來液化水蒸氣。來自陰極12c的濕氣(水和水蒸氣)和未用的空氣經(jīng)由管42供應(yīng)給水箱44。此外，由于水交叉而移到陰極12c的水從陰極12c排放出，并且被提供給水箱44。此外，由于甲醇交叉(crossover)而在陰極12c上的水和二氧化碳從陰極12c排放出，并且被提供給水箱44。
這里，應(yīng)該注意，術(shù)語“水交叉”是這樣一種現(xiàn)象，其中幾摩爾水向陰極12c移動，與此同時出現(xiàn)在陽極12b上的氫離子向陰極12c移動。術(shù)語“甲醇交叉”是這樣一種現(xiàn)象，其中甲醇向陰極12c移動，與此同時氫離子向陰極12c移動。在陰極12c上，甲醇與從空氣泵34供應(yīng)的空氣反應(yīng)，從而分解成水和二氧化碳。
在水箱44中收集的水(液體)適當?shù)赜伤?0泵送并經(jīng)過水循環(huán)管58循環(huán)到水溶液箱18，在水溶液箱18中，該水重新用作甲醇水溶液S中的水。
通常，在發(fā)電的燃料電池中，當通過氧化劑短缺供應(yīng)過程對陰極臨時短缺供應(yīng)氧化劑時，輸出(尤其電動勢)增大。在燃料電池系統(tǒng)10中，在正常工作期間，通過下述方式來進行氧化劑短缺供應(yīng)過程(在該優(yōu)選實施例中是氧短缺供應(yīng)過程)從到當時為止所供應(yīng)的量，臨時停止給陰極12c供應(yīng)空氣，或者臨時減少供應(yīng)給陰極12c的空氣。通過該操作，燃料電池系統(tǒng)10恢復(fù)燃料電池12的輸出。
接下來，給出對在燃料電池系統(tǒng)10開始發(fā)電之后的主要步驟的實例的描述。
注意，在該優(yōu)選實施例中，當主要開關(guān)開啟時，在易失存儲器75中的標記1至3處于“不工作”的狀態(tài)。術(shù)語“標記”是表示“工作”或“不工作”的一條信息，例如，便于CPU 72確定當前情況并執(zhí)行與當前情況相適應(yīng)的步驟。在該優(yōu)選實施例中，標記1是用于確定在與當前時間點較近的過去時間點是否執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程的一條信息。標記2是用于確定是否已確定需要執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程的一條信息。標記3是用于確定前一氧化劑短缺供應(yīng)過程是否有助于恢復(fù)輸出的一條信息。下文中，使用以下表述當標記狀態(tài)從“不工作”變?yōu)椤肮ぷ鳌睍r，則“標記升高”；當標記狀態(tài)為“工作”時， “標記在上”；當標記狀態(tài)從“工作”變?yōu)椤安还ぷ鳌睍r，“標記下降”；當標記狀態(tài)為“不工作”時，“標記在下”。
參照圖5和圖6，首先，當主開關(guān)開啟并且開始發(fā)電(工作)時，計算來自時鐘電路74的時鐘信號(脈沖信號)的數(shù)目，以測量從啟動發(fā)電起所經(jīng)過的時間長度。也就是說，開始測量從啟動發(fā)電起所經(jīng)過的時間。此外，開始檢測燃料電池12的電壓值和電流值，并且通過電荷檢測器103開始檢測二次電池102中的電荷量(步驟S1)。
將從啟動發(fā)電起所經(jīng)過的時間存儲在易失存儲器75中。由電壓檢測電路84檢測的電壓值和由電壓檢測電路86檢測的電流值均與從啟動發(fā)電起所經(jīng)過的時間有關(guān)，并且被存儲在易失存儲器75中。同樣，由電荷檢測器103檢測的二次電池102中的電荷量與從啟動發(fā)電起所經(jīng)過的時間有關(guān)，并且被存儲在易失存儲器75中。
在上述的布置中，確定從啟動發(fā)電起是否已經(jīng)經(jīng)過預(yù)定量的時間(例如，10分鐘)(步驟S3)?；谌剂想姵?2從啟動發(fā)電起到能夠以不變的穩(wěn)定的輸出發(fā)電所經(jīng)過的時間長度，即，完成從啟動發(fā)電過渡到正常工作所需的時間長度，設(shè)定作為標準的在步驟S3所用的預(yù)定量的時間。這是因為可能不用比較當前輸出值和與所經(jīng)過的時間對應(yīng)的期望輸出值，如稍后所述，但是燃料電池12的輸出是不穩(wěn)定的。也就是說，無法從燃料電池12的輸出確定電解質(zhì)12a的狀態(tài)，直到正常工作開始為止，因為燃料電池12的輸出是變化的，從而不可能確定是否應(yīng)該執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程。
如果從啟動發(fā)電起沒有經(jīng)過預(yù)定量的時間(步驟S3，“否”)，則系統(tǒng)等待，直到經(jīng)過預(yù)定量的時間為止。當從啟動發(fā)電起經(jīng)過預(yù)定量的時間(步驟S3，“否”)，則系統(tǒng)處于正常工作，在步驟S5中確定二次電池102中的當前電荷量是否低于預(yù)定量(例如，電荷與容量的比率為90％)。
如果二次電池102中的當前電荷量不小于預(yù)定量(步驟S5，“否”)，無需對二次電池102進行充電，或者無需恢復(fù)燃料電池12的輸出。因此，系統(tǒng)從在步驟S5中進行確定的時間點起開始等待，直到經(jīng)過預(yù)定量的時間(例如，三分鐘)為止，即，直到程序步驟S6變?yōu)?“是”)為止。一旦經(jīng)過預(yù)定量的時間(步驟S6是)，程序就進入步驟S5，在該步驟中，系統(tǒng)檢測二次電池102中的當前電荷量，以確定它是否低于預(yù)定量。
另一方面，如果二次電池102中的當前電荷量低于預(yù)定量(步驟S5是)，則程序檢查之前是否已經(jīng)執(zhí)行了氧氣短缺供應(yīng)過程，即標記1是否在上(步驟S7)。如果標記1在下(步驟S7否)，則比較當前輸出和期望輸出值，其中當前輸出是基于當前的電壓值和電流值，期望輸出值是基于與所經(jīng)過的時間對應(yīng)的期望的電壓值和電流值。系統(tǒng)檢查當前輸出值是否低于與所經(jīng)過的時間對應(yīng)的期望輸出值(步驟S9)。
如果當前輸出值低于與所經(jīng)過的時間對應(yīng)的期望輸出值(步驟S9是)，即，如果當前輸出值小于標準的輸出值，則標記2升高，這表示確定執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程，并且開始測量從標記2升高起所經(jīng)過的時間(步驟S11)。然后，將當前輸出值和與所經(jīng)過的時間對應(yīng)的期望輸出值比較，以確定當前輸出值是否不小于與所經(jīng)過的時間對應(yīng)的期望輸出值。
如果當前輸出值低于與所經(jīng)過的時間對應(yīng)的期望輸出值(步驟S13否)，則系統(tǒng)檢查從標記2升高起是否經(jīng)過預(yù)定量的時間(例如，十分鐘)(步驟S14)。如果從標記2升高起沒有經(jīng)過預(yù)定量的時間(步驟S14否)，則程序進入步驟S13，以再次檢查當前輸出值是否不低于與所經(jīng)過的時間對應(yīng)的期望輸出值。也就是說，從標記2升高起到經(jīng)過預(yù)定量的時間為止，只要步驟S13是(“否”)，就重復(fù)循環(huán)當前輸出值和與所經(jīng)過的時間對應(yīng)的期望輸出值之間的比較，并且執(zhí)行多次檢查。
如果輸出值低于與從標記2升高起所經(jīng)過的預(yù)定量的時間對應(yīng)的期望輸出值(步驟S14是)，則將當前電壓值存儲在易失存儲器75中，作為燃料電池12在氧氣短缺供應(yīng)過程之前的電壓值(步驟S15)。然后，執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程，以恢復(fù)燃料電池12的輸出(步驟S17)。如所述，通過觀察(監(jiān)視)燃料電池的輸出值和從標記升高到經(jīng)過預(yù)定量時間的這段時間內(nèi)的期望輸出值，可以進行精確的確定，從而取消在例如燃料電池12的電壓值僅瞬時地降低到低于期望電壓值時執(zhí)行不必要的氧氣短缺供應(yīng)過程。
這里，將參照圖7描述在步驟S17中的氧氣短缺供應(yīng)過程(空氣短缺供應(yīng)過程)。
首先，空氣泵34停止，以切斷給陰極12c供應(yīng)空氣。同時，開始測量空氣泵34的停機時間(步驟S101)。注意，即使在空氣泵34停止之后，也繼續(xù)從水溶液泵26供應(yīng)甲醇溶液S給陽極12b。
然后，在燃料電池12的電壓值和預(yù)設(shè)定的電壓值(例如，氧氣短缺供應(yīng)過程之前的電壓值的5％-6％)之間進行比較，以確定電壓值是否已經(jīng)降低到預(yù)設(shè)定的電壓值(步驟S103)。如果電壓值沒有降低到預(yù)設(shè)定的電壓值(步驟S103否)，則程序檢查空氣泵34的停機時間是否已經(jīng)達到預(yù)設(shè)定的時間(例如，十秒)(步驟S105)。
如果空氣泵34的停機時間沒有達到預(yù)設(shè)定的時間(步驟S105否)，則程序進入步驟S103。如果空氣泵34的停機時間達到預(yù)設(shè)定的時間(步驟S105是)，則啟動空氣泵34以恢復(fù)給陰極12c供應(yīng)空氣，清除空氣泵34的停機時間(步驟S107)，氧氣短缺供應(yīng)過程結(jié)束。如果電壓值降低到預(yù)設(shè)定的電壓值(步驟S103是)，則程序跳入步驟S107，氧氣短缺供應(yīng)過程結(jié)束。
通過在正常工作期間執(zhí)行這種氧氣短缺供應(yīng)過程，燃料電池的輸出增大，例如，如圖8所示。圖8示出在氧氣短缺供應(yīng)過程之后所得到的電能的增量超過在氧氣短缺供應(yīng)過程期間無法產(chǎn)生的電能量(在氧氣短缺供應(yīng)過程期間不可得到的電能量)的情況。也就是說，圖8示出氧氣短缺供應(yīng)過程提高燃料電池12的發(fā)電效率的情況。圖8還示出在燃料電池12的輸出比以交替的長短虛線表示的標準的時間進程輸出下降更快且該情形持續(xù)十分鐘時執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程。
返回到圖5和圖6，一旦在步驟S17中完成氧氣短缺供應(yīng)過程，標記1就升高，這表示執(zhí)行了氧氣短缺供應(yīng)過程，并且開始測量從標記1升高起所經(jīng)過的時間長度(步驟S19)。接下來，將在氧氣短缺供應(yīng)過程之后檢測的最高(峰值)電壓存儲在易失存儲器75中，作為燃料電池12在氧氣短缺供應(yīng)過程之后的電壓值(步驟S21)。
然后，在燃料電池12在氧氣短缺供應(yīng)過程之前的電壓值和燃料電池12在氧氣短缺供應(yīng)過程之后的電壓值之間進行比較，以確定作為氧氣短缺供應(yīng)過程的結(jié)果燃料電池12的電壓值是否以不小于預(yù)定比率(例如，大約5％)的比率增大(步驟23)?；谠谘鯕舛倘惫?yīng)過程之后所期望必需的電能的增加，設(shè)定用作步驟S23中的標準的電壓值的增加率。因為在氧氣短缺供應(yīng)過程之后增加的主要是電動勢，所以可以通過比較在氧氣短缺供應(yīng)過程之前的電壓值和在氧氣短缺供應(yīng)過程之后的電壓值來對電能的增量進行基本較好的評估。如果在氧氣短缺供應(yīng)過程之后的電壓值相對于在氧氣短缺供應(yīng)過程之前的電壓值以不小于大約5％的比率增大，則可以預(yù)料到的是，與圖8中的長短虛線所示的情況相比，在氧氣短缺供應(yīng)過程之后所得到的電能的增量將超過在氧氣短缺供應(yīng)過程期間不可得到的電能的量，所述長短虛線是沒有執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程時的輸出圖形。也就是說，如果在氧氣短缺供應(yīng)過程之后的電壓值相對于在氧氣短缺供應(yīng)過程之前的電壓值以不小于大約5％的比率增大，則可以預(yù)料到的是，提高了燃料電池12的發(fā)電效率。
如果在氧氣短缺供應(yīng)過程之后的電壓值相對于在氧氣短缺供應(yīng)過程之前的電壓值沒有以不小于預(yù)定比率增大(步驟23否)，則標記3升高，這表示下一氧氣短缺供應(yīng)過程可以降低燃料電池12的發(fā)電效率，并且開始測量從標記3升高起所經(jīng)過的時間長度(步驟S25)。然后，標記2下降，并且清除從標記2升高起所經(jīng)過的時間(步驟S27)。如果在氧氣短缺供應(yīng)過程之后的電壓值相對于在氧氣短缺供應(yīng)過程之前的電壓值以不小于預(yù)定比率增大(步驟23是)，則程序進入步驟S27。同樣，如果步驟S13發(fā)現(xiàn)當前輸出值不小于期望的輸出值(如果回答是“是”)，則程序進入步驟S27。
然后，系統(tǒng)檢查從步驟S9中的確定起是否經(jīng)過了預(yù)定量的時間(例如，大約五分鐘)(步驟S28)。如果經(jīng)過了預(yù)定量的時間(步驟S28是)，則程序進入步驟S5。如果沒有經(jīng)過預(yù)定量的時間(步驟S28否)，則系統(tǒng)等待，直到經(jīng)過預(yù)定量的時間為止。此外，如果步驟S9發(fā)現(xiàn)當前輸出值不小于與所經(jīng)過的時間對應(yīng)的期望輸出值(如果回答是“否”)，則程序進入步驟28。
如果步驟S7發(fā)現(xiàn)標記1在上(如果回答是“是”)，則系統(tǒng)檢查標記3是否在上(步驟S29)。如果標記3在下(步驟S29否)，則程序檢查從標記1升高起是否經(jīng)過了預(yù)定量的時間(例如，十分鐘)(步驟S31)。如果從標記1升高起經(jīng)過了預(yù)定量的時間(步驟S31是)，則標記1下降，清除從標記1升高起所經(jīng)過的時間(步驟S33)，并且程序進入步驟S9。如果從從標記1升高起沒有經(jīng)過了預(yù)定量的時間(步驟S31否)，則程序進入步驟S6。
另一方面，如果標記3在上(步驟S29是)，則系統(tǒng)檢查從標記3升高起是否經(jīng)過了預(yù)定量的時間(例如，三十分鐘)(步驟S35)。如果從標記3升高起經(jīng)過了預(yù)定量的時間(步驟S35是)，則標記3下降，清除從標記3升高起所經(jīng)過的時間(步驟S37)，并且程序進入步驟S33。
如果從標記3升高起沒有經(jīng)過了預(yù)定量的時間(步驟S35否)，則程序進入步驟S6。也就是說，如果前一氧氣短缺供應(yīng)過程顯示下一氧氣短缺供應(yīng)過程可以降低燃料電池12的發(fā)電效率，則程序進入步驟S6，并且避免執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程。
根據(jù)如上所述的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的燃料電池系統(tǒng)10，基于二次電池102中的電荷量以及當前輸出值和期望輸出值之間的比較結(jié)果，確定是否執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程，并且，當這些條件中的每個都滿足時，執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程。此外，如果之前執(zhí)行了氧氣短缺供應(yīng)過程，則當確定是否應(yīng)當執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程時也考慮前一氧氣短缺供應(yīng)過程的結(jié)果，并且，當這些條件中的每個都滿足時，執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程。因此，可以避免不必要的氧氣短缺供應(yīng)過程和可以降低燃料電池12的發(fā)電效率的氧氣短缺供應(yīng)過程，從而可以更可靠地提高燃料電池12在正常工作時的發(fā)電效率。
此外，當二次電池102中含有大量的電荷時(當電荷比高時)，不執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程。這樣避免諸如下述之類的問題在充電循環(huán)的結(jié)束階段上的過度充電而導(dǎo)致二次電池102劣化，以及不正確地確定用于終止二次電池102的充電循環(huán)的時間。
根據(jù)如上所述的燃料電池系統(tǒng)10，因為可以更可靠地提高發(fā)電效率，所以可以快速地提高摩托車的二次電池102中的電荷量。這意味著，摩托車的二次電池102可以具有小的容量，從而可以使用小而重量輕的二次電池102。此外，在啟動發(fā)電之后，自動測量從啟動發(fā)電過渡到正常工作所需的預(yù)定量的時間。這表明，騎摩托車的人不需要確定燃料電池系統(tǒng)是否進入了正常工作，從而可以減輕騎摩托車的人的負擔。
應(yīng)該注意，在上述的優(yōu)選實施例中描述了這樣一種情況基于二次電池102中的電荷量、當前輸出值和期望輸出值之間的比較結(jié)果、以及前一氧氣短缺供應(yīng)過程的結(jié)果(如果存在前一氧氣短缺供應(yīng)過程)，確定是否執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程。然而，本發(fā)明并不局限于此。例如，可以基于二次電池102中的電荷量、當前輸出值和期望輸出值之間的比較結(jié)果、以及前一氧氣短缺供應(yīng)過程的結(jié)果中的一個，確定是否執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程，如果條件滿足，則執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程。
燃料電池系統(tǒng)10不僅可以用于摩托車，而且可以用于汽車、海船和任何其它運輸設(shè)備或交通工具。
本發(fā)明也適用于使用重組器的燃料電池系統(tǒng)、或者給燃料電池供應(yīng)氫的燃料電池系統(tǒng)。此外，本發(fā)明適用于小尺寸穩(wěn)定型的燃料電池系統(tǒng)。
所用的燃料并不局限于甲醇。本發(fā)明適用于使用諸如乙醇的任何醇類燃料的燃料電池系統(tǒng)。
到此為止，詳細地描述和示出了本發(fā)明，顯而易見的是，這些描述和附圖僅僅代表本發(fā)明的實例，不應(yīng)當被解釋為限制本發(fā)明。本發(fā)明的實質(zhì)和范圍僅僅由附屬權(quán)利要求中所用的措辭限制。
雖然已經(jīng)就優(yōu)選實施例描述本發(fā)明，但是，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，顯而易見的是，除了上面所具體提出和描述的那些實施方式之外，所披露的發(fā)明可以用各種不同方式修改，并且可以采用很多實施方式。因此，附屬權(quán)利要求旨在覆蓋落入在本發(fā)明的實質(zhì)和范圍內(nèi)的本發(fā)明的所有修改形式。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池，其具有被供應(yīng)氧化劑的陰極；氧化劑供應(yīng)裝置，用于給所述陰極供應(yīng)所述氧化劑；確定裝置，用于確定在所述燃料電池的正常工作期間是否執(zhí)行對所述陰極短缺供應(yīng)所述氧化劑的過程；以及控制裝置，其基于由所述確定裝置確定的結(jié)果，而在所述正常工作期間控制所述氧化劑供應(yīng)裝置的工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括第一存儲裝置，用于存儲所述燃料電池在前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之前的輸出值和所述燃料電池在所述前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之后的輸出值，其中，所述確定裝置基于存儲在所述第一存儲裝置中的所述燃料電池在所述前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之前的輸出值和所述燃料電池在所述前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之后的輸出值之間的比較結(jié)果，來確定是否執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括第二存儲裝置，用于存儲與從所述燃料電池系統(tǒng)的初始輸出起所經(jīng)過的時間長度對應(yīng)的所述燃料電池的期望輸出值，其中，所述確定裝置基于所述燃料電池的當前輸出值和存儲在所述第二存儲裝置中的所述燃料電池的所述期望輸出值之間的比較結(jié)果，來確定是否執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括二次電池，該二次電池與所述燃料電池電連接；以及電荷檢測裝置，該電荷檢測裝置用于檢測所述二次電池中的電荷量，其中，所述確定裝置基于由所述電荷檢測裝置所檢測的所述二次電池中的電荷量，來確定是否執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的一項所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括時間測量裝置，該時間測量裝置用于測量啟動工作之后的時間，其中，所述確定裝置確定在從所述啟動工作過渡到所述正常工作所需的預(yù)定量的時間之后是否執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的一項所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括水溶液箱，其中，所述水溶液箱給所述燃料電池直接供應(yīng)水溶液燃料。
7.一種運輸設(shè)備，該運輸設(shè)備包括根據(jù)權(quán)利要求1至6中的一項所述的燃料電池系統(tǒng)。
8.一種控制燃料電池系統(tǒng)的方法，該燃料電池系統(tǒng)給燃料電池中的陰極供應(yīng)氧化劑，該方法包括確定步驟，確定在所述燃料電池的正常工作期間是否執(zhí)行對所述陰極短缺供應(yīng)所述氧化劑的過程；以及控制步驟，基于所述確定在所述正常工作期間是否執(zhí)行所述氧化劑短缺供應(yīng)過程的結(jié)果，控制給所述陰極供應(yīng)的所述氧化劑的量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8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)包括第一存儲裝置，該第一存儲裝置用于存儲所述燃料電池在前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之前的輸出值和所述燃料電池在前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之后的輸出值，以及所述確定步驟包括當發(fā)現(xiàn)存儲在所述第一存儲裝置中的所述燃料電池在前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之后的輸出值以不小于預(yù)定比的比率大于所述燃料電池在前一氧化劑短缺供應(yīng)過程之前的輸出值時，確定執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。
10.根據(jù)權(quán)利要求9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)包括第二存儲裝置，該第二存儲裝置用于存儲與從所述燃料電池系統(tǒng)的初始輸出起所經(jīng)過的時間長度對應(yīng)的所述燃料電池的期望輸出值，以及所述確定步驟包括當發(fā)現(xiàn)所述燃料電池的當前輸出值小于存儲在所述第二存儲裝置中的所述燃料電池的期望輸出值時，確定執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。
11.根據(jù)權(quán)利要求8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)包括與所述燃料電池電連接的二次電池，以及所述確定步驟包括當發(fā)現(xiàn)所述二次電池中的電荷量小于預(yù)定量時，確定執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。
12.根據(jù)權(quán)利要求8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)包括時間測量裝置，該時間測量裝置用于測量啟動工作之后的時間，以及所述確定步驟包括在從所述啟動工作過渡到所述正常工作所需的預(yù)定量的時間之后，確定是否執(zhí)行氧化劑短缺供應(yīng)過程。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)及其控制方法能夠更可靠地提高燃料電池在正常工作期間的發(fā)電效率。燃料電池系統(tǒng)10沿著摩托車的車架200布置。該燃料電池系統(tǒng)10包括燃料電池12，其具有陰極12c；空氣泵34，其給所述陰極12c供應(yīng)含氧氣的空氣；以及CPU 72，其控制構(gòu)成所述燃料電池系統(tǒng)10的各個元件的工作。該CPU 72根據(jù)情況確定在正常工作期間是否執(zhí)行氧氣短缺供應(yīng)過程，并且當確定所述氧氣短缺供應(yīng)過程時使所述空氣泵34停止，其中，所述氧氣短缺供應(yīng)過程是對所述陰極12c短缺供應(yīng)氧化劑的過程。
文檔編號H01M8/10GK101048903SQ20058003688
公開日2007年10月3日 申請日期2005年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者村松恭行, 大石昌嗣 申請人:雅馬哈發(fā)動機株式會社