專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)。
背景技術：
以往，具有接收反應氣體(燃料氣體及氧化氣體)的供給并進行 發(fā)電的燃料電池的燃料電池系統(tǒng)被提出并被實用化。在所述燃料電池 系統(tǒng)的燃料電池內部、燃料廢氣的循環(huán)流路中，伴隨著發(fā)電，氮、一 氧化碳等雜質歷時積蓄。為了將這種雜質排出到外部，在與循環(huán)流路 連接的排出流路上設置排氣閥，通過進行該排氣閥的開關控制，每隔 一定時間排出循環(huán)流路內的氣體，這一技術(排氣技術)已經(jīng)被提出。
另外，現(xiàn)在提出了以下技術進行控制以當通過排氣閥的氣體流
量超過規(guī)定值時關閉排氣閥的技術(日本特開2004—179000號公報)； 根據(jù)燃料電池的發(fā)電狀態(tài)設定排出時間，由此實現(xiàn)和對應于發(fā)電狀態(tài) 的要求排出量等量的排氣的技術(日本特開2005—141977號公報)。

發(fā)明內容
然而，在燃料電池系統(tǒng)中，設有燃料供給流路，用于使從氫罐等 燃料供給源供給的燃料氣體流入到燃料電池。并且現(xiàn)在提出了以下技 術方案通過在該燃料供給流路上設置機械式可變調節(jié)器等的可變氣 體供給裝置，使來自燃料供給源的燃料氣體的供給壓力根據(jù)系統(tǒng)的運 轉狀態(tài)而變化。
另外，近些年來提出了以下技術方案作為可變氣體供給裝置采
用噴射器，并根據(jù)來自噴射器的氣體供給計算出來自排氣闊的排氣
(purge:清除)量，當該計算出的排氣量超過規(guī)定閾值(目標排氣量)
4時關閉排氣閥(以下稱為"噴射器排氣控制")。在現(xiàn)有的噴射器排
氣控制中，如圖9A及圖9B所示，計算出某一時間下與來自噴射器的
氣體供給量相對應的排氣量增加量，并通過將該排氣量增加量加到至 當時為止的排氣量上，從而計算出總排氣量，當該總排氣量超過目標 排氣量時關閉排氣閥。
但是，如果采用這種現(xiàn)有的噴射器排氣控制，則如圖9A及圖9C 所示，在計算出的排氣量超過目標排氣量時的來自噴射器的氣體供給 量(臨界氣體供給量)開始供給時，排氣閥被關閉。其結果是，計算 出的排氣量超過目標排氣量時的排氣量增加量八Q未被排出，如圖9B 所示，產(chǎn)生實際的排氣量小于目標排氣量(產(chǎn)生排氣誤差)的問題。
本發(fā)明鑒于以上問題而作出，其目的在于，在具有可變氣體供給 裝置及排氣閥、計算出的排氣量超過規(guī)定的目標排氣量時關閉排氣閥 的燃料電池系統(tǒng)中，抑制排氣誤差。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的第l燃料燃料電池系統(tǒng)，具有 燃料電池；供給流路，用于使從燃料供給源供給的燃料氣體流到燃料 電池；可變氣體供給裝置，調整該供給流路的上游側的氣體狀態(tài)而供 給到下游側；排出流路，用于使從燃料電池排出的燃料廢氣流過；排 氣閥，用于將該排出流路內的氣體排出到外部；和控制單元，在排氣 閥打開期間計算出的排氣量超過規(guī)定的目標排氣量的情況下，關閉排 氣閥，其中，控制單元在排氣閥打開期間計算出的排氣量超過上述目 標排氣量的情況下，停止來自可變氣體供給裝置的氣體供給量的供給 的同時，關閉排氣閥。
如果采用上述構成，則可以在排氣閥打開期間計算出的排氣量超 過規(guī)定的目標排氣量的情況下，停止上述氣體供給量的供給的同時關 閉排氣閥。換言之，在排氣閥打開期間計算出的排氣量超過規(guī)定的目 標排氣量的情況下，可考慮上述氧化供給量而繼續(xù)排氣閥的打開。因此，可抑制由可變氣體供給裝置的氣體供給引起的實際排氣量低于目 標排氣量(排氣誤差)。此外，所謂"氣體狀態(tài)"是指由流量、壓力、 溫度、摩爾濃度等表示的氣體的狀態(tài)，尤其包括氣體流量及氣體壓力 中的至少一個。
另外，本發(fā)明涉及的第2燃料電池系統(tǒng)，具有燃料電池；供給 流路，用于使從燃料供給源供給的燃料氣體流到燃料電池；可變氣體 供給裝置，調整該供給流路的上游側的氣體狀態(tài)而供給到下游側；排 出流路，用于使從燃料電池排出的燃料廢氣流過；排氣閥，用于將該 排出流路內的氣體排出到外部；和控制單元，在排氣閥打開期間計算 出的排氣量超過規(guī)定的目標排氣量的情況下，關閉排氣閥，其中，控 制單元在排氣閥打開期間計算出的排氣量超過上述目標排氣量的情況 下，計算出從來自可變氣體供給裝置的氣體供給量的氣體供給開始時 起、到將上述氣體供給量對應的排氣量增加量的至少一部分加到之前 的排氣量上而計算出的排氣量達到上述目標排氣量為止的所需時間， 從上述氣體供給量的氣體供給開始時起經(jīng)過上述所需時間后關閉排氣 閥。
如果采用上述構成，則在排氣閥打開期間計算出的排氣量超過規(guī) 定的目標排氣量的情況下，可計算出從來自可變氣體供給裝置的氣體 供給量的氣體供給開始時起、到將上述氣體供給量對應的排氣量增加 量的至少一部分加到之前的排氣量上而計算出的排氣量達到目標排氣 量為止的所需時間。并且，能夠從來自可變氣體供給裝置的氣體供給 開始時起經(jīng)過上述所需時間后關閉排氣閥。因此，在來自可變氣體供 給裝置的氣體供給量的供給停止的同時關閉排氣閥后實際的排氣量超 過目標排氣量的情況下，可在上述氣體供給量的供給停止時之前先關 閉排氣閥。其結果是，可抑制實際的排氣量超過目標排氣量(排氣誤 差)。
在上述各燃料電池系統(tǒng)中，可采用具有排氣量計算單元的控制單
6元，該排氣量計算單元根據(jù)來自可變氣體供給裝置的氣體供給狀態(tài)的 變化量的時間積算，計算出從排氣閥的排氣量。在這種情況下，將由 可變氣體供給裝置的下游側壓力的變化量換算出的壓力變化對應流 量、及用于補償可變氣體供給裝置的下游側壓力的降低的氣體校正供 給流量的時間積算值相加，從而可計算出從排氣閥的排氣量。
呆外一 龍卜汰'賊組由她玄絲由一 能^悠賠射紫沐^i^r亦與汰仳給 裝置使用。
所謂噴射器是電磁驅動式的開關閥，通過利用電磁驅動力直接以 規(guī)定的驅動周期驅動閥芯遠離闊座，可調整氣體狀態(tài)(氣體流量、氣 體壓力)。規(guī)定的控制部驅動噴射器的閥芯并控制燃料氣體的噴射期 間、噴射時間，從而可控制燃料氣體的流量、壓力。
根據(jù)本發(fā)明，在具有可變氣體供給裝置及排氣閥、計算出的排氣 量超過規(guī)定的目標排氣量的情況下關閉排氣閥的燃料電池系統(tǒng)中，可 抑制排氣誤差。


圖1是本發(fā)明的實施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)的構成圖。 圖2是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的控制部的控制形態(tài)的 控制框圖。
圖3是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的運轉方法的流程圖。
圖4是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的運轉方法中的排氣量 推測工序的流程圖。
圖5A是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的運轉方法的時間圖 (表示排氣排水閥的開關動作)。
圖5B是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的運轉方法的時間圖 (表示來自排氣排水闊的排水量)。
圖5C是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的運轉方法的時間圖(表示來自排氣排水閥的排氣量)。
圖5D是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的運轉方法的時間圖 (表示因排氣引起的噴射器下游側壓力降低)。
圖5E是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的運轉方法的時間圖
(表示用于補償噴射器下游側壓力的降低量的反饋校正流量)。
圖6A是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的排氣控制的時間圖 f豐^牆射與的甚主^沐、
圖6B是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的排氣控制的時間圖
(表示計算出的排氣量及實際的排氣量)。
圖6C是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的排氣控制的時間圖
(表示排氣排水閥的開關動作)。
圖7是表示圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的變形例的構成圖。
圖8A是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的排氣控制的其他例子 的時間圖(表示噴射器的開關動作)。
圖8B是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的排氣控制的其他例子 的時間圖(表示計算出的排氣量及實際的排氣量)。
圖8C是用于說明圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的排氣控制的其他例子 的時間圖(表示排氣排水閥的開關動作)。
圖9A是用于說明現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)的排氣控制的時間圖(表示 噴射器的開關動作)。
圖9B是用于說明現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)的排氣控制的時間圖(表示 計算出的排氣量及實際的排氣量)。
圖9C是用于說明現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)的排氣控制的時間圖(表示 排氣排水閥的開關動作)。
具體實施例方式
以下參照

本發(fā)明的實施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)1。在本 實施方式中，說明了將本發(fā)明適用于燃料電池車輛的車載發(fā)電系統(tǒng)的 例子。首先，使用圖1及圖2說明本發(fā)明的實施方式涉及的燃料電池系 統(tǒng)1的構成。本實施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)1如圖1所示，具有 燃料電池2，接收反應氣體(氧化氣體及燃料氣體)的供給而產(chǎn)生電力； 氧化氣體配管系統(tǒng)3，將作為氧化氣體的空氣供給到燃料電池2;燃料 氣體配管系統(tǒng)4，將作為燃料氣體的氫氣供給到燃料電池2;致冷劑配
管系統(tǒng)5，將致冷劑供給到燃料電池2來冷卻燃料電池2;電力系統(tǒng)6， 對系統(tǒng)電力進行充電放電；控制部7，統(tǒng)一控制系統(tǒng)整體。
燃料電池2例如由固體高分子電解質型構成，具有層積了多個單 體電池的堆疊構造。燃料電池2的單體電池在由離子交換膜構成的電 解質的一個面上具有空氣極，在另一個面上具有燃料極，進而具有從 兩側夾住空氣極及燃料極的一對隔板。將燃料氣體供給到一個隔板的 燃料氣體流路，將氧化氣體供給到另一個隔板的氧化氣體流路，通過 該氣體供給，燃料電池2產(chǎn)生電力。在燃料電池2上安裝有檢測發(fā)電 中的電流的電流傳感器2a。
氧化氣體配管系統(tǒng)3具有空氣供給流路ll，供給到燃料電池2 的氧化氣體在其中流動；排出流路12，從燃料電池2排出的氧化廢氣 在其中流動。在空氣供給流路11中設有通過過濾器13取入氧化氣 體的壓縮機14;對通過壓縮機14壓送的氧化氣體進行加濕的加濕器 15。在排出流路12中流動的氧化廢氣通過背壓調整閥16在加濕器15 供于水分交換后，最終作為排氣排出到系統(tǒng)外的大氣中。壓縮機14通 過未圖示的馬達的驅動取入大氣中的氧化氣體。
燃料氣體配管系統(tǒng)4具有氫供給源21;氫供給流路22，從氫供 給源21供給到燃料電池2的氫氣在其中流動；循環(huán)流路23，用于將從 燃料電池2排出的氫廢氣(燃料廢氣)返回到氫供給流路22的合流點 Al流路；氫泵24，將循環(huán)流路23內的氫廢氣壓送到氫供給流路22; 排氣排水流路25，與循環(huán)流路23分支連接。氫供給源21相當于本發(fā)明中的燃料供給源，例如由高壓罐、貯氫
合金等構成，構成為例如可存儲35Mpa或70Mpa的氫氣。打開下述截 止閥26時，氫氣從氫供給源21流出到氫供給流路22。氫氣通過下述 調節(jié)器27、噴射器28最終減壓到例如200kPa左右而供給到燃料電池 2。此外也可采用以下設備構成氫供給源21:由烴類燃料生成富氫的改 性氣體的改性器；和使該改性器生成的改性氣體為高壓狀態(tài)而蓄壓的 高壓氣體罐。另外，也可將具有貯氫合金的罐用作氫供給源21。
在氫供給流路22上設有截止或允許來自氫供給源21的氫氣供 給的截止閥26;調整氫氣壓力的調節(jié)器27;和噴射器28。另外，在噴 射器28的下游側、氫供給流路22和循環(huán)流路23的合流部Al的上游 側，設有檢測氫供給流路22內的氫氣壓力的壓力傳感器29。另外，在 噴射器28的上游側，設有檢測氫供給流路22內的氫氣壓力及溫度的 未圖示的壓力傳感器及溫度傳感器。與由壓力傳感器29等檢測出的氫 氣的氣體狀態(tài)(壓力、溫度)相關的信息用于下述噴射器28的反饋控 制、排氣控制。
調節(jié)器27是將其上游側壓力(一次壓力)調壓為預先設定的二次 壓力的裝置。在本實施方式中，將對一次壓力進行減壓的機械式減壓 閥作為調節(jié)器27使用。作為機械式的減壓閥的構成，可采用以下公知 構成具有隔著隔膜形成有背壓室和調壓室的筐體，通過背壓室內的 背壓，在調壓室內將一次壓力減壓為規(guī)定壓力而作為二次壓力。在本 實施方式中，如圖1所示，通過在噴射器28的上游側配置二個調節(jié)器 27，可有效降低噴射器28的上游側壓力。因此，可提高噴射器28的 機械構造(閥芯、筐體、流路、驅動裝置等)的設計自由度。另外， 由于可降低噴射器28的上游側壓力，因此可抑制由噴射器28上游側 壓力和下游側壓力的壓差增大導致的噴射器28的閥芯難于移動的情 況。因此，可擴大噴射器28的下游側壓力的可變調壓幅度，并且可抑 制噴射器28的響應性降低。調節(jié)器27用于調整氫供給流路22的上游 側的氣體狀態(tài)(氣體壓力)并供給到下游側，相當于本發(fā)明中的可變
10氣體供給裝置。
噴射器28是電磁驅動式的開關閥，通過電磁驅動力直接以規(guī)定的
驅動周期驅動閥芯遠離閥座，可調整氣體流量、氣體壓力。噴射器28
具有噴嘴管體，其具有閥座，該閥座具有噴射氫氣等氣體燃料的噴 射孔，該噴嘴管體將該氣體燃料供給引導到噴射孔；和閥芯，相對于
該噴嘴管體沿軸線方向(氣體流動方向)可移動地被收容保持，并開
關噴射孔。在本實施方式中，噴射器28的閥芯由作為電磁驅動裝置的
螺線管驅動，通過供電到該螺線管的脈沖狀勵磁電流的開/關，可雙級
或多級地切換噴射孔的開口面積。通過從控制部7輸出的控制信號控 制噴射器28的氣體噴射時間及氣體噴射時期，從而高精度地控制氫氣 的流量及壓力。噴射器28是以電磁驅動力直接對閥(閥芯及閥座)進 行開關驅動的裝置，該驅動周期可控制到高響應區(qū)域，因此具有較高 的響應性。
噴射器28為了向其下游供給要求的氣體流量，通過變更設于噴射 器28的氣體流路上的閥芯的開口面積(開度)及打開時間的至少一個， 從而調整供給到下游側(燃料電池2側)的氣體流量(或氫摩爾濃度)。 此外，通過噴射器28的閥芯開關調整氣體流量，并且供給到噴射器28 下游的氣體壓力比噴射器28上游的氣體壓力減壓，因此也可將噴射器 28解釋為調壓閥(減壓閥、調節(jié)器)。另外，在本實施方式中還可解 釋為可根據(jù)氣體要求改變噴射器28的上游氣體壓力的調壓量(減壓 量)以在規(guī)定的壓力范圍內與要求壓力一致的可變調壓閥。噴射器28 調整氫供給流路22的上游側的氣體狀態(tài)(氣體流量、氫摩爾濃度、氣 體壓力)并供給到下游側，相當于本發(fā)明中的可變氣體供給裝置。
此外，在本實施方式中，如圖1所示，在比氫供給流路22和循環(huán) 流路23的合流部Al更靠近上游側處配置噴射器28。另外，如圖l中 虛線所示，當作為燃料供給源采用多個氫供給源21時，在比從各氫供 給源21供給的氫氣合流的部分(氫氣合流部A2)更靠近下游側處配置噴射器28。
在循環(huán)流路23中，通過氣液分離器30及排氣排水閥31連接有排氣排水流路25。氣液分離器30從氫廢氣中回收水分。排氣排水閥31根據(jù)來自控制部7的命令進行動作，由此將由氣液分離器30回收的水分和循環(huán)流路23內的含有雜質的氫廢氣(燃料廢氣)排出(清除)到外部。通過排氣排水閥31的打開，循環(huán)流路23內的氫廢氣中的雜質濃度降低，循環(huán)供給的氫廢氣中的氫濃度上升。在排氣排水閥31的上游位置(循環(huán)流路23上)及下游位置(排氣排水流路25上)，分別設有檢測氫廢氣的壓力的上游側壓力傳感器32及下游側壓力傳感器33。與由這些壓力傳感器檢測出的氫廢氣的壓力相關的信息用于下述排氣控制。循環(huán)流路23是本發(fā)明中的排出流路的一個實施方式，排氣排水閥31是本發(fā)明中的排氣閥的一個實施方式。
經(jīng)由排氣排水閥31及排氣排水流路25排出的氫廢氣通過未圖示的稀釋器被稀釋，與排氣流路12內的氧化廢氣合流。氫泵24通過未圖示的馬達的驅動，將循環(huán)系統(tǒng)內的氫氣循環(huán)供給到燃料電池2。氫氣的循環(huán)系統(tǒng)由以下構成氫供給流路22的合流點Al的下游側流路；在燃料電池2的隔板上形成的燃料氣體流路；和循環(huán)流路23。
致冷劑配管系統(tǒng)5具有與燃料電池2內的冷卻流路連通的致冷
劑流路41;設置在致冷劑流路41上的冷卻泵42;冷卻從燃料電池2
排出的致冷劑的散熱器43。冷卻泵42通過未圖示的馬達的驅動將致冷劑流路41內的致冷劑循環(huán)供給到燃料電池2。
電力系統(tǒng)6具有高壓DC/DC轉換器61;蓄電池62;牽引變換器63;牽引電動機64;未圖示的各種輔機變換器等。高壓DC/DC轉換器61是直流的電壓變換器，具有調整從蓄電池62輸入的直流電壓而輸出到牽引變換器63側的功能及調整從燃料電池2或牽引電動機64輸入的直流電壓而輸出到蓄電池62的功能。通過高壓DC/DC轉換器61的這些功能，實現(xiàn)蓄電池62的充電放電。另外，通過高壓DC/DC轉換器61，控制燃料電池2的輸出電壓。
蓄電池62層積蓄電池單元，以一定的高壓為端子電壓，可通過未圖示的蓄電池計算機的控制來將剩余電力充電或輔助供給電力。牽引變換器63將直流電流變換為三相交流，并供給到牽引電動機64。牽引電動機64例如是三相交流電動機，構成搭載燃料電池系統(tǒng)1的車輛的主動力源。輔機變換器是控制各馬達的驅動的電動機控制部，將直流電流變換為三相交流，并供給到各電動機。輔機變換器例如是脈寬調制方式的PWM變換器，根據(jù)來自控制部7的控制命令，將從燃料電池2或蓄電池62輸出的直流電壓變換為三相交流電壓，并控制在各電動機產(chǎn)生的旋轉扭矩。
控制部7檢測出設于車輛上的加速用操作部件(加速器等)的操作量，并接收加速要求值(例如來自牽引電動機64等的負荷裝置的要求發(fā)電量)等的控制信息，控制系統(tǒng)內的各種設備的動作。此外，所謂負荷裝置是除了牽引電動機64夕卜，包括以下裝置的耗電裝置的總稱使燃料電池2動作所需的輔機裝置(例如壓縮機14、氫泵24、冷卻泵42的各馬達等)、與車輛行駛相關的各種裝置(變速機、車輪控制部、轉向裝置、懸架裝置等)中使用的致動器、乘員空間的空調裝置(空調)、照明、音響等。
控制部7由未圖示的計算機系統(tǒng)構成。所述計算機系統(tǒng)具有CPU、ROM、 RAM、 HDD、輸入輸出接口及顯示器等，CPU讀入ROM中存儲的各種控制程序而進行希望的計算，從而進行下述排氣控制等各種處理、控制。
具體而言，控制部7如圖2所示，根據(jù)由電流傳感器2a檢測出的燃料電池2的發(fā)電電流值，計算出由燃料電池2消耗的氫氣的流量(以下稱為"耗氫量")(燃料消耗量計算功能Bl)。在本實施方式中，
13使用表示發(fā)電電流值和耗氫量之間的關系的特定的計算式，按照控制部7的計算周期計算出耗氫量并進行更新。
另外，控制部7根據(jù)燃料電池2的發(fā)電電流值，計算出向燃料電池2供給的氫氣在噴射器28的下游位置的目標壓力值(目標壓力值計算功能B2)，并計算出目標排氣量(從排氣排水閥31的氫廢氣的目
標排出量)(目標排氣量計算功能B3)。在本實施方式中，使用表
示發(fā)電電流值、目標壓力值及目標排氣量的關系的特定的映射，按照
控制部7的計算周期計算出目標壓力值及目標排氣量。
另外，控制部7計算出算出的目標壓力值和由壓力傳感器29檢測出的噴射器28的下游位置的壓力值(檢測壓力值)之間的偏差(壓力差計算功能B4)。并且，控制部7計算出為了降低算出的偏差而加到耗氫量上的氫氣流量(反饋校正流量)(校正流量計算功能B5)。另外，控制部7將耗氫量和反饋校正流量相加而計算出噴射器28的噴射流量(噴射流量計算功能B6)。并且，控制部7根據(jù)計算出的噴射流量、驅動周期計算出噴射器28的噴射時間，通過輸出用于實現(xiàn)該噴射時間的控制信號，控制噴射器28的氣體噴射時間及氣體噴射時期，從而調整供給到燃料電池2的氫氣的流量及壓力。此外，與計算出的噴射器28的噴射流量相關的信息用于下述排氣控制。
另外，控制部7進行上述噴射器28的反饋控制(使噴射器28的下游位置的檢測壓力值追隨規(guī)定的目標壓力值的、噴射器28的氣體噴射時間及氣體噴射時期的控制)的同時，通過進行排氣排水閥31的開關控制，使循環(huán)流路23內的水分及氫廢氣從排氣排水閥31排出到外部。
此時，控制部7根據(jù)來自噴射器28的氣體供給狀態(tài)的變化計算出從排氣排水閥31的氫廢氣的總排出量(排氣量)(排氣量計算功能-B7)，并且判斷計算出的排氣量是否在規(guī)定的目標排氣量以上(排氣量偏差判斷功能B8)。并且，控制部7在計算出的排氣量Q小于目
標排氣量Qo的情況下，打開排氣排水閥31，并且在計算出的排氣量Q
為目標排氣量Q。以上的情況下，關閉排氣排水闊31 (排氣控制功能
B9)。在排氣控制時，控制部7在某一時刻的來自噴射器28的氣體供給量的供給開始時計算出的排氣量Q在目標排氣量Qo以上的情況下，直到上述氣體供給量的供給停止為止，持續(xù)排氣排水閥31的開放，并且在停止上述氣體供給量的供給的同時，關閉排氣排水閥31。 g卩，控制部7作為本發(fā)明的控制單元起作用。
在此詳細說明控制部7的排氣量計算功能B7。通過噴射器28的反饋控制，在噴射器28的下游位置的壓力傳感器29的檢測壓力值追隨目標壓力值的狀態(tài)下，當通過打開排氣排水閥31，氫廢氣從循環(huán)流路23排出時，檢測壓力值暫時降低?？刂撇?計算出由這種氫廢氣排出(排氣)引起的壓力降低量，并根據(jù)該計算出的壓力降低量，計算出與壓力降低量對應的氫廢氣的排出量(壓力變化對應流量)(壓力變化對應流量計算功能B7a)。在本實施方式中，使用表示排氣引起的壓力降低量和與該壓力降低量對應的氫氣的排出量之間的關系的特定的計算式，計算出壓力變化對應流量Qp另外，控制部7計算出用于補償由氫廢氣的排出(排氣)引起的壓力降低量的反饋校正流量(氣體校正供給流量)(校正流量計算功能B5)，并計算出該反饋校正流量從排氣開始時的時間積算值Q2 (校正流量積算功能B7b)。并且，控制部7通過將壓力變化對應流量(^和反饋校正流量的從排氣開始時的時間積算值q2相加，計算出從排氣排水閥31的氫廢氣的總排出量(排氣量Q)(排氣量計算功能B7)。目卩，控制部7作為本發(fā)明的排氣量計算單元起作用。
接著，使用圖3及圖4的流程圖和圖5A 圖6C的時間圖說明本實施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)1的運轉方法。
在燃料電池系統(tǒng)1通常運轉時，氫氣從氫供給源21經(jīng)由氫供給流路22供給到燃料電池2的燃料極，并且加濕調整后的空氣經(jīng)由空氣供
給流路11供給到燃料電池2的氧化極，從而進行發(fā)電。此時，由控制部7計算應從燃料電池2產(chǎn)生的電力(要求電力)，使與該發(fā)電量對應的量的氫氣及空氣供給到燃料電池2內。在本實施方式中，在這樣的通常運轉時，實施噴射器28的反饋控制，并且實施排氣排水閥31的清除控制(用于將循環(huán)流路23的內部滯留的水分、氫廢氣排出到外部的排氣排水閥31的開關控制)。
首先，如圖3的流程圖所示，燃料電池系統(tǒng)1的控制部7使用電流傳感器2a計算出燃料電池2發(fā)電時的電流值(電流檢測工序Sl)。接著，控制部7根據(jù)檢測出的電流值計算出燃料電池2中的耗氫量(耗氫量計算工序S2)，并且計算出供給到燃料電池2的氫氣的噴射器28的下游位置的目標壓力值及目標排氣量(目標值計算工序S3)。
接著，控制部7使用壓力傳感器29檢測出噴射器28的下游側的壓力值(壓力值檢測工序S4)。接著，控制部7計算出為了降低在目標值計算工序S3中計算出的目標壓力值和在壓力值檢測工序S4中檢測出的壓力值(檢測壓力值)之間的偏差而加到耗氫量上的氫氣流量(反饋校正流量)(校正流量計算工序S5)。接著，控制部7將耗氫量和反饋校正流量相加而計算出噴射器28的噴射流量，根據(jù)該噴射流量、驅動周期計算出噴射器28的噴射時間。并且，控制部7通過輸出用于實現(xiàn)該噴射時間的控制信號，控制噴射器28的氣體噴射時間及氣體噴射時期，從而調整供給到燃料電池2的氫氣的流量及壓力(反饋控制工序S6)。
控制部7實現(xiàn)上述反饋控制工序S6，并且判斷有無排氣開始要求(排氣要求判斷工序S7)。在本實施方式中，在滯留在氣液分離器30的儲液部的水分量超過規(guī)定的閾值的情況下，未圖示的液量傳感器對控制部7輸出排氣開始要求信號。控制部7當在排氣要求判斷工序S7中判斷無排氣開始要求時，維持排氣排水閥31的關閉狀態(tài)(排氣閥關閉工序Sll)。另一方面，控制部7在排氣要求判斷工序S7中接
收排氣開始要求信號而判斷為有排氣開始要求，并且在來自噴射器28
的氣體噴射已經(jīng)開始的情況下，打開排氣排水閥31 (排氣閥打開工序
S8)。如圖5A 圖5C所示，通過在排氣閩打開工序S8中打開排氣排 水閥31，滯留在氣液分離器30的水分排出到排氣排水流路25,在與 水分排出結束大致同時，循環(huán)流路23內的氫廢氣排出到排氣排水流路 25。
另外，控制部7在打開排氣排水閥31的同時，推測來自排氣排水 闊31的氫廢氣的總排出量(排氣量Q)(排氣量推測工序S9)。在 此，使用圖4的流程圖及圖5D等的時間圖說明排氣量推測工序S9。
首先，控制部7根據(jù)由排氣排水閥31打開而排出氫廢氣所引起的 噴射器28的下游側的壓力降低量AP (從氫基準壓力減去氫現(xiàn)在壓力 所得的值參照圖5D)，計算出作為與壓力降低量AP對應的流量的 壓力變化對應流量Q！(壓力變化對應流量計算工序S20)。接著，控 制部7計算出用于補償由排氣排水閥31打開而排出氫廢氣所引起的噴 射器28的下游側的壓力降低量的反饋校正流量，并計算出從該反饋校 正流量的排氣開始時點起的時間積算值Q2 (參照圖5E)(校正流量積 算工序S21)。接著，控制部7通過將壓力變化對應流量Q1和從排
氣開始時點起的反饋校正流量的時間積算值Q2相加，計算出來自排氣
排水閥31的氫廢氣的總排出量(排氣量Q)(排氣量計算工序S22)。
經(jīng)過排氣量推測工序S9后，控制部7判斷所推測的氫廢氣的總排 出量(排氣量Q)是否為在目標值計算工序S3中計算出的目標排氣量 Qo以上(排氣量判斷工序S10)。并且，控制部7在推測的排氣量Q 小于目標排氣量Qo的情況下，繼續(xù)進行排氣量推測工序S9及排氣量 判斷工序SIO，另一方面，在推測的排氣量Q在目標排氣量Qo以上的 情況下，關閉排氣排水閥31 (排氣閥關閉工序Sll)。在排氣閥關閉 工序S11中，控制部7如圖6A及圖6C所示，在從某一時點的噴射器28的氣體供給量的供給開始時所計算出的排氣量Q在排氣量Qo以上的 情況下，持續(xù)開放排氣排水閥31直到上述氣體供給量的供給停止為止， 并且在停止上述氣體供給量的供給的同時關閉排氣排水閥31?？刂撇?7這樣控制排氣排水閥31，從而如圖6B所示，可排出與實際的排氣量 超過目標排氣量Qo時的來自噴射器28的氣體供給量(臨界氣體供給 量)對應的排氣量增加量AQ。
在以上說明的實施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)1中，在排氣排水閥 31打開期間計算出的排氣量超過規(guī)定的目標排氣量的情況下，能夠在 停止從噴射器28的臨界氣體供給量的供給的同時關閉排氣排水閥31。 換言之，在排氣排水閥31打開期間計算出的排氣量超過規(guī)定的目標排 氣量的情況下，可考慮從噴射器28的臨界氣體供給量而繼續(xù)排氣排水 閥31的開放。因此，可抑制由從噴射器28的氣體供給引起的實際的 排氣量小于目標排氣量(排氣誤差)。
此外，在以上實施方式中，示例了在燃料電池系統(tǒng)1的氫氣配管 系統(tǒng)4上設置循環(huán)流路23的情況，但是例如圖7所示，也可將排出流 路32連接到燃料電池2上而廢棄循環(huán)流路23。在采用這種構成(盲端 方式)的情況下，和上述實施方式一樣，通過在停止從噴射器28的臨 界氣體供給量的供給的同時關閉排氣排水閥31，可獲得和上述實施方 式一樣的作用效果。
另外，在上述實施方式中，示例了在排氣排水閥31打開期間計算 出的排氣量超過規(guī)定的目標排氣量的情況下，停止來自噴射器28的臨 界氣體供給量的供給的同時關閉排氣閥31的情況，但是也可進一步精 度良好地控制排氣排水閥31的開關動作。
例如，如圖8A 圖8C所示，控制部7在計算出的排氣量Q為目 標排氣量Q。以上的情況下，能夠計算出從來自噴射器28的臨界氣體 供給量的供給時起、到將與臨界氣體供給量對應的排氣量增加量A Q
18的一部分加到之前的排氣量上而計算出的排氣量達到目標排氣量Qo為 止的所需時間At，并從臨界氣體供給量的開始氣體供給開始時起經(jīng)過 所需時間At后關閉排氣排水閥31。 At可利用局部的排氣速度(單位 時間內的排氣量增加量)、及在加上排氣量增加量AQ之前計算出的 排氣量和目標排氣量Qo之間的差來計算，上述局部的排氣速度是根據(jù) 與來自噴射器28的臨界氣體供給量對應的排氣量增加量A Q和排氣量 增加量A Q全部排出為止所需的時間計算出的。
控制部7這樣控制排氣排水閥31的話，在從噴射器28供給的臨 界氣體供給量停止的同時關閉排氣排水閥31時實際的排氣量超過目標 排氣量的情況下，如圖8C所示，可在臨界氣體供給量的供給停止前先 行關閉排氣排水閥31。其結果是，可抑制實際的排氣量超過目標排氣 量(排氣誤差)。
另外，在以上實施方式中，示例了在循環(huán)流路23上設置氫泵24 的情況，但是也可代替氫泵24使用噴射器。另外，在以上實施方式中， 示例了在循環(huán)流路23上設置同時實現(xiàn)排氣和排水的排氣排水閥31的 情況，但是也可分別設置將在氣液分離器30回收的水分排出到外部的 排水閥和用于將循環(huán)流路23內的氣體排出到外部的排氣閥，能夠通過 控制部7分別控制排水閥及排氣閥。
另外，在以上實施方式中，示例了在氫供給流路22上設置截止閥 26及調節(jié)器27的情況，但是噴射器28起到可變調壓閥的功能，并且 起到作為截止氫氣供給的截止閥的功能，因此不必非要設置截止閥26、 調節(jié)器27。因此，如果釆用噴射器28，則可省去截止閥26、調節(jié)器 27，因此可實現(xiàn)系統(tǒng)小型化及低價化。
另外，在以上實施方式中，示例了根據(jù)燃料電池2的發(fā)電電流值 設定耗氫量、目標壓力值及目標排氣量的情況，也可以檢測表示燃料 電池2的運轉狀態(tài)的其他物理量(燃料電池2的發(fā)電電壓值、發(fā)電電
19力值、燃料電池2的溫度等)，并根據(jù)該檢測出的物理量設定耗氫量、 目標壓力值及目標排氣量。另外，控制部判斷燃料電池2是否處于停 止狀態(tài)、起動時的運轉狀態(tài)、馬上要進入間歇運轉前的運轉狀態(tài)、剛 從間歇運轉恢復后的運轉狀態(tài)、通常運轉狀態(tài)等運轉狀態(tài)，并可根據(jù) 這些運轉狀態(tài)設定耗氫量等。
本發(fā)明涉及的燃料電池系統(tǒng)如以上實施方式所示，可搭載于燃料 電池車輛，另外也可搭載于燃料電池車輛以外的各種移動體(機器人、
船舶、飛機等)。另外，也可將本發(fā)明涉及的燃料電池系統(tǒng)適用于作 為建筑(住宅、大廈等)用的發(fā)電設備所使用的定置用發(fā)電系統(tǒng)。
權利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，具有燃料電池；供給流路，用于使從燃料供給源供給的燃料氣體流到上述燃料電池；可變氣體供給裝置，調整上述供給流路的上游側的氣體狀態(tài)而供給到下游側；排出流路，用于使從上述燃料電池排出的燃料廢氣流過；排氣閥，用于將上述排出流路內的氣體排出到外部；和控制單元，在上述排氣閥打開期間計算出的排氣量超過規(guī)定的目標排氣量的情況下，關閉上述排氣閥，上述控制單元在上述排氣閥打開期間計算出的排氣量超過上述目標排氣量的情況下，停止來自上述可變氣體供給裝置的氣體供給量的供給的同時，關閉上述排氣閥。
2. —種燃料電池系統(tǒng)，具有燃料電池；供給流路，用于使從燃 料供給源供給的燃料氣體流到上述燃料電池；可變氣體供給裝置，調 整上述供給流路的上游側的氣體狀態(tài)而供給到下游側；排出流路，用 于使從上述燃料電池排出的燃料廢氣流過；排氣閥，用于將上述排出 流路內的氣體排出到外部；和控制單元，在上述排氣閥打開期間計算 出的排氣量超過規(guī)定的目標排氣量的情況下，關閉上述排氣閥，上述控制單元在上述排氣閥打開期間計算出的排氣量超過上述目 標排氣量的情況下，計算出從來自上述可變氣體供給裝置的氣體供給 量的氣體供給開始時起、到將與上述氣體供給量對應的排氣量增加量 的至少一部分加到之前的排氣量上而計算出的排氣量達到目標排氣量 為止的所需時間，從上述氣體供給量的氣體供給開始時起經(jīng)過上述所 需時間后關閉上述排氣閥。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，上述控制單元具有 排氣量計算單元，其根據(jù)來自上述可變氣體供給裝置的氣體供給狀態(tài) 的變化量的時間積算，計算出從上述排氣閥的排氣量。
4. 根據(jù)權利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，上述排氣量計算單元將由上述可變氣體供給裝置的下游側壓力的變化量換算出的壓力變化對 應流量、及用于補償上述可變氣體供給裝置的下游側壓力的降低的氣 體校正供給流量的時間積算值相加，從而計算出從上述排氣閥的排氣
5.根據(jù)權利要求1~4的任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，上述可變 氣體供給裝置是噴射器。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，具有燃料電池；供給流路，用于使從燃料供給源供給的燃料氣體流入到燃料電池；可變氣體供給裝置，調整供給流路的上游側的氣體狀態(tài)而供給到下游側；排出流路，用于使從燃料電池排出的燃料廢氣流動；排氣閥，將排出流路內的氣體排出到外部；控制單元，當排氣閥打開的過程中計算出的排氣量超過規(guī)定的目標排氣量時，關閉排氣閥?？刂撇吭谂艢忾y打開的過程中計算出的排氣量超過目標排氣量時，停止來自可變氣體供給裝置的氣體供給量的供給的同時，關閉排氣閥。
文檔編號H01M8/04GK101496209SQ200780028098
公開日2009年7月29日 申請日期2007年6月5日 優(yōu)先權日2006年8月11日
發(fā)明者水野秀昭, 石垣克記 申請人:豐田自動車株式會社