CN101351918A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统，可以在最小化燃料电池的劣化的同时，在较短的时间内启动。该燃料电池系统包括燃料电池堆(1)、用于向燃料电池堆(1)供应燃料气体的燃料气体供应装置、用于向燃料电池堆(1)供应氧化剂气体的氧化剂气体供应装置、用于从燃料电池堆(1)提取电流的电流控制装置(41)以及位于燃料电池堆(1)的至少两个中的电压传感器(30)，该燃料电池堆(1)具有燃料电极、氧化剂电极和设置在它们之间的电解质膜，燃料电池通过分别向燃料电极和氧化剂电极供应的燃料气体和氧化剂气体的电化学反应来产生电力。控制器(40)控制电流控制装置(41)，使得在启动时向燃料电极供应燃料气体而不向氧化剂电极供应氧化剂气体之后从电压传感器(30)所获得的最小电压变成零伏或更大。然后，向氧化剂电极供应氧化剂气体，以开始产生电力。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池系统。

背景技术

在诸如日本特开2005-158555所公开的燃料电池系统的传统燃料电池系统中，在启动或停止燃料电池系统时，关闭空气关闭阀和空气压力控制阀，以阻挡到阴极的空气流。另外，从氢气容器向阳极提供氢气，以利用燃料电池生成电力，并提取能量，从而消耗阴极处剩余的氧气。

但是，在传统燃料电池系统中，当提取输出电流时，由于燃料不足，在燃料电池的局部电池中电池电压可能会变为负。在这样的状态下，变为负的催化剂层从而可能劣化。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统能够在提取尽可能多的电流的同时防止由于燃料电池电极处的燃料和氧化剂的混合而导致的劣化。可以通过以下方式来实现这一目的：控制电流提取装置，使得通过在启动时只供应燃料气体而从电压测量装置获得的最小电压变为零伏或更大。另外，本发明的燃料电池系统可以防止提取电流时由于燃料电池的局部电池中的负电池电压而导致的劣化。因此，本发明可以提供一种燃料电池系统，其可以在最小化启动时的燃料电池的劣化的同时，在较短的时间内启动。

根据本发明的一个实施例，一种燃料电池系统，包括燃料电池堆、用于向所述燃料电池堆供应燃料气体的燃料气体供应单元以及用于向所述燃料电池堆供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元。所述燃料电池堆包括均通过将电解质膜置于被供应所述燃料气体的燃料电极与被供应所述氧化剂气体的氧化剂电极之间而形成的多个堆叠电池。所述燃料电池系统的特征在于：电流控制装置从所述燃料电池堆提取电流，电压传感器测量来自所述燃料电池堆的多个不同电池的电压，以及控制器电连接到所述电流控制装置和所述电压传感器，使得在启动所述燃料电池堆的操作时，向所述燃料电极供应所述燃料气体，而不向所述氧化剂电极供应所述氧化剂气体，直到由所述电压传感器检测到的最小值变成零伏或更大的时刻，随之向所述氧化剂电极供应所述氧化剂气体，以开始在所述燃料电池堆中产生电力。

另外，根据本发明的一个实施例，一种燃料电池系统，包括燃料电池堆、用于向所述燃料电池堆供应燃料气体的燃料气体供应单元以及用于向所述燃料电池堆供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元。所述燃料电池堆包括均通过将电解质膜置于被供应所述燃料气体的燃料电极与被供应所述氧化剂气体的氧化剂电极之间而形成的多个堆叠电池。所述燃料电池系统的特征在于：电流提取装置从所述燃料电池堆提取电流，电压测量装置测量来自所述燃料电池堆的多个不同电池的电压，以及控制装置仅供应所述燃料气体，以启动所述燃料电池堆，并提取电流，以使所述电压为不劣化所述燃料电池堆的预定值或更低。

另外，根据本发明的一个实施例，一种操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池堆、用于向所述燃料电池堆供应燃料气体的燃料气体供应单元以及用于向所述燃料电池堆供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元，其中，所述燃料电池堆包括均通过将电解质膜置于被供应所述燃料气体的燃料电极与被供应所述氧化剂气体的氧化剂电极之间而形成的多个堆叠电池。所述方法的特征在于：从所述燃料电池堆提取电流，测量来自所述燃料电池堆的多个不同电池的电压，以及通过向所述燃料电极供应所述燃料气体而不向所述氧化剂电极供应所述氧化剂气体，启动所述燃料电池堆的操作。

附图说明

包括在说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出本发明的优选实施例，并与上面给出的概括说明以及下面给出的详细说明一起用于说明本发明的特征。

图1示出根据本发明的第一优选实施例而构建的燃料电池系统。

图2示出安装在燃料电池堆中的电压传感器的第一配置。

图3示出安装在燃料电池堆中的电压传感器的第二配置。

图4示出安装在燃料电池堆中的电压传感器的第三配置。

图5示出安装在燃料电池堆中的电压传感器的第四配置。

图6是示出控制燃料电池系统的启动的序列的流程图。

图7是启动燃料电池系统时所涉及的各种参数的时序图。

图8是示出根据本发明的第一优选实施例而构建的电流控制装置的电流控制的第一时序图。

图9是示出根据本发明的第一优选实施例而构建的电流控制装置的电流控制的第二时序图。

图10是示出根据本发明的第二优选实施例而构建的电流控制装置的电流控制的第一时序图。

图11是示出根据本发明的第二优选实施例而构建的电流控制装置的电流控制的第二时序图。

图12是示出根据本发明的第三优选实施例而构建的电流控制装置的电流控制的时序图。

图13是示出判断电流控制装置中的电流提取终止条件的处理的图，并且更具体地，是示出在电流提取时段期间燃料电池堆的总电压与放电电流的时间轨迹的时序图。

图14是示出当电流提取时段期间的放电电流和燃料电池堆的总电压遵循图13的时间轨迹时燃料电极处的氢气浓度、氧气浓度和氮气浓度以及氧化剂电极处的氧气浓度和氮气浓度的时间轨迹的时序图。

图15是示出氢气和氧气混合时的混合电位的图。

具体实施方式

第一实施例

图1示出根据本发明的第一优选实施例而构建的燃料电池系统。可以使用第一优选实施例的燃料电池系统作为例如燃料电池车辆的能量源。如图1所示，燃料电池系统包括用于通过供应氢气和空气来生成电力的燃料电池堆1。

燃料电池堆1包括作为用于检测燃料电池堆1的电压的装置的电压传感器30。通过使每个电池或者包括几个电池的组中包括电压传感器，可以检测各电池或者电池组中的局部电压以及燃料电池堆1中的总电压。另外，燃料电池堆1安装在燃料电池堆壳体20中。另外，燃料传感器34(例如，燃料气体浓度传感器)安装在燃料电池堆壳体20中或者燃料电池堆壳体20的出口周围。

燃料气体供应系统优选包括燃料容器2、燃料供应阀3、容器侧燃料压力控制阀4、燃料供应压力控制阀5、燃料压力传感器32、燃料净化阀8、燃料供应管21以及燃料排气管24。燃料气体循环系统优选包括燃料循环泵7和燃料循环管23。氧化剂气体供应系统优选包括氧化剂压缩器11、氧化剂流量检测器31、氧化剂压力传感器33、氧化剂压力控制阀12、燃料传感器35(例如，燃料气体浓度传感器)、氧化剂供应管22以及氧化剂排气管25。

负载系统优选包括电流控制装置41、二次电池43、辅助机械44和负载部件42。另外，控制系统优选包括燃料电池堆1以及控制器40，控制器40用于基于由包括燃料气体供应系统的传感器、氧化剂气体供应系统的传感器和负载系统的传感器的各个检测器所检测到的信号，来控制燃料气体供应系统、燃料气体循环系统、氧化剂气体供应系统以及负载系统的各部件。

燃料电池堆1优选包括用于产生电力的多个电池。各电池优选包括阳极、阴极以及设置在电极之间的电解质，该阳极例如是被供应氢气形式的燃料气体的燃料电极，该阴极例如是被供应空气形式的氧化剂气体的氧化剂电极。另外，燃料电池堆1具有用于多个电池的分层结构，并通过氢气与空气中的氧气的电化学反应，将化学能转化成电能。氢气被供应到阳极，而空气被供应到阴极。这样，就能发生下列反应以产生电力：

阳极：H₂→2H⁺+2e^-                (1)

阴极：2H⁺→2e^-+1/2O₂→H₂O        (2)

即，在燃料电池堆1的各电池中，供应到阳极的氢气被分解成氢离子和电子。进而，为了产生电力，氢离子通过电解质移动到阴极，而电子通过外部电路移动到阴极。在阴极，(所供应的空气中的)氧气、(通过电解质移动的)氢离子和(通过外部电路移动的)电子一起发生反应，以生成水，这些水然后被排出到外部。

为了提供更高的能量集中、更低的价格和更轻的重量，可以使用聚合物电解质膜作为燃料电池堆1的电解质。聚合物电解质膜包括通过水合作用被激活的离子(即质子)传导聚合物膜(例如氟树脂离子交换膜)。

为了在燃料电池堆1中生成电力，必须向各电池的燃料电极和氧化剂电极分别供应氢气(燃料气体)和空气(氧化剂气体)。为此，燃料电池系统中包括燃料气体供应系统、燃料气体循环系统和氧化剂气体供应系统。

在燃料气体供应系统中，燃料气体通过燃料供应阀3、容器侧压力控制阀4、燃料供应压力控制阀5和燃料供应管21被供应到阳极。从燃料容器2所供应的高压氢气通过燃料供应阀3和容器侧燃料压力控制阀4被减压到预定的压力。进而，通过燃料供应压力控制阀5将燃料电池堆1中的氢气压力控制为预定的氢气压力。

另外，安装包括燃料循环泵7和燃料循环管23的燃料气体循环系统，以再循环阳极处剩余的氢气。通过控制器40控制阳极处的氢气压力，为了驱动燃料供应压力控制阀5，该控制器40反馈压力传感器32所检测到的氢气压力。通过将氢气压力控制为期望的目标压力，可以自动补充燃料电池堆1所消耗的量的氢气。

燃料净化阀8优选至少执行三个功能。首先，燃料净化阀8将累积在燃料气体供应系统中的氮气排出，以方便燃料循环功能。在循环氢气的情况下，诸如氮气、一氧化碳等的杂质会累积在系统中，从而伴随氢气的循环。另外，如果这些杂质过多地累积，则氢气排出压力降低，从而燃料电池堆1的输出减小。另外，由于循环气体的平均质量增加，燃料气体循环系统的氢气循环流动速率降低。因此，通过打开燃料净化阀8，将杂质连同氢气一起从燃料排气管24排出到系统的外部，以净化氢气循环系统的内部。其次，为了恢复燃料电池堆1的电池电压，可以将堵塞在气体流动通道或气体管道中的水吹出去。再次，为了在启动时用氢气替换燃料气体供应系统，燃料气体供应系统中的气体将被排出。

在氧化剂气体供应系统中，压缩器11向阳极供应空气。通过控制器40控制空气压力，为了驱动氧化剂压力控制阀12，该控制器40反馈氧化剂压力传感器33所检测到的空气压力。

接着，将说明负载系统。燃料电池堆1电连接到电流控制装置41。另外，电流控制装置41电连接到作为辅助电源能够充电和放电的二次电池43、燃料电池系统中产生电力所需的辅助机械44以及诸如用于驱动车辆的马达的负载部件42。

电流控制装置41从燃料电池堆1或二次电池43(放电时)提取输出(即电流或电力)，以提供给辅助机械44和负载部件42。它还控制二次电池43的充电和放电。可以将电流控制装置41的输出提取部件配置为提取可变输出，或通过连接或断开固定电阻来控制所提取的输出。

优选地，控制器40包括微计算机，微计算机包括CPU、ROM、RAM、外围接口等。另外，控制器40从包括燃料电池堆1、燃料气体供应系统、氧化剂气体供应系统以及负载系统中的传感器的各种检测器接收所检测到的信号。基于这些信号，控制器40控制燃料气体供应系统、燃料气体循环系统、氧化剂气体供应系统以及负载系统的各部件(例如，控制器驱动各种致动器)，以控制燃料电池系统的发电。

控制器40控制电流控制装置41，使得向燃料电池堆1的燃料电极供应燃料气体而不向氧化剂电极供应氧化剂气体之后，从电压传感器30所获得的最小电压变为零伏或更大。然后，向氧化剂电极供应氧化剂气体，以启动发电。

至于通过电流控制装置41从燃料电池堆1提取电流的时刻，优选以如下方式配置控制器。控制器40将燃料气体供应给燃料电极。然后，控制器40优选在从电压传感器30所获得的最小电压变为零伏或更大以后，通过电流控制装置41从燃料电池堆1提取电流。可选地，为了可靠的定时控制，优选在从电压传感器30所获得的最小电压变为预定值或更大(即，大约每个电池数十毫伏)以后，通过电流控制装置41从燃料电池堆1提取电流。

另外，优选控制通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流，使其保持或者变为基于所供应的燃料气体所计算出的目标燃料利用率或更低。

控制器40指示电流控制装置41的目标命令电流优选为二次电池43和燃料电池系统的辅助机械44中所消耗的电流或电力的最大量或更低。

在本发明的第一优选实施例中，基于燃料电池堆1的电压来控制通过电流控制装置41从燃料电池堆1的电流提取。将参考示出安装在燃料电池堆1中的电压传感器30的各种配置的图2～5，来说明电压传感器30的详细组成。

在电压传感器30的第一配置中，如图2所示，燃料电池堆1具有N个电池，并且各电压传感器30a-1至30a-N分别安装在各电池中。关于图2中的单个电池1a-i，附图标记1b-i、1c-i和1d-i分别表示燃料电极、氧化剂电极和电解质膜。如图2所示，每个电压传感器30a-i安装在燃料电极1b-i的燃料气体供应侧。但是，本发明并不限于这样的安装位置。更准确地说，可以使用能够检测各电池的最小电位并且能够安装传感器的任何安装位置。

如图3所示，在电压传感器的第二配置中，燃料电池堆1具有N个电池，并且电压传感器30c-1至30c-M(例如，在图3中，M＝N/3)分别安装在每几个电池中(例如，图3中针对每三个电池示出一个电压传感器30c)。

如图4所示，在电压传感器的第三配置中，燃料电池堆1具有N个电池，并且每个电池中安装有一对电压传感器。在每个电池中安装一对电压传感器30a-1至30a-N和电压传感器30b-1至30b-N。另外，如图4所示，电压传感器30a-i安装在燃料电极1b-i的燃料气体供应侧，而电压传感器30b-i安装在燃料电极1b-i的燃料气体排出侧。但是，本发明并不限于这样的安装。更准确地说，可以使用能够在燃料电池堆1和电池1a-i的构造中检测各电池的电位并且能够安装传感器的任何安装位置。

如图5所示，在电压传感器的第四配置中，燃料电池堆1具有N个电池，并且每几个电池中安装有一对电压传感器。在每几个电池中安装一对电压传感器30c-1至30c-M以及30d-1至30d-M(例如，图5中针对每三个电池示出一对电压传感器30c和30d)。

接着，将参考图6和图7说明用于启动本发明的燃料电池系统的控制器40的操作。图6是示出控制燃料电池系统的启动的序列的流程图。图7是启动燃料电池系统时的各种参数的时序图。在图7中，图表(a)示出燃料电池堆1中的燃料电极的氢气压力，图表(b)示出燃料循环泵7的马达RPM，图表(c)示出燃料电池堆1中的氧化剂电极的空气压力，图表(d)示出空气供应流动速率，图表(e)示出通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流，图表(f)示出各电池的局部电压或燃料电池堆1的总电压。

如图6所示，当控制开始时，控制器40关闭氧化剂压力控制阀12，以防止氧化剂气体被供应给燃料电池堆1的氧化剂电极(S101)。如果氧化剂压缩器11没有启动，则空气没有被加压，从而该步骤不是必需的。之后，由于在启动时不需要氢气净化，所以关闭燃料净化阀8(S102)。

接着，开始驱动燃料气体循环系统的燃料循环泵7。另外，开始再循环燃料循环管23中的气体(S103)(图7的时序图中的时刻T1)。

然后，判断是否开始通过燃料气体供应系统向燃料电池堆1的阳极供应氢气(S104)。如果是，则开始氢气的供应(S105)(时刻T4)。

基于在开始通过燃料气体循环系统的燃料气体循环之后计时器39是否测量到预定时间，或者基于可以安装在循环燃料管23中的燃料流动速率测量仪是否测量到预定的燃料气体循环流动速率，来判断是否开始氢气的供应。另外，计时器39可以是包含在控制器40的CPU中的软件计时器或者是辅助硬件计时器。

接着，判断是否开始通过电流控制装置41从燃料电池堆1提取电流(S106)。如果是，则开始提取电流(S107)。

在用于启动的电压限制控制(“VLC”)的方法中，基于在开始通过燃料气体循环系统的燃料气体循环之后计时器39是否测量到预定时间，来判断是否开始电流提取。可选地，可以在开始通过燃料气体循环系统的氢气供应的同时执行这样的判断(没有等待时间)。在用于启动的电压限制控制(VLC)的方法中，在启动时只通过燃料气体供应系统供应氢气，并提取电流(即，输出)，使得燃料电池堆1的电压为预定的值或更低(即，不劣化燃料电池堆1的上限电压)。然后，当氧化剂气体供应系统开始供应空气时开始发电。

但是，本发明的特征在于，通过电流控制装置41从燃料电池堆1提取电流的开始时刻依赖于燃料电池堆1的电压。基于电压传感器30所检测到的结果来执行是否开始电流提取的判断。换而言之，向燃料电极供应燃料气体，并且从电压传感器30(即，传感器30a-i、30a-i和30b-i(i＝1～N)、30c-j或者30c-j和30d-j(j＝1～M))所获得的最小电压变为零伏或更高或预定值(例如，大约每个电池数十毫伏)。另外，通过电流控制装置41从燃料电池堆1提取电流。

如图7的图表(e)所示，虽然图7的时序图示出：在开始通过燃料气体循环系统的燃料气体循环之后计时器39测量到预定时间的时刻T3，设置控制器指示电流控制装置41的目标命令电流量(VLC目标指示)，但是，在燃料电池堆1的最小电池电压变为零伏或更大之后，开始通过电流控制装置41进行实际的电流提取(参见图7的图表(f)))。另外，优选为在燃料电池堆1的最小电池电压变为预定值或更大之后，开始通过电流控制装置41进行实际的电流提取。

接着，判断是否结束通过电流控制装置41从燃料电池堆1提取电流(S108)。如果是，则开始通过氧化剂气体供应系统向燃料电池堆1的阳极供应空气(S109)。

基于在电流控制装置41开始电流提取之后计时器39是否测量到预定时间，来判断是否结束电流提取。可选地，该判断基于燃料电池堆1的电压(燃料电池堆1的总电压)的变化，或者基于通过电流控制装置41所提取的电流量的变化。

接着，判断是否完成用于启动的VLC(S110)。如果是，则完成用于启动的控制，并且开始通常的驱动控制。

基于在电流控制装置的电流提取开始或结束之后计时器39是否测量到预定时间，来判断是否完成VLC。可选地，该判断基于燃料电池堆1的电压(即，燃料电池堆1的总电压)的变化。

如图7的图表(e)和(f)中所示，在时刻T8结束电流控制装置41的电流提取(即，VLC结束)。另外，如图7的图表(c)和(d)所示，在预定时间之后的时刻T9开始通过氧化剂气体供应系统的空气供应。之后，在时刻T10氢气压力增大(参见图7的图表(a))，并在时刻T11执行完成启动控制的判断。

接着，将参考图8和图9，详细说明开始从燃料电池堆1提取电流之后电流控制装置41的电流控制(S107)。图8和图9示出时序图，该时序图示出根据本发明的电流控制装置41的电流控制。

在启动电流控制装置41的电流提取的过程中，控制器40设置控制器40指示电流控制装置41的目标命令电流量。另外，可以将目标命令电流量设置为维持或设置为根据所供应的氢气而计算出的燃料目标利用率或更低。

通过燃料气体循环系统再循环的燃料的目标利用率表示相对于被供应到燃料电池堆1的阳极的氢气量的、燃料电池堆1中所消耗的氢气量。燃料的目标利用率是100％或更低。即，从燃料电池堆1所提取的电流量与燃料电池堆1中所消耗的氢气量相对应。因此，可以通过将目标命令电流量设置为维持或者设置为燃料目标利用率或更低，来防止燃料电池堆1中氢气的短缺。

另外，目标命令电流量是二次电池43和燃料电池系统的辅助机械44中所消耗的电流或电力的最大量或更低的值。

在图8中，实线示出通过燃料气体供应系统供应给燃料电池堆1的阳极的燃料量。另外，短划线示出燃料的目标利用率为66％时的燃料消耗目标量。此时，控制器40将目标命令电流量设置为维持燃料的目标利用率的值。因此，通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流遵从虚线。

在图9中，通过燃料气体供应系统供应给燃料电池堆1的阳极的燃料量(图9中的实线)有很大的变化。在这样的情况下，难以可靠地控制通过电流控制装置41所提取的电流的量。因此，控制器40设置目标命令电流量，以维持燃料的目标利用率或更低。即，燃料的目标利用率为66％时的燃料消耗量目标遵从短划线。因此，通过设置目标命令电流量以使其变为燃料目标利用率的最小值或更低，来限制通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流的量(即，图9中的虚线)。

这样，本发明的燃料电池系统在启动时只供应燃料气体，并通过电流控制装置41提取电流。这使得燃料电池堆1的最小电池电压变为零伏或更大。因此，可以防止由于燃料电极中的燃料和氧化剂的混合而导致的劣化，并且因此可以尽可能多地提取电流。另外，可以防止提取电流时燃料电池堆1的局部电池上的负电池电压所导致的劣化。因此，可以尽可能多地防止启动时的燃料电池堆的劣化。因此，可以实现具有高耐用性的、能够在较短的时间内启动的燃料电池系统。

至于通过电流控制装置41从燃料电池堆1提取电流的时刻，本发明的控制器40向燃料电极供应燃料气体。之后，当从电压传感器30所获得的最小电压变为零伏或更大时，控制器40通过电流控制装置41从燃料电池堆1提取电流。因此，可以防止由于在没有足够的燃料的情况下提取电流而导致的燃料电池堆1的局部电池的劣化。结果，可以更可靠地防止启动时的劣化。

另外，为了执行可靠的定时控制，本发明的控制器40在从电压传感器30所获得的最小电压变成大于预定值或更大(例如，大约每个电池数十毫伏)之后，通过电流控制装置41从燃料电池堆1提取电流。严重的劣化还没有开始，并且可以在确认燃料供应之后提取电流。因此，可以防止由于在没有足够的燃料的情况下提取电流而导致的燃料电池堆1的局部燃料电池的劣化。结果，可以更可靠地防止启动时的劣化。

本发明的控制器40控制通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流，以设置为能够维持根据所供应的燃料气体而计算出的燃料目标利用率的值。通过根据所供应的燃料气体量来控制所提取的电流量，即使过量供应燃料也能防止燃料不足。另外，在没有劣化的情况下尽可能多地提取电流。结果，燃料电池系统可以在较短的时间内执行启动，并具有高耐用性。

本发明的控制器40将通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流控制为根据所供应的燃料气体而计算出的燃料目标利用率或更低。通过根据所供应的燃料气体量来控制所提取的电流量，即使过量供应燃料也能防止燃料不足。另外，将燃料的利用率设置为较低的值可以增加防止燃料短缺的优点。另外，在没有劣化的情况下尽可能多地提取电流。结果，燃料电池系统可以在较短的时间内执行启动，并具有高耐用性。

本发明的控制器40将指示电流控制装置41的目标命令电流量设置为二次电池43和燃料电池系统的辅助机械44中所消耗的电流的最大量或更低。由于目标命令电流量根据燃料电池系统的状态而变化，所以可以在没有劣化并且没有任何错误的情况下尽可能多地提取电流。因此，燃料电池系统可以在较短的时间内执行可靠的启动。

在本实施例中，控制器40将指示电流控制装置41的目标命令电流量设置为二次电池43和燃料电池系统的辅助机械44中所消耗的电力的最大量或更低。由于目标命令电流量根据燃料电池系统的状态而变化，所以可以在没有劣化并且没有任何错误的情况下尽可能多地提取电流。另外，可以适当地处理电压变化。这样，燃料电池系统可以没有任何错误地在较短的时间内执行可靠的启动。

在本实施例中，提供用于将燃料电池堆1没有消耗的燃料气体循环给燃料气体供应系统的燃料气体循环系统。通过在启动时完全关闭燃料电极，可以防止启动时燃料气体从燃料电池系统中排出。因此，在启动期间燃料气体没有排出。另外，燃料循环泵7在本实施例中用作用于循环燃料气体的装置。但是，也可以使用喷射器。

在本实施例中，在燃料电池堆1的每个电池中安装电压传感器30。结果，可以更可靠地确定劣化或劣化的可能性。

在本实施例中，在燃料电池堆1的每几个电池中安装电压传感器30。结果，可以利用简单的特征更可靠地确定劣化或劣化的可能性。因此，可以提供更低成本的燃料电池系统。

在本实施例中，提供一对电压传感器30，以测量一个电池或多个电池的两个点的电压。结果，即使它们中的一个坏掉，也可以在不替换的情况下保持驱动。因此，可以提高燃料电池系统的可靠性。

在本实施例中，对一个电池或多个电池测量燃料电极的燃料气体供应侧和燃料气体排出侧两个点的电压。结果，可以可靠地确定燃料气体在电池中正被供应的状态。另外，可以防止启动时的劣化。

第二实施例

下面将讨论根据本发明的第二优选实施例而构建的燃料电池系统。第二优选实施例的燃料电池系统的特征与第一优选实施例的特征(图1至图5)基本相同。因此，除下面所提供的说明以外，在此省略对各特征的具体说明。

如下面所讨论的，第二优选实施例的控制器40不同于第一实施例的控制器40。首先，控制通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流，使得在启动时从电压传感器30所获得的所有电压都变成零伏或更大。当启动时从电压传感器30所获得的所有电压都变成零伏或更大时，电流为最大值。其次，通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流是由二次电池43的充电量和燃料电池系统的辅助机械44所消耗的电力的总和所确定的最大值。

启动时控制器的总体控制与第一实施例(图6和图7)相似。因此，在此将省略对其的具体说明。

第二优选实施例的特点在于开始通过电流控制装置41从燃料电池堆1提取电流之后的电流控制(图6的S107)。因此，将参考图10和图11具体说明特有特征，图10和图11示出时序图，该时序图示出第二优选实施例的电流控制装置41的电流控制。

在第二优选实施例中，即使在开始电流提取之后，也监测从电压传感器30所获得的电压。另外，通过监测依次更新最小电压，以基于最小电池电压来改变目标命令电流量。即，如图10和图11所示，例如，当电池电压遵从诸如电压1、电压2和电压3的时间发展时，目标命令电流量根据最小值(电压3)而变化。具体地，如果电压变成大约零伏，则目标命令电流具有较低的值。另外，如果电压变得远大于零伏，则目标命令电流具有较高的值。

如上面所说明的，在第二优选实施例的燃料电池系统中，控制器40控制通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流。这使得启动时从电压传感器30所获得的所有电压都变成零伏或更大。为此，在要测量的燃料电池堆1的局部电池中，可以防止由于燃料不足的状态下的电流引出而导致的劣化。因此，即使电池之间的燃料的变化很大，也可以可靠地防止启动时的劣化。

在第二实施例中，关于控制器40，当启动时从电压传感器30所获得的所有电压都变成零伏或更大时，将通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流配置为最大电流。通过尽可能多地提取电流控制装置41所可以提取的电流，可以彻底限制由于燃料电极中的燃料和氧化剂的混合而导致的劣化。另外，可以在没有任何劣化的情况下提取尽可能多的电流。结果，在彻底限制劣化的情况下，可以在较短的时间内实现启动。

在第二实施例中，关于控制器40，将通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流配置为由二次电池43的充电量和燃料电池系统的辅助机械44所消耗的电力的总和所确定的最大值。通过基于根据对燃料电池系统的构成限制而获得的量来确定电流量，可以根据燃料电池系统的状态来设置电流量。另外，可以在没有任何劣化的情况下尽可能多地提取电流。结果，可以执行适于燃料电池系统的状态的启动控制，并且可以在较短的时间内完成启动。

第三实施例

下面将讨论根据本发明的第三优选实施例而构建的燃料电池系统。第三优选实施例的燃料电池系统的特征与第一优选实施例的特征(图1至图5)基本相同。因此，除下面所提供的说明以外，在此省略对各特征的具体说明。

如下面所讨论的，第三优选实施例的控制器40不同于第一实施例的控制器40。首先，基于通过电压传感器30所获得的燃料电池堆1的总电压来控制通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流。对电流进行控制，使其随着燃料电池堆1的总电压增大而增大，并且对电流进行控制，使得从电压传感器(电压测量装置)30所获得的所有电压的变化变成预定值或更低。

启动时控制器的总体控制与第一实施例(图6和图7)相似。因此，在此将省略对其的具体说明。

第三优选实施例的特点在于开始通过电流控制装置41从燃料电池堆1提取电流之后的电流控制(图6的S107)。将参考图12具体讨论该电流控制。

图12示出时序图，该时序图示出第三优选实施例的电流控制装置41的电流控制。在图12中，短划线表示堆的总电压，实线表示电压变化Vdiff的程度，虚线表示通过电流控制装置41所提取的电流。

在第三实施例中，计算通过电压传感器30(例如，任何电压测量装置)所获得的所有电压变化Vdiff的程度，并基于电压变化的程度来改变目标命令电流量。即，电压变化Vdiff的程度变得越高，目标命令电流量被设置得越低，反之亦然。

计算电压变化Vdiff的程度的方法如下所示：

Vdiff1＝平均电池电压-最小电池电压                    (3)

Vdiff2＝最大电池电压-最小电池电压                    (4)

Vdiff3＝(平均电池电压-最小电池电压)/平均电池电压     (5)

如上面所说明的，在第三实施例的燃料电池系统中，控制器40基于由电压传感器30所获得的燃料电池堆1的总电压来控制通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流，使其随着燃料电池堆1的总电压增大而增大。通过基于燃料电池堆的总电压而设置电流量，可以在不对传统燃料电池系统增加组件的情况下提供启动控制。因此，可以低成本地有效防止启动时的劣化。另外，可以在没有任何劣化的情况下尽可能多地提取电流，并在较短的时间内完成启动。

在第三实施例中，当由电压传感器30所获得的燃料电池堆1的总电压增大时，控制器40通过电流控制装置41控制从燃料电池堆1所提取的电流增大。基于燃料电池堆1的总电压来控制电流量。对电流进行控制，使其在电压越高时越高，反之亦然。另外，可以有效地限制由于燃料电极中的燃料和氧化剂的混合以及燃料不足而导致的任何劣化。因此，可以限制在启动时导致的任何劣化。此外，可以在没有劣化的情况下尽可能多地提取电流，并且可以在较短的时间内完成启动。

在第三实施例中，控制器40控制通过电流控制装置41从燃料电池堆1所提取的电流，使得从电压传感器30所获得的所有电压的变化变为预定值或更低。由于电压变化是利用所有的电压而计算出的，并且当变化变小时电流量增大，反之亦然，所以可以有效地防止由于燃料不足的状态下的电流引出而导致的劣化。另外，可以在没有任何劣化的情况下尽可能多地提取电流，并且可以在较短的时间内完成启动。

第四实施例

在向燃料电极供应燃料气体而不向氧化剂电极供应氧化剂气体之后，控制器40通过电流控制装置41开始电流提取，并基于燃料电池堆1的电压终止电流提取。之后，控制器40向燃料电池堆1的氧化剂电极供应氧化剂气体，以开始发电。在一个实施例中，基于通过电压传感器30所获得的燃料电池堆1的总电压，判断电流控制装置41是否终止电流提取。

另外，如果基于燃料电池堆1的电压(例如，总电压)判断为在燃料电极中燃料气体浓度相对于氧化剂气体浓度的比率大于预定值，则控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。

另外，控制器40基于燃料电池堆1的电压(例如，总电压)，判断为在燃料电极中燃料气体浓度相对于氧化剂气体浓度的比率为预定值或更大。另外，同时，当氧化剂电极的氧化剂气体浓度降低时，控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。

此外，如果燃料电池堆1的电压(例如，总电压)降低，则控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。具体地，控制器40记录燃料电池堆1的电压(例如，总电压)的最大值，并且如果燃料电池堆1的电压从最大值降低了预定值或比率，则终止通过电流控制装置41的电流提取。

这样，在本实施例中，基于燃料电池堆1的电压参数，判断是否终止通过电流控制装置41的电流提取。

接着，现在将参考图6说明不同于第一优选实施例的部分。

在第一实施例中，基于通过燃料气体循环系统开始燃料气体循环之后或者通过燃料气体供应系统开始供应氢气之后，计时器39是否计数了预定时间，来判断是否开始电流提取。可选地，当通过燃料气体供应系统开始供应氢气的同时(没有等待)判断上面的情况。

如图7的图表(c)所示，虽然在时刻T3，即通过燃料气体循环系统开始燃料气体循环之后计时器39所测得的时刻，设置控制器40指示电流控制装置41的目标命令电流量(VLC)，但是，通过电流控制装置41的电流提取实际开始于通过燃料气体供应系统开始供应氢气之后计时器39所测得的时刻(燃料电池堆1的电池电压的最小值变得大于零伏或预定值之后。参见图7的图表(f))。

接着，判断是否终止通过电流控制装置41从燃料电池堆1提取电流(S108)。如果是，则氧化剂气体供应系统开始向燃料电池堆1的阳极供应空气(S109)。

在一个实施例中，在广义的启动VLC时判断是否终止电流提取。

接着，判断是否完成通过VLC的启动控制(S110)。如果是，则完成启动控制，并执行传统的驱动控制。

在一个实施例中，基于在终止或开始通过电流控制装置41的电流提取之后计时器39是否测量到预定时间，来判断是否完成启动控制。可选地，基于燃料电池堆1的电压参数(例如，燃料电池堆1的总电压)的变化来执行该操作。

在图7的时序图(e)和(f)中，在时刻T8判断是否终止通过电流控制装置41的电流提取(VLC结束)。另外，如图7的时序图(c)和(d)所示，在预定时间之后的时刻T9通过氧化剂气体供应系统开始空气供应，然后在时刻T10增大氢气的压力(参见图7(a))。之后，在时刻T11判断启动控制是否完成。

下面将参考图13至图15更详细地说明判断是否终止通过电流控制装置41的电流提取的处理(S108)。图13示出用于说明根据本发明的一个实施例的判断是否终止通过电流控制装置41的电流提取的处理的图。更具体地，图13示出示例性时序图，该示例性时序图示出电流提取时段期间燃料电池堆1的总电压和电流提取的转变。图14示出示例性时序图，该示例性时序图示出当电流提取时段期间燃料电池堆1的总电压和电流提取如图13所示那样变化时，燃料电极处的氢气浓度、氧气浓度和氮气浓度的转变，以及氧化剂电极处的氧气浓度和氮气浓度的转变。图15示出用于说明氢气和氧气混合时所测得的混合电位的图。

如上面所讨论的，基于通过电压传感器30所测得的燃料电池堆1的总电压，来判断是否终止通过电流控制装置41的电流提取。更具体地，如图13所示，当燃料电池堆1的电压(例如，总电压)降低时，终止通过电流控制装置41的电流提取。即，记录燃料电池堆1的电压(例如，总电压)的最大值，并且当电压从最大值降低了预定值或比率时，终止通过电流控制装置41的电流提取。在图13中，当燃料电池堆1的总电压(图13中的“A”)降低了预定值或更多(例如，最大电压的30％)时，终止电流提取。

现在将参考图14说明在电流提取时段期间各气体浓度的变化。在图14中，将电流提取时段的前一半表示为Ta，而另一半表示为Tb。在电流提取时段的前一半Ta期间，氧气和氢气在燃料电极侧混合，其中，通过电流提取，氧气被消耗，并被氢气替换。接着，在电流提取时段的前一半Ta期间，在燃料电极侧氧气被氢气替换，使得氧气几乎被消耗完，而氧化剂电极侧的氧气通过电流提取被除去。这样，如果在氧化剂电极侧充足地供应氧气，则燃料电池堆1处的总电压A和电流提取B降低。

可以使用混合电位来说明上面的处理。图15示出通过电压传感器30所测得的电池电压的图，其中，在x轴和y轴分别示出氢气和氧气的混合比率以及标准氢电极。图15示出当燃料电极侧的气氛包括比率为90％∶10％的氢气和氧气，而氧化剂电极侧的气氛包括比率为50％∶50％的氢气和氧气时，燃料电极和氧化剂电极处的电位之间的差(电池电压)。

当燃料供应开始时，由于在燃料电池堆1中执行替换，并且燃料电极侧的氢气浓度很低，所以燃料电极处的电位基本上等于氧化剂电极处的电位，从而燃料电池堆1的总电压大约为零伏。之后，通过供应燃料，燃料电极侧的氢气浓度增大，而燃料电极的电位降低，这导致燃料电极和氧化剂电极之间的电位差。然后，当氧化剂电极侧的氧气消失时，氧化剂电极处的电位变得接近于燃料电极处的电位。另外，由于电池电压降低并且燃料电池堆1的总电压降低，所以从燃料电池堆1排出的电流量也同时降低。

因此，至少有两个可以作为判断是否终止通过电流控制装置41的电流提取的条件的特征，即，燃料电极处的燃料气体浓度相对于氧化剂气体浓度的比率是否大于预定值，和/或同时氧化剂电极处的氧化剂气体的浓度是否开始降低。基于燃料电池堆1的电压(例如，总电压)，来执行对这样的条件的判断，已经参考图13对此作了详细说明。

如上所述，在本发明的燃料电池系统中，在启动阶段期间，在向燃料电极供应燃料气体而不向氧化剂电极供应氧化剂气体之后，控制器40开始通过电流控制装置41的电流提取。然后，基于燃料电池堆1的电压，终止电流提取，并通过向氧化剂电极供应氧化剂气体开始生成电流。

因此，在启动阶段期间，可以防止由于在燃料电极中混合燃料气体和氧化剂气体而导致的催化剂劣化。另外，通过基于燃料电池堆1的状态控制系统，可以缩短启动时间并减少启动所消耗的燃料量。结果，可以获得通过防止启动阶段期间的劣化具有良好耐用性并且通过缩短启动时间获得高效率的燃料电池系统。

另外，在实施例中，控制器40基于通过电压传感器30所测得的燃料电池堆1的总电压，来判断是否终止通过电流控制装置41的电流提取。因此，通过基于燃料电池堆1的总电压来判断电流提取终止条件，可以容易地判断电流提取终止条件，而无需为该目的而定制任何额外的部件。进而，可以在不增加任何成本的情况下防止启动阶段期间的劣化。结果，可以通过缩短启动时间，获得具有良好耐用性和高效率的燃料电池系统。

另外，在实施例中，在燃料电池堆1的每个电池中安装电压传感器30。控制器40基于通过电压传感器30所测得的电压，终止通过电流控制装置41的电流提取。因此，可以精确地检查燃料电池堆1的状态，以判断终止条件，从而获得具有良好耐用性的燃料电池系统。

另外，在实施例中，一对电压传感器30测量一个或多个电池中的燃料电极的燃料气体供应侧和燃料气体排出侧的电压。因此，可以精确地检查燃料电池堆1的燃料电极处的燃料气体的替换，以判断终止条件，从而获得具有良好耐用性的燃料电池系统。

另外，在实施例中，如果控制器40基于燃料电池堆1的电压(例如，总电压)，判断为燃料电极处的燃料气体浓度相对于氧化剂气体浓度的比率大于预定值，则控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。这样，可以防止在启动阶段期间由于在燃料电极中混合燃料气体和氧化剂气体而导致的催化剂劣化。另外，通过基于燃料电池堆1的状态控制系统，还可以缩短启动时间并减少燃料消耗量。结果，可以获得通过防止启动阶段期间的劣化具有良好耐用性并且通过缩短启动时间获得高效率的燃料电池系统。

另外，在实施例中，如果基于燃料电池堆1的电压(例如，总电压)判断为燃料电极处的燃料气体浓度相对于氧化剂气体浓度的比率大于预定值，同时氧化剂电极的氧化剂气体浓度开始降低，则控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。这样，通过判断由于在启动阶段期间在燃料电极中混合燃料气体和氧化剂气体而导致的催化剂劣化，并检查氧化剂电极中的氧化剂浓度的降低，可以在启动阶段抑制劣化。另外，可以检测劣化的进行，以防止启动阶段的劣化。结果，可以精确地判断终止条件，从而获得具有良好耐用性的燃料电池系统。

另外，在实施例中，如果燃料电池堆1的电压(例如，总电压)降低，则控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。这样，在启动阶段，通过如果燃料电池堆1的电压降低则终止通过电流控制装置41的电流提取，可以容易地判断燃料电极中的燃料气体相对于氧化剂气体是否足量，以及氧化剂电极处的氧化剂气体的浓度是否低并且是否存在增大的劣化可能性。结果，可以获得容易地判断电流提取终止条件并具有良好耐用性的燃料电池系统。

另外，在实施例中，如果燃料电池堆1的电压从电压的最大值降低了预定值或比率，则控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。这样，通过基于启动阶段中的电压的时间轨迹来判断通过电流控制装置41的电流提取终止条件，可以容易地判断燃料电极中的燃料气体是否足量，并且氧化剂电极处的氧化剂气体浓度是否相当低。结果，可以获得可以更精确地判断终止条件并具有良好耐用性的燃料电池系统。

另外，在实施例中，燃料系统包括用于将燃料电池堆1中剩余的燃料气体循环到燃料气体供应系统的燃料气体循环系统。因此，可以降低燃料消耗和排出，并且燃料效率变高，从而导致高效的燃料电池系统。另外，在该例子中，虽然燃料循环泵7用作用于循环燃料气体的装置，但是也可以使用喷射器作为循环装置。

如图1所示，燃料电池堆1通常安装在用于保护的燃料电池堆1的壳体20中。根据第一变形例，当燃料电池堆的壳体20中的燃料气体浓度大于预定浓度时，控制器40可以强行终止通过电流控制装置41(例如，任何电流提取装置)的电流提取。这样，通过如果燃料电池堆的壳体20中的燃料气体浓度大于容许燃料气体浓度值则强行终止通过电流控制装置41的电流提取，可以合适地启动燃料电池堆1。

另外，当在燃料电池堆1的壳体20中安装燃料气体浓度传感器34时，燃料气体浓度传感器34测量燃料电池堆1的壳体20中的燃料气体浓度。通过采用这样的配置，可以精确地检测燃料气体浓度。

如果燃料电池堆的壳体20中没有安装燃料气体浓度传感器34，则控制器40可以基于燃料电极处的燃料气体压力和通过电流控制装置41的电流提取时段，来计算燃料电池堆的壳体20中的燃料气体浓度。在一个实施例中，可以通过参考将燃料气体浓度映射到对应的电流提取时段和燃料电极处的燃料气体压力的表格，来估计燃料气体浓度，该表格例如是基于实验数据制作的表格。这样，通过基于燃料气体压力和电流提取时段来估计燃料气体浓度，而不使用燃料气体浓度传感器34，可以在不增加任何成本的情况下合适地启动系统。

另外，当在燃料电池堆1的壳体20的出口处安装燃料气体浓度传感器34时，当电流控制装置41在预定时段或更长期间执行电流提取时，控制器40可以向燃料电池堆的壳体20供应空气。另外，如果燃料气体浓度传感器34的测量值是预定值或更低，则可以将所估计的燃料气体浓度值校正为更低的值。另一方面，如果燃料气体浓度传感器34的测量值大于预定值，则可以将所估计的燃料气体浓度值校正为更高的值。这样，通过基于燃料电池堆1的状态改变所估计的燃料气体浓度值，可以合适地启动燃料电池系统。

根据第二变形例，当氧化剂电极处的燃料气体浓度大于预定值时，控制器40可以强行终止通过电流控制装置41的电流提取。这样，通过当氧化剂电极处的燃料气体浓度大于容许燃料气体浓度值时强行终止通过电流控制装置41的电流提取，可以合适地启动燃料电池堆1。

另外，当在氧化剂电极中安装燃料气体浓度传感器35时，燃料气体浓度传感器35测量氧化剂电极处的燃料气体浓度。因此，可以精确地检测燃料气体浓度。

如果氧化剂电极中没有安装燃料气体浓度传感器35，则控制器40可以基于燃料电极处的燃料气体压力和通过电流控制装置41(电流提取装置)的电流提取时段，来估计氧化剂电极处的燃料气体浓度。在一个实施例中，可以通过参考将燃料气体浓度映射到对应的电流提取时段和燃料电极处的燃料气体压力的表格，来估计燃料气体浓度，该表格例如是基于实验数据制作的表格。这样，通过基于燃料气体压力和电流提取时段来估计燃料气体浓度，而不使用燃料气体浓度传感器，可以在不增加任何成本的情况下合适地启动系统。

另外，控制器40可以基于电解质膜中的湿度来校正氧化剂电极处的燃料气体浓度。这样，通过检测电解质膜中的湿度并基于所检测到的湿度来校正氧化剂电极处的燃料浓度，可以准确地估计燃料气体浓度。

另外，计时器39测量从燃料电池系统的前次停止到启动的时间段。在控制器40中，计时器39基于所测得的时间段来估计电解质膜的湿度。这样，通过基于所测得的时间段估计电解质膜的湿度，可以省略系统中的湿度检测装置。因此，可以在不增加任何成本的情况下合适地启动燃料电池系统。

另外，当在氧化剂电极中安装燃料气体浓度传感器35时，当燃料电极处的燃料气体压力为预定值并且电流控制装置41在预定时段或更长期间执行电流提取时，控制器40可以向氧化剂电极供应氧化剂气体。另外，如果燃料气体浓度传感器35的测量值为预定值或更低，则可以将所估计的燃料气体浓度值校正为更低的值。另一方面，如果燃料气体浓度传感器35的测量值大于预定值，则可以将所估计的燃料气体浓度值校正为更高的值。这样，通过基于燃料电池堆1的状态来改变所估计的燃料气体浓度值，可以合适地启动燃料电池系统。

如图1所示，当提供用于检测氧化剂电极处的氧化剂气体流量的氧化剂流量检测器31时，控制器40可以在通过流量控制装置41执行电流提取的同时检测氧化剂供应量。根据第三变形例，当不再供应氧化剂时，控制器40可以终止通过电流控制装置41的电流提取。这样，通过检测启动阶段中的氧化剂电极处的氧化剂气体供应量，可以判断是否终止氧化剂电极处的氧化剂气体的消耗，从而更精确地确定电流提取的终止。

第五实施例

下面将说明根据本发明的第五优选实施例而构建的燃料电池系统。第五实施例的燃料电池系统的配置与第四实施例相似。因此，在此将省略对其组件的详细说明。

在该实施例中，在启动阶段，当没有向燃料电池堆1的氧化剂电极供应氧化剂气体时，控制器40向燃料电极供应燃料气体。然后，控制器40开始通过电流控制装置41(例如，任何电流提取装置)的电流提取。接着，控制器40基于燃料电池堆1的电流终止电流提取。之后，控制器40向燃料电池堆1的氧化剂电极供应氧化剂气体，以开始电流生成。因此，在该实施例中，基于燃料电池堆1的电流来判断是否终止电流提取，相反，在第四实施例中，基于燃料电池堆1的电压来执行电流提取终止条件的判断。

在第五实施例中，通过监测提供给电流控制装置41的目标命令电流和通过电流控制装置41从燃料电池堆1所释放的实际电流值，来执行电流控制装置41中的电流提取终止条件的判断。另外，判断实际电流是否变得低于目标命令电流。如果实际电流变得低于目标命令电流，则终止通过电流控制装置41的电流提取。

另外，如果判断为燃料电极中的燃料气体浓度相对于氧化剂气体浓度的比率大于预定值，则控制器40基于燃料电池堆1的电流，终止通过电流控制装置41的电流提取。

另外，如果控制器基于燃料电池堆1的电流，判断为燃料电极中的燃料气体浓度相对于氧化剂气体浓度的比率大于燃料电极中的预定值，并且同时氧化剂电极处的氧化剂气体浓度开始降低，则控制器终止通过电流控制装置41的电流提取。

另外，如果判断为燃料电池堆1的电流正在降低，则控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。特别地，控制器40记录燃料电池堆1的电流的最大值，并且如果判断为电流从最大值降低了预定值或比率，则终止通过电流控制装置41的电流提取。

另外，由于在启动阶段期间控制器40的操作与第四实施例(参见图6和图7)基本上相同，所以在此将省略对它们的详细说明。

现在将参考图13详细说明根据本实施例的电流控制装置41中的电流提取终止条件的判断(图6中的步骤S108)。

如上所述，如果判断为燃料电池堆1的电流降低，则终止通过电流控制装置41的电流提取。另外，记录燃料电池堆1的电流的最大值，并且如果判断为电流从最大值降低了预定值或比率，则终止通过电流控制装置41的燃料电池堆1的电流提取。例如，如图13所示，如果燃料电池堆1的电流降低了预定值(例如，最大电流的20％)，则终止电流提取。

如上所述，在第五实施例的燃料电池系统中，当没有向氧化剂电极供应氧化剂气体时，控制器40向燃料电极供应燃料气体，开始通过电流控制装置41的电流提取，并终止燃料电池堆1的电流提取。之后，控制器40向氧化剂电极供应氧化剂气体，以开始电流生成。因此，在启动阶段，可以防止由于在燃料电极中混合燃料气体和氧化剂气体而导致的催化剂劣化。另外，通过不同的控制，基于燃料电池堆1的状态，可以缩短启动时间并减少燃料消耗量。结果，可以获得通过防止劣化具有良好耐用性并且通过缩短启动时间获得高效率的燃料电池系统。

另外，在第五实施例中，控制器40监测提供给电流控制装置41的目标命令电流和通过电流控制装置41从燃料电池堆1所释放的实际电流。如果判断为实际电流为目标命令电流或更低，则终止通过电流控制装置41的电流提取。这样，通过基于通过电流控制装置41的电流提取来判断电流提取终止条件，可以仅使用电流控制装置41而无需任何附加组件，就可以执行电流提取终止条件的判断。结果，可以获得具有高效率和良好耐用性的燃料电池系统。

另外，在实施例中，当控制器40基于燃料电池堆1的电流判断为燃料电极中的燃料气体浓度相对于氧化剂气体浓度的比率大于预定值时，控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。这样，通过检测由于在燃料电极中混合燃料气体和氧化剂气体而导致的催化剂劣化，可以限制启动阶段中的劣化。另外，通过基于燃料电池堆1的状态控制系统，可以缩短启动时间并减少燃料消耗量。结果，可以获得通过防止劣化具有良好耐用性并且通过缩短启动时间获得高效率的燃料电池系统。

另外，在第五实施例中，当控制器40基于燃料电池堆1的电流判断为燃料电极中的燃料气体浓度相对于氧化剂气体浓度的比率大于预定值，同时氧化剂气体浓度开始降低时，控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。这样，可以检测启动阶段的由于在燃料电极中混合燃料气体和氧化剂气体而导致的催化剂劣化。另外，可以通过检查氧化剂电极中的氧化剂浓度的降低来监测启动阶段中的劣化的进行，从而防止启动阶段中的劣化。结果，可以精确地判断电流提取终止条件，并获得具有良好耐用性的燃料电池系统。

另外，在第五实施例中，如果判断为燃料电池堆1的电流正在降低，则控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。这样，在启动阶段中，通过如果判断为燃料电池堆1的电流正在降低则终止通过电流控制装置41的电流提取，可以容易地判断燃料电极中的氧化剂气体是否足够以及氧化剂气体浓度是否低。

另外，在第五实施例中，控制器40记录燃料电池堆1的电流的最大值，并且如果判断为电流从最大值降低了预定值或比率，则终止通过电流控制装置41的电流提取。这样，通过基于启动阶段中的电流的时间轨迹来执行电流控制装置41中的电流提取终止条件的判断，可以容易地判断燃料电极中的燃料气体是否足量以及氧化剂电极的氧化剂浓度是否低。结果，可以获得具有高耐用性的燃料电池系统。

另外，应当注意的是，第一实施例中的第一变形例(即，基于壳体中的燃料气体浓度来判断电流提取终止条件)、第二变形例(即，基于氧化剂电极处的燃料气体浓度来判断电流提取终止条件)、以及第三变形例(即，基于氧化剂的流量来判断电流提取终止条件)的配置也适用于第五实施例。

第六实施例

下面将说明根据本发明的第六优选实施例而构建的燃料电池系统。第六实施例的燃料电池系统的配置与第四实施例相似。因此，在此将省略对它的组件的详细说明。

在启动阶段中，当没有向燃料电池堆1的氧化剂电极供应氧化剂气体时，控制器40向燃料电极供应燃料气体，并开始通过电流控制装置41的电流提取。然后，控制器40基于燃料电池堆1的电压(例如，总电压)和电流，终止电流提取。之后，控制器40通过向燃料电池堆1的氧化剂电极供应氧化剂气体来开始电流生成。根据基于电压和电流二者对电流提取终止条件的判断结果，终止通过电流控制装置41的电流提取。

因此，在第六实施例中，基于燃料电池堆1的电压和电流执行电流提取终止条件的判断，相反，在第四实施例中，基于燃料电池堆1的电压执行电流提取终止条件的判断(因此，第四实施例和第五实施例的终止条件的逻辑与(AND)是第六实施例中的终止条件)。

另外，如果判断为燃料电极中的燃料气体浓度相对于氧化剂气体浓度的比率大于预定值，则控制器40基于燃料电池堆1的电压(例如，总电压)和电流，终止通过电流控制装置41的电流提取。

另外，如果基于燃料电池堆1的电压(例如，总电压)和电流，控制器判断为氧化剂电极处的燃料气体浓度相对于氧化剂气体浓度的比率大于预定值，并且同时氧化剂电极处的氧化剂气体浓度开始降低，则控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。

另外，如果判断为燃料电池堆1的电压和电流正在降低，则控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。特别地，控制器40记录燃料电池堆1的电压(例如，总电压)和电流的最大值，并且如果判断为电流和电压从各自的最大值降低了预定值或比率，则终止通过电流控制装置41的电流提取。

另外，由于启动阶段中的控制器40的操作与第四实施例(参见图6和图7)基本上相同，所以在此将省略对它们的详细说明。

在第六实施例中，将参考图13详细说明判断电流控制装置41中的电流提取终止条件的处理(图6中的S108)。

如上所述，如果判断为燃料电池堆1的电流和电压(例如，总电压)降低，则终止通过电流控制装置41的电流提取。另外，控制器40记录燃料电池堆1的电压(例如，总电压)和电流的最大值，并且如果判断为电流和电压从各自的最大值降低了预定值或比率，则终止通过电流控制装置41的电流提取。例如，如图13所示，如果燃料电池堆1的总电压A和电流B降低了预定值或更多(例如，分别为最大值的30％和20％)，则终止电流提取。

如上所述，在第六实施例的燃料电池系统中，根据基于电压和电流对电流提取终止条件的判断结果，控制器40终止通过电流控制装置41的电流提取。这样，通过基于电压和电流两者判断电流提取终止条件，相比于仅基于电压或仅基于电流判断电流提取终止条件，可以精确地判断电流提取终止条件。

另外，应当注意，第四实施例中的第一变形例(即，基于壳体中的燃料气体浓度来判断电流提取终止条件)、第二变形例(即，基于氧化剂电极处的燃料气体浓度来判断电流提取终止条件)、第三变形例(即，基于氧化剂的流量来判断电流提取终止条件)的配置也适用于第六实施例。

另外，在第四至第六实施例中，如果判断为燃料电池堆1的电压(例如，总电压)或电流太低，则可以终止通过电流控制装置41(例如，任何电流提取装置)的电流提取，不管燃料电池堆1的电压(例如，总电压)和电流从最大值降低了多少。

虽然已经参考某些优选实施例说明了本发明，但是，可以对上述实施例进行众多的修改、变更和改变，而不会偏离在所附的权利要求书及其等同物中所限定的本发明的领域和范围。因此，并不意图将本发明限于所述实施例，并且本发明具有所附权利要求的语言所限定的全部范围。

本申请要求2005年12月27日提交的日本专利申请2005-374709以及2005年12月27日提交的日本专利申请2005-374792的优先权，在此通过引用将它们的内容全部并入。

Claims (35)

1.一种燃料电池系统，包括燃料电池堆(1)、用于向所述燃料电池堆(1)供应燃料气体的燃料气体供应单元以及用于向所述燃料电池堆(1)供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元，其中，所述燃料电池堆(1)包括均通过将电解质膜置于被供应所述燃料气体的燃料电极与被供应所述氧化剂气体的氧化剂电极之间而形成的多个堆叠电池；所述燃料电池系统的特征在于：

电流控制装置(41)从所述燃料电池堆(1)提取电流；

电压传感器(30)测量来自所述燃料电池堆(1)的多个不同电池的电压；以及

控制器(40)电连接到所述电流控制装置(41)和所述电压传感器(30)，使得在启动所述燃料电池堆(1)的操作时，向所述燃料电极供应所述燃料气体，而不向所述氧化剂电极供应所述氧化剂气体，直到由所述电压传感器(30)检测到的最小值变成零伏或更大的时刻，随之向所述氧化剂电极供应所述氧化剂气体，以开始在所述燃料电池堆(1)中产生电力。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，在向所述燃料电极供应所述燃料气体之后，所述控制器(40)在由所述电压传感器(30)检测到的最小值变成零伏或更大之后，通过所述电流控制装置(41)从所述燃料电池堆(1)提取电流。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，在由所述电压传感器(30)检测到的最小值变成预定值或更大之后，所述控制器(40)通过所述电流控制装置(41)从所述燃料电池堆(1)提取电流。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器(40)通过所述电流控制装置(41)提取足够的电流，以维持根据所供应的所述燃料气体计算出的目标燃料利用系数。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，由所述控制器(40)通过所述电流控制装置(41)从所述燃料电池堆(1)提取的所述足够的电流是根据所供应的所述燃料气体计算出的所述目标燃料利用率或更低。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器(40)控制通过所述电流控制装置(41)从所述燃料电池堆(1)提取的电流，使得在启动时由所述电压传感器(30)检测到的所有电压都变成零伏或更大。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器(40)控制通过所述电流控制装置(41)从所述燃料电池堆(1)提取的电流，使得当在启动时由所述电压传感器(30)检测到的所有电压都变成零伏或更大时，提取最大电流。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电流控制装置(41)电连接到辅助机械(44)和提供辅助电源的电池(43)，根据所述电池(43)的充电量和所述辅助机械(44)所消耗的电力量的总和，来确定通过所述电流控制装置(41)从所述燃料电池堆(1)提取的最大电流。

9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，响应于由所述电压传感器(30)检测到的所述燃料电池堆(1)的总电压，所述控制器(40)控制通过所述电流控制装置(41)从所述燃料电池堆(1)提取的电流。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，响应于由所述电压传感器(30)检测到的所述燃料电池堆(1)的总电压的增大，通过所述电流控制装置(41)从所述燃料电池堆(1)提取的电流增大。

11.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器(40)控制通过所述电流控制装置(41)从所述燃料电池堆(1)提取的电流，使得由所述电压传感器(30)检测到的所有电压的变化变成预定值或更低。

12.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电流控制装置(41)电连接到辅助机械(44)和提供辅助电源的电池(43)，所述控制器(40)向所述电流控制装置(41)输出目标命令电流，所述目标命令电流是等于所述电池(43)的充电量和所述辅助机械(44)所消耗的电力量的总和的最大量或更低。

13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于，通过所述电流控制装置(41)从所述燃料电池堆(1)提取的电流比等于所述电池(43)的充电量和所述辅助机械(44)所消耗的电力量的总和的所述最大量或更低小。

14.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电压传感器(30)包括设置在所述燃料电池堆(1)中的所述多个堆叠电池的每个电池中的分离的电压传感器(30a)。

15.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电压传感器(30)包括设置在所述燃料电池堆(1)中的所述多个堆叠电池的每组电池中的分离的电压传感器(30c)。

16.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电压传感器(30)包括电压传感器对(30a、30b)，并且每个所述电压传感器对(30a、30b)设置在下列至少之一中：所述燃料电池堆(1)中的所述多个堆叠电池的每个电池、以及所述燃料电池堆(1)中的所述多个堆叠电池的每组电池。

17.根据权利要求16所述的燃料电池系统，其特征在于，每个所述电压传感器对(30a、30b)包括测量燃料气体供应侧的电压的第一电压传感器(30a)和测量燃料气体排出侧的电压的第二电压传感器(30b)。

18.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器(40)相对于通过所述电流控制装置(41)从所述燃料电池堆(1)提取的实际电流而比较目标命令电流，并且如果所述实际电流低于所述目标命令电流，则所述控制器(40)终止通过所述电流控制装置(41)的电流提取。

19.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，响应于电压和电流两者，所述控制器(40)终止通过所述电流控制装置(41)的电流提取。

20.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，响应于基于所述燃料电池堆(1)的电流和电压至少之一，所述燃料电极处的燃料气体浓度相对于氧化剂气体浓度的比率大于预定值，所述控制器(40)终止通过所述电流控制装置(41)的电流提取。

21.根据权利要求20所述的燃料电池系统，其特征在于，响应于在所述氧化剂电极处的氧化剂气体浓度开始降低的同时，基于所述燃料电池堆(1)的电流和电压至少之一，所述燃料电极处的燃料气体浓度相对于氧化剂气体浓度的比率大于预定值，所述控制器(40)终止通过所述电流控制装置(41)的电流提取。

22.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，响应于所述燃料电池堆(1)的电流和电压至少之一的降低，所述控制器(40)终止通过所述电流控制装置(41)的电流提取。

23.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器(40)记录所述燃料电池堆(1)的电流和电压至少之一的最大值，并且响应于电流或电压至少之一相对于所述最大值降低了预定值和预定比率至少之一，所述控制器(40)终止通过所述电流控制装置(41)的电流提取。

24.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池堆(1)包括用于保护所述燃料电池堆(1)的燃料电池堆壳体(20)，并且响应于所述燃料电池堆壳体(20)中的燃料气体浓度大于预定浓度，所述控制器(40)终止通过所述电流控制装置(41)的电流提取。

25.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池堆(1)包括设置在所述燃料电池堆壳体(20)中的第一燃料气体浓度传感器(34)，所述控制器(40)比较所述燃料气体浓度传感器(34)的输出与所述燃料电池堆壳体(20)中的估计燃料气体浓度，所述估计燃料气体浓度是由所述控制器(40)基于所述燃料电极处的燃料气体压力和通过所述电流控制装置(41)的电流提取时段计算出的。

26.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池堆壳体(20)的出口包括第二燃料气体浓度传感器(35)，所述控制器(40)向所述燃料电池堆壳体(20)供应所述氧化剂气体，并且在至少预定时段期间执行通过所述电流控制装置(41)的电流提取，其中，如果由所述第二燃料气体浓度传感器(35)测得的值大于预定浓度，则所述控制器(40)将由所述第二燃料气体浓度传感器(35)测得的燃料气体浓度值校正为更高的值，以及其中，如果由所述第二燃料气体浓度传感器(35)测得的值为所述预定浓度或更低，则所述控制器(40)将由所述第二燃料气体浓度传感器(35)测得的燃料气体浓度值校正为更低的值。

27.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，响应于所述氧化剂电极处的燃料气体浓度大于预定浓度，所述控制器(40)终止通过所述电流控制装置(41)的电流提取。

28.根据权利要求27所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池堆(1)包括设置在所述氧化剂电极处的第一燃料气体浓度传感器(34)，所述控制器(40)比较所述燃料气体浓度传感器(34)的输出与燃料电池堆壳体(20)中的估计燃料气体浓度，所述估计燃料气体浓度是由控制器(40)基于所述燃料电极处的燃料气体压力和通过所述电流控制装置(41)的电流提取时段计算出的。

29.根据权利要求27所述的燃料电池系统，其特征在于，响应于所述电解质膜的湿度，所述控制器(40)校正由所述氧化剂电极处的第一燃料气体浓度传感器(34)测得的燃料气体浓度值。

30.根据权利要求29所述的燃料电池系统，其特征在于，空闲时间测量单元测量从所述燃料电池堆(1)的前次操作停止到所述燃料电池堆(1)的启动的时间间隔，所述控制器(40)基于由所述空闲时间测量单元测得的所述时间间隔，来估计所述电解质膜的湿度。

31.根据权利要求28所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池堆壳体(20)的出口包括第二燃料气体浓度传感器(35)，所述控制器(40)向所述燃料电池堆壳体(20)供应所述氧化剂气体，并且在至少预定时段期间执行通过所述电流控制装置(41)的电流提取，其中，如果由所述第二燃料气体浓度传感器(35)测得的值大于预定浓度，则所述控制器(40)将由所述第二燃料气体浓度传感器(35)测得的燃料气体浓度值校正为更高的值，以及其中，如果由所述第二燃料气体浓度传感器(35)测得的值为所述预定浓度或更低，则所述控制器(40)将由所述第二燃料气体浓度传感器(35)测得的燃料气体浓度值校正为更低的值。

32.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，氧化剂流量检测器(31)向所述控制器(40)输出与流向所述氧化剂电极的所述氧化剂气体的量相对应的信号，并且响应于没有氧化剂气体流向所述氧化剂电极，所述控制器(40)终止通过所述电流控制装置(41)的电流提取。

33.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，燃料气体循环系统再循环所述燃料电池堆(1)中剩余的所述燃料气体。

34.一种燃料电池系统，包括燃料电池堆(1)、用于向所述燃料电池堆(1)供应燃料气体的燃料气体供应单元以及用于向所述燃料电池堆(1)供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元，其中，所述燃料电池堆(1)包括均通过将电解质膜置于被供应所述燃料气体的燃料电极与被供应所述氧化剂气体的氧化剂电极之间而形成的多个堆叠电池；所述燃料电池系统的特征在于：

电流提取装置(41)，用于从所述燃料电池堆(1)提取电流；

电压测量装置(30)，用于测量来自所述燃料电池堆(1)的多个不同电池的电压；以及

控制装置(40)，用于仅供应所述燃料气体，以启动所述燃料电池堆(1)，并提取电流，以使所述电压为不劣化所述燃料电池堆(1)的预定值或更低。

35.一种操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池堆(1)、用于向所述燃料电池堆(1)供应燃料气体的燃料气体供应单元以及用于向所述燃料电池堆(1)供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元，其中，所述燃料电池堆(1)包括均通过将电解质膜置于被供应所述燃料气体的燃料电极与被供应所述氧化剂气体的氧化剂电极之间而形成的多个堆叠电池；所述方法的特征在于：

从所述燃料电池堆(1)提取电流；

测量来自所述燃料电池堆(1)的多个不同电池的电压；以及

通过向所述燃料电极供应所述燃料气体而不向所述氧化剂电极供应所述氧化剂气体，启动所述燃料电池堆(1)的操作；

在由电压传感器(30)检测到的最小值变成零伏或更大，随之向所述氧化剂电极供应所述氧化剂气体之后，产生电力。

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