CN101421880A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种在系统从怠速停止状态重新开始正常操作时能够防止性能劣化的燃料电池系统以及控制该燃料电池系统的方法。在从怠速停止状态重新开始燃料气体和氧化剂气体的供应之后的预定时间内，进行废气的排出，并且禁止停止燃料气体和氧化剂气体的供应。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明一般涉及一种燃料电池系统。
发明背景
传统的燃料电池系统通常包括燃料电池以及二次电池。传统的燃料电池系统还具有怠速停止功能，其中，在规定条件下燃料电池停止产生电力，并且仅从二次电池向负载提供电力。如在日本特开2005-26054中所示，当燃料电池在进行了怠速停止功能之后再次开始产生电力时，判断是否存在燃料电池性能的任何劣化(例如，电力产生的响应延迟或电池电压下降)。尽管属于规定条件，但是如果判断为存在性能劣化，则传统的燃料电池系统不进行怠速停止功能(即，使燃料电池停止产生电力)，并且维持燃料电池的电力产生。
发明内容
在此教导的燃料电池系统的一个例子包括燃料电池，其具有燃料电极和氧化剂电极，向所述燃料电极供应燃料气体，并向所述氧化剂电极供应氧化剂气体，所述燃料电池用于通过所供应的所述燃料气体和所述氧化剂气体之间的反应来产生电力。气体排出单元是燃料电池系统的用于排出来自所述燃料电池的所述燃料电极的排出气体的一部分，并且存在用于接收来自所述燃料电池的电力的外部负载。燃料电池系统还包括控制单元，所述控制单元用于：如果在停止供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之后，需要从所述燃料电池向所述外部负载供应所述驱动电力，则重新开始供应所述燃料气体和所述氧化剂气体；以及在重新开始供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之后的预定时间内，即使不再需要从所述燃料电池向所述外部负载供应所述驱动电力，也继续供应所述燃料气体和所述氧化剂气体，并通过所述气体排出单元排出所述排出气体。
在此教导的包括燃料电池和二次电池的燃料电池系统的实施例的另一个例子包括：用于如果不需要从所述燃料电池向外部负载供应驱动电力，则停止向所述燃料电池供应燃料气体和氧化剂气体的部件；用于如果在停止供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之后，需要从所述燃料电池向所述外部负载供应所述驱动电力，则重新开始供应所述燃料气体和所述氧化剂气体的部件；以及用于在重新开始供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之后的预定时间内，即使不再需要从所述燃料电池向所述外部负载供应所述驱动电力，也继续向所述燃料电池供应所述燃料气体和所述氧化剂气体，并从所述燃料电池排出排出气体的部件。
在此还教导一种控制燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池和二次电池。一种这样的方法包括：如果不需要从所述燃料电池向外部负载供应驱动电力，则停止向所述燃料电池供应燃料气体和氧化剂气体；如果在停止供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之后，需要从所述燃料电池向所述外部负载供应所述驱动电力，则重新开始供应所述燃料气体和所述氧化剂气体；以及在重新开始供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之后的预定时间内，即使不再需要从所述燃料电池向所述外部负载供应所述驱动电力，也继续向所述燃料电池供应所述燃料气体和所述氧化剂气体，并从所述燃料电池排出排出气体。
附图说明
这里，参考附图进行说明，其中，在全部几个图中，相同的附图标记表示类似的部分，并且其中：
图1示出根据本发明第一实施例构建的燃料电池系统；
图2示出表示图1中所示的燃料电池系统的操作的时间图，其中：(a)示出燃料电池系统的状态；(b)示出净化阀的开度；(c)示出燃料电极侧的氮的量；并且(d)示出经过气体循环系统循环的氢气的循环速率；
图3A和3B示出通过图1中示出的系统控制装置来计算怠速停止禁止时间的操作，其中，图3A示出计算怠速停止禁止时间的初始值的操作；并且图3B示出校正怠速停止禁止时间的操作；
图4是示出图1中所示的燃料电池系统的操作的流程图；以及
图5是示出根据本发明第二实施例构建的燃料电池系统的操作的时间图，其中：(a)示出燃料电池系统的状态；(b)示出净化阀的开度；(c)示出燃料电极侧的氮的量；并且(d)示出经过气体循环系统循环的氢气的循环速率。
具体实施方式
前面所述的传统燃料电池系统具有如下问题：在怠速停止状态期间，杂质(例如，氮浓度)趋向于从氧化剂电极侧泄漏并且在燃料电极侧累积。根据预定时间间隔或者每当电力产生的累积值达到预定值时，排出杂质。因此，当传统燃料电池系统从怠速停止状态重新开始正常操作时，可能存在性能的劣化。
相反，本发明的实施例提供了一种当系统从怠速停止状态重新开始正常操作时能够防止性能劣化的燃料电池系统。根据一个实施例，提供了这样一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中，在从怠速停止状态重新开始燃料气体和氧化剂气体的供应之后的预定时间内，禁止阳极气体的排出以及燃料气体和氧化剂气体的停止。
根据本发明的实施例，可以在怠速停止状态之后排出从氧化剂电极侧泄漏并累积在燃料电极侧的杂质。此外，可以防止当从怠速停止状态重新开始正常操作时性能的任何劣化。
现在参考附图来说明本发明的特定实施例的细节。
图1示出根据本发明第一实施例构建的燃料电池系统。如在图1中所示，根据第一实施例的燃料电池系统1包括燃料电池10、燃料气体供应系统20、如气体循环系统30等气体循环单元、如气体排出系统40等气体排出单元、氧化剂气体供应系统50、氧化剂气体排出系统60以及冷却液循环系统70。
燃料电池10包括燃料电极11，向该燃料电极11供应燃料气体(例如，氢气)。燃料电池10还包括氧化剂电极12，向该氧化剂电极12供应氧化剂(例如，氧气)(下文中的氧化剂气体)。通过具有这样的电极11和12，燃料电池10能够通过所供应的燃料气体和氧化剂气体的反应来产生电力。将燃料电极11和氧化剂电极12重叠并在它们之间插入电解质膜，从而形成发电电池10。燃料电池10包括以堆结构多层布置的多个发电电池。
燃料气体供应系统20包括氢气容器21、氢气入口管22以及压力控制阀23。氢气容器21蓄积供应到燃料电池10的燃料电极11的氢气。氢气入口管22将氢气容器21与燃料电池10的燃料电极侧的入口相连接，从而将氢气从氢气容器21引导到燃料电池10的燃料电极11。压力控制阀23安装到氢气入口管22，以调节开度，从而控制供应到燃料电池10的燃料电极侧的氢气量。并且，压力控制阀23能够通过调节氢气的供应量来控制燃料电池10的燃料电极侧的压力。
气体循环系统30对从燃料电池10的燃料电极侧排出的气体进行循环。然后，气体循环系统30引导气体再次返回燃料电池10的燃料电极侧。这使得排出的燃料气体不会再用于产生电力。气体循环系统30包括循环管31和气体循环装置32。循环管31的一端连接到燃料电池10的燃料电极侧的出口。循环管31的另一端连接到压力控制阀23与燃料电池10的燃料电极侧的入口之间的氢气入口管22。通过这样的连接，通过循环管31循环从燃料电池10的燃料电极侧排出的废气，并引导该废气再次返回燃料电池10的燃料电极侧。气体循环装置32安装到循环管31。气体循环装置32用作用于循环从燃料电池10的燃料电极侧排出的气体并引导该气体返回燃料电池10的燃料电极侧的动力源。
气体排出系统40将循环管31的一段连接到外部，通过该循环管31，经由气体循环装置32循环的气体到达燃料电池10。气体排出系统40将来自燃料电池10的燃料电极侧的气体排出到外部。气体排出系统40包括形成气体排出流路的气体排出管41以及净化或控制阀42。气体排出管41的一端连接到从气体循环装置32到燃料电池10的循环管31，而气体排出管41的另一端连接到外部。通过这样的连接，能够有效地排出来自燃料电池10的燃料电极侧的气体。净化阀42安装到气体排出管41，以调节气体排出管41的开度，从而控制气体的排出量。
接着说明净化阀42的操作。根据氧化剂电极侧和燃料电极侧之间的分压差以及构成燃料电池10的电解质膜的温度，不用于燃料电池10的电力产生的、存在于氧化剂电极侧的气体(例如，氮气)通过电解质膜从氧化剂电极侧传递到燃料电极侧。气体循环装置32具有最大循环速率值，该值可以基于气体循环装置32的气体循环性能、燃料电池10的压力损耗以及循环管31的压力损耗来导出。然而，如果氮气传递到燃料电极侧，则最大循环速率值降低。因此，可能不能实现根据燃料电池10的电力产生的循环速率。为了解决这个问题，通过调节净化阀42的开度并将氮气从燃料电极侧排出到外部，来防止气体循环装置32的循环速率的降低。
氧化剂气体供应系统50包括压缩器51、空气供应管52、后冷却器53以及加湿器54。压缩器51对要移动到燃料电池10的氧化剂电极12的空气进行压缩。空气供应管52将压缩器51和燃料电池10的氧化剂电极侧的入口相连接。这样，空气供应管52将压缩后的空气从压缩器51引导到燃料电池10的氧化剂电极侧。后冷却器53安装到压缩器51与燃料电池10的氧化剂电极侧的入口之间的空气供应管52。后冷却器53用于将来自压缩器51的压缩后的空气冷却到适合在燃料电池10进行反应的温度。加湿器54安装到后冷却器53与燃料电池10的氧化剂电极侧的入口之间的空气供应管52。加湿器54用来对供应到燃料电池10的冷却的、压缩后的空气进行加湿，以使燃料电池10的电解质膜保持在湿润的状态。
氧化剂气体排出系统60包括氧化剂气体排出管61以及第二压力控制阀62。氧化剂气体排出管61将燃料电池10的氧化剂电极侧与外部相连接。通过这种连接，氧化剂气体排出管61能够将从氧化剂电极侧流出的气体引导到外部。第二压力控制阀62安装到氧化剂气体排出管61，以控制从氧化剂电极侧排出的气体量。并且，加湿器54布置在氧化剂气体排出管61上。因此，从氧化剂电极侧流出的废气经由加湿器54排出到外部。这里，将来自氧化剂电极侧的废气中包含的湿气用于加湿器54对来自压缩器51和后冷却器53的空气的加湿。
冷却液循环系统70用于调节燃料电池10的温度，从而防止燃料电池10的温度过度升高。冷却液循环系统70包括冷却液循环管71、散热器72、散热器风扇73以及泵74。冷却液循环管71是用于使冷却液在冷却液循环系统70中循环的流路。冷却液顺次通过燃料电池10、泵74以及散热器72，然后再次返回到燃料电池10中。散热器72用于使冷却液冷却。散热器风扇73将空气吹向散热器72，从而加速冷却液的冷却。泵74是用于使冷却液在冷却液循环系统70中循环的源。
根据第一实施例的燃料电池系统1还包括多个传感器81至88、电力管理器90、电池100(也称作辅助电源)、作为外部负载的驱动马达110和辅助机械120、以及系统控制装置130。
在传感器81至88中，第一压力传感器81安装到压力控制阀23与燃料电池10的燃料电极侧的入口之间的氢气入口管22。第一压力传感器81检测燃料电池10的燃料电极侧的压力。第二压力传感器82安装到加湿器54与燃料电池10的氧化剂电极侧的入口之间的空气供应管52。第二压力传感器82检测燃料电池10的氧化剂电极侧的压力。
第一温度传感器83安装到压力控制阀23与燃料电池10的燃料电极侧的入口之间的氢气入口管22。第一温度传感器83检测流向燃料电池10的燃料电极侧的气体的温度。第二温度传感器84安装到加湿器54与燃料电池10的燃料电极侧的入口之间的空气供应管52。第二温度传感器84检测流向燃料电池10的氧化剂电极侧的气体的温度。
第三温度传感器85安装到气体排出管41，并检测从燃料电池10的燃料电极侧排出的气体的温度。
第四温度传感器86安装到从燃料电池10流出的冷却水到达泵74所经过的冷却液循环管71的一段。第四温度传感器86检测通过冷却燃料电池10而被加热的冷却水的温度。第五温度传感器87安装到从散热器72流出的冷却水到达燃料电池10所经过的冷却液循环管71的一段。第五温度传感器87检测要移动到燃料电池10以冷却燃料电池10的冷却水的温度。
大气压力传感器88检测燃料电池系统1周围的大气压力。
电力管理器90从燃料电池10提取电力，并将该电力供应到电池100或驱动马达110。为了控制电力提取，电力管理器90用于检测燃料电池10的每个电池的电流或电压，从而判断燃料电池10的总电流或电压。
电池100用于向驱动马达110供应电力，以补偿燃料电池10未供应到驱动马达110的电力。并且，电池100供应驱动在燃料电池系统1产生电力所需的辅助机械120所需的电力。最后，电池100蓄积在燃料电池10中产生的任何剩余电力以及驱动马达110的任何再生电力。
驱动马达110接收来自燃料电池10或电池100的电力，以产生驱动力。辅助机械120一般包括氢气容器21、压力控制阀23、气体循环装置32、压缩器51以及泵74，这些辅助机械通过接收来自燃料电池10或电池100的电力来进行工作。
系统控制装置130用于控制燃料电池系统1的运行状态(各种阀、气体供应及排出、电力提取等)。系统控制装置130接收关于电池100的剩余容量、驱动马达110消耗的电力、电池100要供应的电力、燃料电池10的每个电池的电流和电压、燃料电池10的总电流和电压以及由传感器81到88检测到的值的信息。基于上述输入的信息，系统控制装置130输出用于控制阀23、42和62、压缩器51以及散热器风扇73的控制信号。
如下文所述，系统控制装置或控制器单元130一般由微计算机构成，该微计算机包括中央处理单元(CPU)、输入和输出端口(I/O)、随机存取存储器(RAM)、不失效存储器(KAM)、通用数据总线以及作为用于可执行程序和特定存储值的电子存储介质的只读存储器(ROM)。例如，在此说明的用于接收输入信息以及输出控制信号的系统控制装置130的各部分能够作为可执行程序以软件来实现，或者能够以一个或多个集成电路(IC)的形式通过单独的硬件来整体或部分实现。
系统控制装置130用于将正常电力产生模式(其中仅通过燃料电池10或者通过燃料电池10和电池100两者，向如驱动马达110等负载供应电力)转换成怠速停止模式(其中仅通过电池100向负载供应电力)，反之亦然。如果满足后面将详细说明的燃料电池系统所需要的电力小于预定值的规定条件，则系统控制装置130控制系统以怠速停止模式运行。这使得燃料电池10停止产生电力，并且仅从电池100向负载供应电力。
系统控制装置130包括车辆停止判断部131以及怠速停止判断部132。车辆停止判断部131判断车辆是否停止。如果(1)由汽车速度传感器检测到的值小于预定值、(2)驱动马达110的期望电力消耗小于预定值并且(3)电池100的剩余容量大于预定值，则车辆停止判断部131判断为车辆停止。换句话说，车辆停止判断部131判断为车辆处于可以仅由电池100来补充系统所需要的电力的状态。另一方面，如果上述条件中的任何条件不满足，则车辆停止判断部131判断为车辆没有停止。
如果车辆停止判断部131判断为车辆停止，则怠速停止判断部132判断是否优选为系统进行燃料电池10停止产生电力的怠速停止模式。如果(1)由第一压力传感器81检测到的值小于预定值、(2)由第一温度传感器83检测到的值小于预定值并且(3)燃料电池10中各电池的电压中的最小电压在预定范围内，则怠速停止判断部132判断为优选进行怠速停止模式。另一方面，如果上述三个条件中的任意条件不满足，则怠速停止判断部132判断为不应当进行怠速停止模式。
接着说明燃料电池系统1在怠速停止模式下的控制操作。在怠速停止模式下，系统控制装置130停止压缩器51的操作以及燃料电池10的电力产生。并且，系统控制装置130完全关闭压力控制阀23、净化阀42以及第二压力控制阀62。因此，燃料电池系统1能够在提高燃料效率的同时，限制辅助机械120的电力消耗以及氢气消耗。在怠速停止模式下，由于压力控制阀23、净化阀42以及第二压力控制阀62完全关闭并且停止压缩器51的操作，因此燃料电池10处于密封状态。因此，如果将燃料电池系统1长时间维持在怠速停止模式，则在氧化剂电极侧的氮穿越泄漏到燃料电极侧。在这种情况下，燃料电极侧的氮浓度增大。并且，如果当重新开始电力产生时氮浓度过度增大，则不能实现燃料电池10的期望电力产生。
在本实施例中，系统控制装置130计算怠速停止禁止时间。这样，系统控制装置130能够禁止进行怠速停止模式，直到在重新开始电力产生之后经过了怠速停止禁止时间为止。并且，系统控制装置130将来自燃料电极侧的气体排出，直到经过了怠速停止禁止时间为止。
更具体地，当满足上述三个条件时，停止燃料电池10的电力产生。然后，重新开始燃料电池10的电力产生。尽管在重新开始电力产生之后的怠速停止禁止时间内满足上述三个条件，但系统控制装置130不停止燃料电池10的电力产生。同样，至少在重新开始电力产生之后的怠速停止禁止时间内，系统不进入怠速停止状态。防止紧接在重新开始电力产生之后重复进行正常工作模式和怠速停止模式从而给系统用户带来不适。
并且，在该怠速停止禁止时间内，系统控制装置130通过气体排出系统40来排出气体。因此，可以排出在怠速停止状态下从氧化剂电极侧穿越泄漏并累积在燃料电极侧的氮。这样，能够降低燃料电极侧的氮浓度。如果当系统再次进入怠速停止状态时降低氮浓度，则氮浓度变低。尽管当氮浓度到达预定值时，燃料电池系统取消怠速停止状态，但不是立即解除怠速停止状态。这样，提高了燃料效率。
接着说明根据第一实施例的燃料电池系统1的操作。图2是示出根据第一实施例的燃料电池系统1的操作的时间图。在图2中，(a)示出燃料电池系统1的状态；(b)示出净化阀42的开度；(c)示出燃料电极侧的氮的量；并且(d)示出经过气体循环系统30循环的氢气的循环速率。
如(a)中所示，如果在时间t1满足该三个条件并且怠速停止判断部132判断为优选进行怠速停止模式，则燃料电池系统1进入怠速停止状态。此时，如(b)所示，系统控制装置130完全关闭净化阀42。并且，系统控制装置130停止压缩器51的操作。同时，系统控制装置130完全关闭压力控制阀23以及第二压力控制阀62。这样，从时间t1到时间t2，氧化剂电极侧的空气穿越泄漏到燃料电极侧，并且燃料电极侧的氮的量由此增加(参见(c))。并且，由于从氧化剂电极侧穿越泄漏的空气中所包含的氧与燃料电极侧的氢反应以形成水，因此燃料电极侧的氢的量降低。从而，从时间t1到时间t2，燃料电极侧的氢循环速率降低(参见(d))。(c)中的“氮量的容许上限”指的是为了在燃料电池10中正常进行电力产生，燃料电极侧的氮量不能超过的值。(d)中的“期望氢循环速率”指的是维持燃料电池10中的电力产生所需要的循环速率的最小值。
在时间t2，如果电力产生的期望量增加(例如，通过踩加速器踏板)，则如在(a)中所示，燃料电池系统1将怠速停止模式转换成正常电力产生模式。此时，如(b)中所示，系统控制装置130完全打开净化阀42。净化阀42保持完全打开状态，直到经过了怠速停止禁止时间为止。同时，为了根据来自车辆的需求进行电力产生，系统控制装置130对压缩器51进行控制。当进行正常电力产生模式时，开始计数该怠速停止禁止时间，并且在该怠速停止禁止时间内完全打开净化阀42。因此，从时间t2到时间t3，燃料电极侧的氮的量减少(参见(c))。并且，与氮的量的减少相对应地，燃料电极侧的氢循环速率提高(参见(d))。
特别地，在本实施例中，尽管在怠速停止禁止时间内满足上述三个条件，但系统控制装置130不进行怠速停止模式。因此，至少在怠速停止禁止时间内，不进行模式改变。从而，能够防止模式改变频繁发生，从而最小化系统用户的不适。为了在怠速停止禁止时间内排出燃料电极侧的气体，能够从时间t2到时间t3排出从时间t1到时间t2在怠速停止状态下累积在燃料电极侧的氮。这样，能够降低燃料电极侧的氮浓度。此外，当在时间t3处再次进行怠速停止模式时，为了在怠速停止禁止时间内排出氮，氮浓度应当为低。并且，尽管当氮浓度到达预定值时，燃料电池系统可以取消怠速停止状态，但不是立即停止该怠速停止状态，从而提高了燃料效率。
以与在时间t1和t3处的方式相同的方式来重复时间t3之后的操作状态。由系统控制装置130来计算该怠速停止禁止时间。在从停止到重新开始燃料电池10的电力产生(例如，从时间t1到时间t2)的持续时间缩短时，系统控制装置130缩短怠速停止禁止时间。如果该持续时间缩短，则从氧化剂电极侧穿越泄漏到燃料电极侧的氮的量小。因此，尽管缩短了排出气体的怠速停止禁止时间，但也能够充分地排出氮。
当由气体排出系统40排出的气体的流量(flow rate)提高时，系统控制装置130缩短怠速停止禁止时间。如果所排出的气体的流量提高，则排出在怠速停止状态下从氧化剂电极侧穿越泄漏的大量氮。
特别地，如在示出使用在图1中说明的系统控制装置130来计算怠速停止禁止时间的操作的图3A和3B中所示，系统控制装置130计算怠速停止禁止时间。这里，怠速停止禁止时间的计算包括计算怠速停止禁止时间的初始值以及校正怠速停止禁止时间。图3A示出计算怠速停止禁止时间的初始值的操作，图3B示出校正怠速停止禁止时间的操作。
如图3A所示，系统控制装置130存储怠速停止禁止时间比α。当怠速停止时间持续恒定时间Tc时，时间比α用作对如下时间进行估算的系数：在该时间内，能够通过完全打开净化阀42来排出在恒定时间Tc内累积在燃料电极侧的氮的量。因此，参照附图标记a，当怠速停止时间持续恒定时间Tc时的怠速停止禁止时间的初始值变成值Tc×α。通过仅在时间Tc×α内完全打开净化阀42，可以排出在恒定时间Tc内累积在燃料电极侧的氮的量。后面对该怠速停止禁止时间的初始值进行校正。另外，该初始值是怠速停止禁止时间的基准。因此，在持续时间缩短时，系统控制装置130缩短怠速停止禁止时间。
如在图3B中所示，系统控制装置130对怠速停止禁止时间的初始值进行校正。换句话说，参照附图标记f，系统控制装置130对怠速停止禁止时间的减少时间进行估算，并从怠速停止禁止时间的初始值中减去该减少时间。通过这样，在可以容易地估算出怠速停止禁止时间的同时，能够对怠速停止禁止时间的初始值进行校正。
更具体地，系统控制装置130接收与由第一压力传感器81检测到的压力、由大气压力传感器88检测到的大气压力以及由第一温度传感器83检测到的温度有关的信息。换句话说，通过输入第一压力传感器81的压力信息，将净化阀42上游的压力信息输入到系统控制装置130。通过输入大气压力传感器88的大气压力信息，将净化阀42下游的压力信息输入到系统控制装置130。并且，通过输入第一温度传感器83的温度信息，将燃料气体的温度信息输入到系统控制装置130。
此外，系统控制装置130基于净化阀42上游和下游的压力以及燃料气体的温度，计算每单位时间经由净化阀42排出的气体的排出流量R(参照附图标记b)。这里，系统控制装置130存储所参考的关系图，参考附图标记c，该关系图示出从净化阀42的排出流量R和怠速停止禁止时间的减少时间比β之间的关系。该怠速停止禁止时间的减少时间比β是用于基于从净化阀42的排出流量来估算怠速停止禁止时间的减少时间的系数。当估算出从净化阀42的排出流量R时，系统控制装置130基于该关系图来估算怠速停止禁止时间的减少时间比β。
然后，参照附图标记d，系统控制装置130将控制时间段Tp乘以根据关系图估算出的怠速停止禁止时间的减少时间比β。参照附图标记e，系统控制装置130对估算出的时间Tp×β进行积分，并输出通过在预定时间段内进行积分所估算出的时间，作为怠速停止禁止时间的减少时间Ts。此后，系统控制装置130从前述的怠速停止禁止时间的初始值Tc×α中减去怠速停止禁止时间的减少时间Ts，从而获取怠速停止禁止时间Tc×α-Ts。
如从图3B可以看出，系统控制装置130通过从怠速停止禁止时间的初始值Tc×α中减去怠速停止禁止时间的减少时间Ts，来校正怠速停止禁止时间。基于净化阀42上游的压力、净化阀42下游的压力以及燃料气体的温度来进行这种校正。如果净化阀42上游的压力高，则通过净化阀42排出的气体的流量增大。如果净化阀42下游的压力高，则排出气体的流量降低。如果气体的温度高，则排出气体的流量降低。因此，系统控制装置130通过基于净化阀42上游的压力、净化阀42下游的压力以及燃料气体的温度来进行校正，能够估算精确的怠速停止禁止时间。
系统控制装置130不限于基于上述三个参数，即净化阀42上游的压力、净化阀42下游的压力以及燃料气体的温度，来进行校正。系统控制装置130可以基于该三个参数中的一个或多个参数来进行校正。并且，尽管系统控制装置130基于净化阀42上游的压力、净化阀42下游的压力以及燃料气体的温度来校正怠速停止禁止时间，但显然不限于此。系统控制装置130可被配置为基于氧化剂电极侧的压力(例如，由第二压力传感器82检测到的值)或燃料电池10的主体的温度(例如，由第四和第五温度传感器86和87检测到的值)来进行校正。从氧化剂电极侧穿越泄漏到燃料电极侧的氮的量受氧化剂电极侧的压力以及燃料电池10的主体的温度(例如，电解质的温度)影响。特别地，如果氧化剂电极侧的压力高，则穿越泄漏的氮的量增加。并且，如果电解质膜的温度高，则穿越泄漏的氮的量增加。换句话说，通过基于氧化剂电极侧的压力或者电解质膜的温度来校正怠速停止禁止时间，可以精确地估算怠速停止禁止时间。
图4是示出根据本发明第一实施例的燃料电池系统1的操作的流程图。如在图4中所示，在步骤ST1中，系统控制装置130将0代入怠速停止标志。怠速停止标志表示在当前时刻是否进行怠速停止模式。换句话说，当怠速停止标志为“1”时，这表示燃料电池系统1正在进行怠速停止模式。然而，当怠速停止标志为“0”时，这表示燃料电池系统1正在进行正常电力产生模式。
在步骤ST2中，系统控制装置130计算怠速停止禁止时间。此时，系统控制装置130通过图3B中示出的处理来估算怠速停止禁止时间。当在步骤ST2时通过将怠速停止模式转换成正常电力产生模式来重新开始电力产生时，系统控制装置130在步骤ST2中完全打开净化阀42，并且将净化阀42维持在完全打开状态，直到怠速停止禁止时间变成“0”为止。这样，将在怠速停止状态下累积在燃料电极侧的氮尽可能多地排出到外部。如果怠速停止禁止时间变成“0”，则系统控制装置130控制净化阀42的开度。这样做使得将净化阀42打开到实现正常电力产生所需要的程度。换句话说，系统控制装置130使净化阀42在怠速停止禁止时间内的开度大于净化阀42在经过了怠速停止禁止时间之后的开度。
接着，在步骤ST3中，系统控制装置130的车辆停止判断部131判断车辆是否停止。如果车辆没有停止(即，对ST3的询问的应答为“否”)，则处理进入步骤ST7。然而，如果车辆停止(即，对ST3的询问的应答为“是”)，则在步骤ST4中，怠速停止判断部132判断是否满足三个条件并且是否优选进行怠速停止模式。
如果如对ST4的询问的应答为“否”，不满足三个条件并且不应当进行怠速停止模式，则处理进入步骤ST7。然而，如果如对ST4的询问的应答为“是”，满足三个条件并且优选进行怠速停止模式，则在步骤ST5中，系统控制装置130将“1”代入怠速停止标志。系统控制装置130禁止进行怠速停止模式，直到在重新开始电力产生之后经过了怠速停止禁止时间为止。因此，尽管对步骤ST4的应答为“是”，但只要没有经过怠速停止禁止时间，系统控制装置130就禁止进行怠速停止模式。然后，处理进入步骤ST7。如果在步骤ST5中系统控制装置130进行怠速停止模式，则系统控制装置130完全关闭净化阀42并停止压缩器51的操作。
在步骤ST5中将“1”代入怠速停止标志之后，在步骤ST6中，系统控制装置130估算转换到怠速停止状态之后的持续时间。这样，估算出在怠速停止状态下的持续时间，并将该持续时间用于计算怠速停止禁止时间的初始值。然后，处理返回步骤ST3。
并且，系统控制装置130存储该持续时间的最大值。如果持续时间超过了最大值，则可以控制燃料电池系统1以将怠速停止模式转换成正常电力产生模式。结果，防止氮过多地聚集在燃料电极侧。
在步骤ST7中，系统控制装置130判断怠速停止标志是否为“1”。如果怠速停止标志为“1”(即，对步骤ST7的询问的应答为“是”)，并且由于在步骤ST6中估算了持续时间，则在步骤ST8中，系统控制装置130估算怠速停止禁止时间的初始值，以计算下一怠速停止禁止时间。此时，系统控制装置130通过图3A中示出的处理来估算怠速停止禁止时间的初始值。然后，该处理返回步骤ST1。然而，如果判断为怠速停止标志不是“1”(即，对步骤ST7的询问的应答为“否”)，则系统控制装置130不估算怠速停止禁止时间的初始值。然后，处理进入步骤ST1。
当系统因满足规定条件而处于怠速停止状态，然后取消燃料电池的怠速停止时，尽管在取消怠速停止之后的预定时间内满足规定条件，但系统不进行怠速停止模式。并且，在预定时间内由气体排出部件排出气体。因此，可以排出在怠速停止状态下从氧化剂电极侧穿越泄漏并累积在燃料电极侧的杂质。从而，可以防止当从怠速停止状态重新开始正常操作时的性能的任何劣化。可以将该预定时间设置为用于通过气体排出部件等排出气体来将该杂质的量替换为进行正常操作所需要的氢的量的时间。
当通过满足三个规定条件系统停止燃料电池10的电力产生，然后重新开始燃料电池10的电力产生时，尽管在重新开始电力产生之后的怠速停止禁止时间内满足上述条件，但系统不停止燃料电池10的电力产生。同样，至少在重新开始电力产生之后的怠速停止禁止时间内，系统不进入怠速停止状态。因此，在怠速停止禁止时间内可以防止重复进行正常操作模式和怠速停止模式，这种重复可能引起系统用户的不适。
并且，由于在怠速停止禁止时间内由气体排出系统40来排出气体，因此可以排出在怠速停止状态下从氧化剂电极侧穿越泄漏并累积在燃料电极侧的氮。这样，可以降低在燃料电极侧的氮浓度。然后，当系统再次进入怠速停止状态时，氮浓度为低。尽管当氮浓度到达预定值时燃料电池系统取消怠速停止状态，但不是立即停止该怠速停止状态。
因此，可以降低对系统用户造成的任何不适。此外，能够提高燃料效率。
在持续时间(即，从停止到重新开始燃料电池10的电力产生)缩短时，能够缩短怠速停止禁止时间。如果该持续时间缩短，则由于从氧化剂电极侧穿越泄漏到燃料电极侧的氮的量非常小，因此能够缩短排出气体的怠速停止禁止时间。因此，尽管缩短了怠速停止禁止时间，也能够减少对系统用户造成的任何不适，并且能够提高燃料效率。
当由气体排出系统40排出的气体的流量提高时，将怠速停止禁止时间设置为更短。如果排出气体的流量提高，则由于排出了在怠速停止状态下从氧化剂电极侧穿越泄漏的大量氮，因此能够缩短怠速停止禁止时间。因此，尽管缩短了怠速停止禁止时间，也能够减少对系统用户造成的任何不适，并且能够提高燃料效率。
并且，净化阀42在怠速停止禁止时间内的开度大于净化阀42在经过了怠速停止禁止时间之后的开度。结果，怠速停止禁止时间内的气体排出量大于在经过怠速停止禁止时间之后的正常电力产生中的气体排出量。因此，在能够缩短的怠速停止禁止时间内排出了大量氮。
基于净化阀42上游的压力、净化阀42下游的压力和/或燃料气体的温度来校正该怠速停止禁止时间。气体排出量受净化阀42上游的压力、净化阀42下游的压力以及燃料气体的温度影响。结果，通过基于这些参数中的至少一个来校正怠速停止禁止时间，能够精确地估算怠速停止禁止时间。
还基于燃料电池10的氧化剂电极侧的压力或燃料电池10的主体的温度来校正怠速停止禁止时间。从氧化剂电极侧穿越泄漏到燃料电极侧的氮的量受氧化剂电极侧的压力以及燃料电池10的主体的温度(例如，电解质膜的温度)影响。结果，通过基于这些参数中的至少一个来校正怠速停止禁止时间，能够精确地估算怠速停止禁止时间。
接着说明根据本发明第二实施例的燃料电池系统。根据第二实施例的燃料电池系统2的组件可以与根据第一实施例的燃料电池系统的组件相同。然而，如下所述，各自的操作处理有所不同。
图5是示出根据第二实施例的燃料电池系统2的操作的时间图，其中：(a)示出燃料电池系统2的状态；(b)示出净化阀42的开度；(c)示出燃料电极侧的氮的量；并且(d)示出经过气体循环系统30循环的氢气的循环速率。
如在(a)及(b)中所示，如果在时间T11处满足三个条件，并且燃料电池系统2进入怠速停止状态，则系统控制装置130完全关闭净化阀42。这样，如在(c)中所示，从时间t11到时间t12，在氧化剂电极侧的空气穿越泄漏到燃料电极侧，并且燃料电极侧的氮的量增加。由于已经从氧化剂电极侧穿越泄漏的空气中所包含的氧在燃料电极侧与氢反应以形成水，因此燃料电极侧的氢的量减少。结果，如在(d)中所示，从时间t11到时间t12，燃料电极侧的氢循环速率降低。
根据第二实施例的系统控制装置130估算时间t11处的氢循环速率。并且，系统控制装置130估算时间t11处的氢循环速率与期望氢循环速率之间的差。然后，系统控制装置130根据该差来校正怠速停止禁止时间。特别地，当氢循环速率与期望氢循环速率之间的差增大时，系统控制装置130校正该怠速停止禁止时间以使其变短。
通常，如果燃料电极侧的氮的量增加，则气体循环速率降低。这样，优选为燃料电极侧的氮的量小。相反，只要可以维持燃料电池10的电力产生，氮可以存在于燃料电极侧。换句话说，氢循环速率不应当低于期望氢循环速率。此外，应该缩短怠速停止禁止时间，以不低于期望氢循环速率。因此，当氢循环速率与期望氢循环速率之间的差增大时，根据第二实施例的系统控制装置130缩短怠速停止禁止时间。
并且如上所述，系统控制装置130估算氢循环速率与期望氢循环速率之间的差。然而，系统控制装置130显然不限于此。系统控制装置130可被配置为估算氢循环速率与期望氢循环速率的比。换句话说，只要系统控制装置130可以估算当前氢循环速率相对于期望氢循环速率的余量，系统控制装置130就可用于估算差值、比率或表示余量的其它指标。
在时间t12，如果期望的电力产生量增加(例如，通过踩加速器踏板)，则如在(a)中所示，燃料电池系统2将怠速停止模式转换成正常电力产生模式。系统控制装置130禁止转换成怠速停止模式，直到经过了怠速停止禁止时间为止。
这里，系统控制装置130能够将怠速停止禁止时间内的循环速率设置为高于在经过怠速停止禁止时间之后的正常电力产生中的循环速率。通过增大怠速停止禁止时间内的循环速率来增大相对于期望氢循环速率的余量，可以进一步缩短怠速停止禁止时间。
并且，系统控制装置130能够将怠速停止禁止时间内的燃料电极侧的压力设置为高于在经过怠速停止禁止时间之后的正常电力产生中的燃料电极侧的压力。如果怠速停止禁止时间内的燃料电极侧的压力增加，则燃料电极侧的氢浓度增加。此外，还提高了氢循环速率。结果，增大相对于期望氢循环速率的余量，同时可以进一步缩短怠速停止禁止时间。
上面已经说明了系统控制装置130估算时间t11处的氢循环速率之间的差以及期望氢循环速率对怠速停止禁止时间进行校正。然而，系统控制装置130可被配置为估算时间t12处(即，在转换成正常电力产生模式的时间处)的氢循环速率之间的差，并且期望氢循环速率对怠速停止禁止时间进行校正。
如上所述，与第一实施例的燃料电池系统1类似，第二实施例的燃料电池系统2可以在提高燃料效率的同时降低系统用户的不适。并且，当缩短怠速停止禁止时间时，可以降低系统用户的不适，并同时能够提高燃料效率。通过在怠速停止禁止时间内排出大量氮，可以缩短怠速停止禁止时间。此外，能够精确地估算怠速停止禁止时间。
根据第二实施例的系统控制装置130存储维持燃料电池10的电力产生所需要的循环速率的最小值(期望氢循环速率)。然后，在当前循环速率相对于期望氢循环速率的余量增大时，系统控制装置130能够缩短怠速停止禁止时间。如果氮从氧化剂电极侧穿越泄漏到燃料电极侧，并且燃料电极侧的氮的量增加，则循环速率降低。并且，如果燃料电极侧的氮的量增加，则表明气体循环系统30的循环速率不足，并且不能维持燃料电池10的电力产生性能。相反，只要能够维持燃料电池10的电力产生，氮可以存在于燃料电极侧。换句话说，氢循环速率应当不低于期望氢循环速率。此外，应当缩短怠速停止禁止时间，以不低于期望氢循环速率。因此，在当前循环速率相对于期望氢循环速率的余量增大时，能够缩短怠速停止禁止时间。结果，在缩短怠速停止禁止时间的同时，能够降低系统用户的不适，并且能够提高燃料效率。
此外，将怠速停止禁止时间内的循环速率设置为高于在经过怠速停止禁止时间之后的正常电力产生中的循环速率。通过提高怠速停止禁止时间内的循环速率来提高相对于期望氢循环速率的余量，能够进一步缩短怠速停止禁止时间。
将怠速停止禁止时间内的燃料电极侧的压力设置为高于在经过怠速停止禁止时间之后的正常电力产生中的燃料电极侧的压力。如果怠速停止禁止时间内的燃料电极侧的压力增加，则燃料电极侧的氢浓度也增加。此外，还提高了氢循环速率。结果，增加了相对于期望氢循环速率的余量，并且可以进一步缩短怠速停止禁止时间。
在不背离本发明的精神与实质特征的前提下，本发明可以以各种具体形式来实施。上述实施例无论从哪个方面仅为示例性而非限定性。因此，由所附的权利要求书而不是前述的说明来表示本发明的范围。在权利要求书的等同含义及范围内的所有改变都包括在本发明的范围内。例如，可以配置本发明的实施例使得燃料电池的操作在怠速停止模式中停止。然而，电力产生可能不会完全停止，并且可能产生比驱动车辆所需要的电力的量少的电力。此外，可以通过仅利用该系统的电力产生的期望量判断三个规定条件来实现怠速停止判断。
此外，为了容易理解本发明已经说明了上述实施例，但上述实施例并没有限制本发明。相反，本发明意在涵盖所附权利要求书的范围内包括的各种修改及等同结构，所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含法律所允许的所有这类修改以及等同结构。
相关申请交叉引用
本申请要求2006年3月17日提交的日本专利申请2006-074428的优先权，该申请的内容在此通过引用被整体包括。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，其具有燃料电极和氧化剂电极，向所述燃料电极供应燃料气体，并向所述氧化剂电极供应氧化剂气体，所述燃料电池用于通过所供应的所述燃料气体和所述氧化剂气体之间的反应来产生电力；
气体排出单元，用于排出来自所述燃料电池的所述燃料电极的排出气体；
外部负载，用于接收来自所述燃料电池的电力；以及
控制单元，用于：
如果不需要从所述燃料电池向所述外部负载供应驱动电力，则停止供应所述燃料气体和所述氧化剂气体；
如果在停止供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之后，需要从所述燃料电池向所述外部负载供应所述驱动电力，则重新开始供应所述燃料气体和所述氧化剂气体；以及
在重新开始供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之后的预定时间内，即使不再需要从所述燃料电池向所述外部负载供应所述驱动电力，也继续供应所述燃料气体和所述氧化剂气体，并通过所述气体排出单元排出所述排出气体。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制单元还用于：
随着从停止到重新开始所述燃料电池的电力产生的持续时间缩短，缩短所述预定时间。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
循环单元，用于循环来自所述燃料电极的所述排出气体，并引导所述排出气体返回所述燃料电极，其中，所述控制单元还用于：
存储维持所述燃料电池的电力产生所需的所述循环单元的循环速率的最小值；以及
随着所述循环单元的当前循环速率相对于所述最小值的余量增大，缩短所述预定时间。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述循环单元被配置为所述循环单元在所述预定时间内的第一循环速率高于经过所述预定时间之后的正常电力产生中的第二循环速率。
5.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制单元还用于：
将所述燃料电极在所述预定时间内的第一压力控制为高于所述燃料电极在经过所述预定时间之后的正常电力产生中的第二压力。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制单元还用于：
随着由所述气体排出单元排出的所述排出气体的流量增大，缩短所述预定时间。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述气体排出单元包括：
气体排出管，用于排出来自所述燃料电池的所述燃料电极的所述排出气体；以及
控制阀，其安装到所述气体排出管，以调节开度；其中，所述控制阀在所述预定时间内的第一开度大于所述控制阀在经过所述预定时间之后的第二开度。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制单元还用于：
基于所述控制阀上游的压力、所述控制阀下游的压力和所述燃料气体的温度至少之一，来校正所述预定时间。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制单元还用于：
基于所述燃料电池的氧化剂电极侧的压力和所述燃料电池的主体的温度至少之一，来校正所述预定时间。
10.一种包括燃料电池和二次电池的燃料电池系统，包括：
用于如果不需要从所述燃料电池向外部负载供应驱动电力，则停止向所述燃料电池供应燃料气体和氧化剂气体的部件；
用于如果在停止供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之后，需要从所述燃料电池向所述外部负载供应所述驱动电力，则重新开始供应所述燃料气体和所述氧化剂气体的部件；以及
用于在重新开始供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之后的预定时间内，即使不再需要从所述燃料电池向所述外部负载供应所述驱动电力，也继续向所述燃料电池供应所述燃料气体和所述氧化剂气体，并从所述燃料电池排出排出气体的部件。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
用于控制所述排出气体的循环速率，使得所述预定时间内的第一循环速率高于经过所述预定时间之后的正常电力产生中的第二循环速率的部件。
12.一种控制燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池和二次电池，所述方法包括：
如果不需要从所述燃料电池向外部负载供应驱动电力，则停止向所述燃料电池供应燃料气体和氧化剂气体；
如果在停止供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之后，需要从所述燃料电池向所述外部负载供应所述驱动电力，则重新开始供应所述燃料气体和所述氧化剂气体；以及
在重新开始供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之后的预定时间内，即使不再需要从所述燃料电池向所述外部负载供应所述驱动电力，也继续向所述燃料电池供应所述燃料气体和所述氧化剂气体，并从所述燃料电池排出排出气体。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
至少部分基于在停止和重新开始向所述燃料电池供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之间经过的时间，来计算所述预定时间；以及
随着在停止和重新开始向所述燃料电池供应所述燃料气体和所述氧化剂气体之间经过的时间减少，缩短所述预定时间。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
循环来自所述燃料电池的所述排出气体，并使所述排出气体返回所述燃料电池；
至少部分基于当前循环速率和最小循环速率之间的差，来计算所述预定时间；以及
随着所述当前循环速率相对于所述最小循环速率的余量增大，缩短所述预定时间。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述预定时间内以第一循环速率循环来自所述燃料电池的所述排出气体，并使所述排出气体返回所述燃料电池，所述方法还包括：
当经过所述预定时间时将循环速率改变为第二循环速率，所述第二循环速率高于所述第一循环速率。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述预定时间内将所述燃料气体的压力控制为第一压力；以及
在经过所述预定时间之后将所述燃料气体的压力控制为第二压力；其中，所述第一压力高于所述第二压力。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
至少部分基于所述排出气体的流量，来计算所述预定时间；以及
随着所述排出气体的流量增大，缩短所述预定时间。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述燃料电池系统包括位于所述排出气体的路径中的控制阀，所述方法还包括：
通过所述控制阀的开度来控制所述排出气体的流量，其中，在所述预定时间内发生第一开度，并当经过所述预定时间时发生第二开度，所述第一开度大于所述第二开度。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
至少部分基于所述控制阀上游的压力、所述控制阀下游的压力和所述燃料气体的温度至少之一，来计算所述预定时间。
20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
至少部分基于所述燃料电池处的所述氧化剂气体的压力和所述燃料电池的主体的温度至少之一，来计算所述预定时间。
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