CN101692498A - 阳极气体产生量估算装置及阳极气体产生量估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阳极气体产生量估算装置及阳极气体产生量估算方法。具体地，公开了一种即使燃料电池在低发电效率状态下运行的情况下，也能够充分降低排出的氢浓度的燃料电池系统等。在氧化气体供给路径(11)与阴极废气通道(12)之间布置有旁通阀(B1)。在供给到阴极的氧化气体不足的状态下，在阴极废气中含有泵送氢。因此，调节旁通阀(B1)的阀开度，并调节旁通空气的流率，以控制排出的氢浓度。

Description

阳极气体产生量估算装置及阳极气体产生量估算方法

本申请是申请日是2006年10月20日、国家申请号为200680039171.9且发明名称为“燃料电池系统、阳极气体产生量估算装置及阳极气体产生量估算方法”的进入中国国家阶段的PCT发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及燃料电池系统及用于估算在燃料电池阴极内产生的阳极气体量的技术。

背景技术

安装在燃料电池汽车等上的燃料电池利用燃料气体和氧化气体产生电力，其中所述燃料气体包括供给到阳极的氢，所述氧化气体包括供给到阴极的氧。从燃料电池排出的氢废气与氧气废气混合在一起并得到稀释，以降低氢浓度的状态从汽车排出。为排出这种氢废气，需要充分地稀释该气体，使得不排出高浓度的氢(参见，如专利文献1)。

此外，为充分地稀释气体以便不排出高浓度的氢，需要高度精确地检测氢废气的浓度。作为检测这种氢废气浓度的方法，设计了一种在阴极废气通道内安装氢传感器，并使用氢传感器检测从阴极侧排出的氢废气浓度的方法，其中氧气废气通过所述阴极废气通道循环(参见专利文献2)。

[专利文献1]国际专利申请公告No.2003-504807

[专利文献2]日本专利申请特开No.2003-294676

发明内容

但是，在燃料电池运行于低发电效率的状态的情况下，氢不只从阳极排出，氢(主要为泵送氢)还从阴极排出，并且有时候从系统排出超过规定范围的氢。

此外，上面传统的氢废气浓度检测方法具有在氢废气达到氢传感器之前无法检测该浓度且检测需要大量时间的问题。

考虑到上述情况，已经研制了本发明，其目的是提供一种即使燃料电池运行于低发电效率状态下也能够充分降低排出的氢浓度的燃料电池系统。另外，本发明的目的是提供一种能够快速准确地获得从阴极侧排出的氢废气浓度的技术。

为解决上述问题，根据本发明的燃料电池系统是一种燃料电池系统，所述燃料电池系统选择性地执行具有第一效率的运行和具有第二效率的运行(下文中称为低效率运行)，所述第二效率低于所述第一效率，其特征在于所述燃料电池系统包括：调节装置，用于根据从所述燃料电池的阴极排出的气体中包含的阳极气体的气体量来调节从阴极排出的气体的稀释量。

这里，在上面的结构中，其优选结构在于，从所述阴极排出的气体中包含的所述阳极气体为在所述低效率运行期间在所述燃料电池的所述阴极中产生的氢气，所述系统还包括：旁通通道，所述旁通通道允许流过所述燃料电池的气体供给路径的阴极气体的一部分绕过所述燃料电池，并将所述部分引入排出通道；并且所述调节装置包括旁通阀，所述旁通阀根据从所述燃料电池的所述阴极排出的气体中包含的氢气的气体量来控制旁通的所述阴极气体的气体量。

此外，在上面的结构中，其优选结构在于，所述调节装置控制旁通的所述阴极气体的所述气体量，使得从所述系统排出的氢的排出浓度不大于基准值。

另外，在上面的结构中，其优选结构在于，供给到所述燃料电池的所述阴极的所述阴极气体为包含氧的氧化气体，并且所述系统还包括：氧化气体供给源，所述氧化气体供给源根据给定的指令排出所述氧化气体；和控制装置，用于基于所述燃料电池的发电所需的氧化气体量和允许绕过所述燃料电池的氧化气体量来控制由所述氧化气体供给源排出的氧化气体量。

另外，在上面的结构中，其优选结构在于，所述控制装置包括压力调节阀，所述压力调节阀控制从所述氧化气体供给源供给到所述燃料电池的所述阴极的氧化气体的气体量，并且在所述低效率运行期间，在所述燃料电池的所述阴极中产生的氢气量不大于所述基准值的情况下，所述调节装置完全关闭所述旁通阀，而所述控制装置根据所述燃料电池的发电所需的氧化气体量来在将所述压力调节阀的开度保持恒定的同时控制排出的氧化气体量。

此外，在上面的结构中，其优选结构在于，其中所述氧化气体供给源为空气压缩机，并且所述控制装置根据所述燃料电池的发电所需的氧化气体量来在将所述压力调节阀保持全开的同时控制排出的氧化气体量。

另外，在上面的结构中，其优选结构在于，还包括估算装置，用于估算在所述低效率运行期间在所述燃料电池的所述阴极中产生的氢气的气体量。

另外，在上面的结构中，其优选结构在于，所述估算装置基于所述燃料电池的输出电流、所述燃料电池的空气化学计量比和所述燃料电池的温度来估算氢的量。

此外，根据本发明的氢产生量的估算方法是在低效率运行期间燃料电池的阴极中产生的氢气的气体量的估算方法，包括：第一估算步骤，所述第一估算步骤基于所述燃料电池的输出电压和输出电流来估算所述燃料电池的空气化学计量比；和第二估算步骤，所述第二估算步骤基于所述燃料电池的所述输出电流、所述空气化学计量比和温度来估算在所述燃料电池的所述阴极中产生的氢气的气体量。

另外，根据本发明的阳极气体产生量估算器件是一种阳极气体产生量估算器件，所述阳极气体产生量估算器件估算在燃料电池的阴极中产生的阳极气体量，其特征在于包括：运行控制装置，用于在满足预定条件的情况下将所述燃料电池运行于低效率运行点，所述低效率运行点具有比通常运行点的电力损失大的电力损失；以及估算装置，用于在所述燃料电池运行于所述低效率运行点的情况下基于所述燃料电池的发电特性来估算在所述阴极中产生的阳极气体量。

这里，在上面的结构中，其优选结构在于，所述估算装置考虑在所述燃料电池的阴极侧剩余的未反应阴极气体的剩余量和构成所述燃料电池的单电池的压力损失的波动中的至少之一连同所述燃料电池的发电特性及供给到所述燃料电池的阴极气体量来估算阳极气体产生量。

此外，在上面的结构中，其优选结构在于，所述估算装置既考虑所述未反应阴极气体的剩余量又考虑所述单电池的压力损失的波动来估算所述阳极气体产生量。

另外，在上面的结构中，其优选结构还包括电压监测器，所述电压监测器检测所述燃料电池的输出电压，并且所述估算装置基于由所述电压监测器检测到的所述输出电压来估算所述阴极中产生的阳极气体量。

另外，在上面的结构中，其优选结构在于，所述电压监测器检测每个单电池的电池电压，所述估算装置包括指示在基准电池的电池电压与所述阳极气体产生量之间的关系的基准函数；并且所述估算装置通过使用由所述电压监测器检测到的每个单电池的电池电压和所述基准函数来估算在所述阴极中产生的所述阳极气体量。

此外，在上面的结构中，其优选结构在于，在需要预热所述燃料电池的情况下或者在需要恢复所述燃料电池的催化剂活性的情况下，所述运行控制装置将所述燃料电池运行于所述低效率运行点。

另外，在上面的结构中，其优选结构在于，在所述阴极中产生的所述阳极气体为氢。

另外，根据本发明的阳极气体产生量的估算方法是在燃料电池的阴极中产生的阳极气体量的估算方法，包括：运行控制步骤，所述运行控制步骤在满足预定条件的情况下将所述燃料电池运行于低效率运行点，所述低效率运行点具有比通常运行点的电力损失大的电力损失；以及估算步骤，所述估算步骤在所述燃料电池运行于所述低效率运行点的情况下基于所述燃料电池的发电特性估算在所述阴极中产生的阳极气体量。

这里，在上面的结构中，其优选结构为，所述估算步骤考虑在所述燃料电池的阴极侧剩余的未反应阴极气体的剩余量和构成所述燃料电池的单电池的压力损失的波动中的至少之一连同所述燃料电池的发电特性及供给到所述燃料电池的阴极气体量来估算阳极气体产生量。

此外，在上面的结构中，其优选结构为，所述估算步骤基于由电压监测器检测到的所述燃料电池的输出电压来估算所述阴极中产生的所述阳极气体量。

如上所述，根据本发明，即使是在燃料电池运行在低发电效率的状态的情况下，也能充分地降低排出的氢浓度。根据本发明，可快速准确地获得从阴极侧排出的氢废气等的浓度。

附图说明

图1为示出根据第一实施例的燃料电池系统的结构的图；

图2为示出根据实施例的FC电流与FC电压之间关系的图；

图3A为示出根据实施例的通常运行期间的单电池反应的图；

图3B为示出根据实施例的低效率运行期间的单电池反应的图；

图4为示出根据实施例的低效率运行期间的运行的流程图；

图5为示出根据第二实施例的燃料电池系统的结构的图；

图6A为示出根据实施例的通常运行期间输出电力与电力损失之间关系的图；

图6B为示出根据实施例的低效率运行期间输出电力与电力损失之间关系的图；

图7A为示出根据实施例的通常运行期间的单电池反应的图；

图7B为示出根据实施例的低效率运行期间的单电池反应的图；

图8为示出根据实施例的空气化学计量比和产生的泵送氢的量之间关系的图；

图9为示出根据第三实施例的燃料电池周围结构的图；

图10为根据实施例的基准函数的示意图；

图11为示出根据实施例的空气流率调节图的图；

图12为示出根据第四实施例的燃料电池周围结构的图；

图13为示出根据实施例的运行的流程图；

图14为根据实施例的各运行点的示意图；以及

图15为示出根据实施例的低效率预运行的运行的流程图。

具体实施方式

在下文中，参考附图，对根据本发明的实施例进行描述。

A.第一实施例

图1为示出根据本实施例的燃料电池系统100的主要部分的结构的图。在本实施例中，假定燃料电池系统安装在车辆上，如燃料电池汽车(FCHV)、电动车或混合动力车上，但是该系统不只可应用于车辆上，还可应用于各种运动物体(例如，轮船、飞机、机器人等)和固定动力源上。

燃料电池系统100包括燃料气体循环供给系统和氧化气体供给系统。

燃料气体循环供给系统包括燃料气体供给源30、燃料气体供给路径21、燃料电池40、燃料气体循环路径22和阳极废气通道23，氧化气体供给系统包括空气压缩机60、氧化气体供给路径11和阴极废气通道12。

燃料电池40为用于从供给的反应气体(燃料气体和氧化气体)发电的装置，并具有将多个单电池连续堆叠在一起的堆结构，其中单电池包括MEA(膜/电极复合材料)等。具体地，可使用各种类型的燃料电池，例如固态聚合物型、磷酸型和溶解碳酸盐型。

燃料气体供给源30为用于向燃料电池40供给诸如氢气的燃料气体的装置，包括如高压氢罐、氢存储罐等。燃料气体供给路径21为气体通道，其将从燃料气体供给源30排出的燃料气体引入燃料电池40的阳极，并且该气体通道设有阀，如从上游到下游设有罐阀H1、氢供给阀H2和FC入口阀H3。罐阀H1、氢供给阀H2和FC入口阀H3为用于供给(或切断供给)燃料气体到气体通道21至23或燃料电池40的截止阀，且该阀包括例如电磁阀。

燃料气体循环路径22为用于将未反应的燃料气体返回到燃料电池40的回流气体通道，该气体通道从上游到下游分别设有FC出口阀H4、氢泵50和止回阀51。从燃料电池40排出的低压未反应燃料气体由氢泵50适当地增压，并引入燃料气体供给路径21。应当注意，止回阀51抑制了燃料气体从燃料气体供给路径21逆流至燃料气体循环路径22。

阳极废气通道23为用于将从燃料电池40排出的包括氢废气的阳极废气排到系统外部的气体通道，该气体通道设有放气阀H5。

空气压缩机60将从外界空气获取的氧气(氧化气体)通过空气滤清器(未示出)供给到燃料电池40的阴极。阴极废气从燃料电池40的阴极排出。除了经受燃料电池40的单电池反应的氧气废气(将在后面详细描述)之外，阴极废气还包括在阴极侧等产生的泵送氢。由于该阴极废气包括由燃料电池40的燃料反应产生的水分，所以使该气体达到高湿状态。

增湿模块70在流过氧化气体供给路径11的低湿氧化气体与流过阴极废气通道12的高湿阴极废气之间进行水分交换，以适当地增湿供给到燃料电池40的氧化气体。供给到燃料电池40的氧化气体的背压由布置在阴极废气通道12的阴极出口附近的空气压力调节阀A1调节。

这里，从空气压缩机60延伸到增湿模块70的氧化气体供给路径11经由旁通阀B1连接到从增湿模块70延伸至稀释单元80的阴极废气通道12。旁通阀B1和旁通通道31为用于允许流过氧化气体供给路径11的氧化气体的一部分绕过燃料电池40并将该部分引入阴极废气通道12的装置，且绕过的氧化气体量由控制单元(调节装置)160调节。应当注意，在下面的描述中，绕过的氧化气体称为旁通空气。

稀释单元80稀释气体，使得排出的氢气气体浓度落入预定浓度范围内(基于环境标准等确定的范围)。该稀释单元80将阴极废气通道12的下游侧与阴极废气通道23的下游侧连通，并混合和稀释氢废气、泵送氢、氧气废气和旁通空气，以便将该气体从系统排出。

燃料电池40中产生的直流电力的一部分的电压通过直流/直流转换器130升高和降低，以给电池140充电。

电池140为可充放电的二次电池，包括各种形式的二次电池(例如，镍氢电池等)。当然，除了二次电池之外，还可使用可充放电的电力存储单元来替代电池140，例如电容。

牵引逆变器110和辅助机械逆变器120为脉冲宽度调制系统的PWM逆变器，其根据给定的控制指令，将从燃料电池40或电池140输出的直流电力转换为三相交流电力，以将该电力供应到牵引电机M3和辅助机械电机M4。

牵引电机M3为驱动车轮150L、150R的电机，辅助机械电机M4为驱动各种辅助机械的电机。应当注意，辅助机械电机M4通常指的是驱动氢气循环泵50的电机M1、驱动空气压缩机60的电机M2等。

控制单元(调节装置)160包括CPU、ROM、RAM等，其在中央基于输入传感器信号控制系统的各部分。具体地，该单元基于从检测加速踏板开度的加速踏板传感器s1、检测电池140的充电状态(SOC)的SOC传感器s2、检测牵引电机M3的转数的T/C电机转数检测传感器s3、以及分别检测燃料电池40的输出电压、输出电流和内部温度的电压传感器s4、电流传感器s5、温度传感器s6等输出的信号来控制逆变器110、120的输出脉冲宽度等。

此外，在低温等情况下起动期间，当燃料电池40需要预热时，控制单元160使用存储在存储器170内的图mp1至mp5，执行低发电效率的运行。

图2为示出燃料电池的输出电流(FC电流)与输出电压(FC电压)之间关系的示意图。执行高发电效率运行(通常运行；具有第一效率的运行)的情形由实线示出，降低氧化气体量以执行低发电效率运行(低效率运行；具有低于第一效率的第二效率的运行)的情形由虚线示出。应当注意，横坐标表示FC电流，纵坐标表示FC电压。

通常，当燃料电池40运行时，燃料电池40运行于空气化学计量比设定为1.0或更高(理论值)的状态，以抑制电力损失，并获得高发电效率(见图2的实线部分)。这里，空气化学计量比为实际空气供给量相对于产生FC电流所需理论空气供给量的过量比。

另一方面，当燃料电池40预热时，燃料电池40运行于空气化学计量比设定为大致1.0(理论值)的状态，以增加电力损失，并提高燃料电池40的温度(见图2的虚线部分)。当空气化学计量比设定为低来运行燃料电池时，与通过氢与氧之间的反应所获取的能量相关，正向增加补偿电力损失(即，热损失)的能量。因此，可迅速预热电池。另一方面，在阴极产生泵送氢。

图3为泵送氢产生机构的示意图，图3A为示出通常运行期间的单电池反应的图，图3B为示出低效率运行期间的单电池反应的图。

每个单电池4都包括电解质膜4a以及夹着该电解质膜4a的阳极电极和阴极电极。向阳极供给包括氢气(H₂)的燃料气体，向阴极供给包括氧气(O₂)的氧化气体。当向阳极供给燃料气体时，发生下面化学式(A)的反应，氢气分离为氢离子和电子。阳极产生的氢离子渗透过电解质膜4a，移到阴极，而电子从阳极经过外部电路，移到阴极。

这里，当向阴极供给充足的氧化气体时(空气化学计量比≥1.0)，发生下面化学式(B)的反应，从氧气、氢离子和电子产生水(见图3A)。另一方面，当向阴极供给的氧化气体不充足时(空气化学计量比＜1.0)，发生与缺少氧化气体量相一致的下面化学式(C)的反应，并且氢离子再次结合到电子上形成氢气(见图3)。产生的氢气与氧气废气一起从阴极排出。应当注意，在阴极通过将分离的氢原子与电子彼此再次结合而产生的氢，即在阴极产生的阳极气体称为泵送氢。

阳极：H₂→2H⁺+2e^-…(A)

阴极：2H⁺+2e^-+(1/2)O₂→H₂O…(B)

阴极：2H⁺+2e^-→H₂…(C)

在供给到阴极的氧化气体以这样的方式而不足的情况下，阴极废气中含有泵送氢。因此，在本实施例中，根据阴极废气中含有的泵送氢的量来调节旁通空气的流率，以控制排出的氢浓度。在下文中描述低效率运行期间燃料电池系统100的运行。

图4为示出低效率运行期间燃料电池系统的运行的流程图。

在根据预热温度等(见图2)将低效率运行点(It，Vt)确定为目标之后，控制单元160引用存储在存储器170内的低效率运行化学计量比图mp1。低效率运行化学计量比图mp1从FC电流指令值It和FC电压指令值Vt确定空气化学计量比，并基于通过实验等获得的值来准备。控制单元160通过使用确定的FC电压指令值It、FC电压指令值Vt和低效率运行化学计量比图mp1来确定运行点的空气化学计量比Ra(步骤S1)。

当确定空气化学计量比Ra时，控制单元160引用存储在存储器170内的泵送氢量的图mp2和排出氢量的图mp3。参考泵送氢量的图mp2，从FC电压指令值It、确定的空气化学计量比Ra和由温度传感器s6检测的燃料电池40的温度来估算产生的泵送氢的量(泵送氢量)，并基于通过实验等获得的值来准备。排出氢量的图mp3为用于从FC电流估算包括氢废气的阳极废气排出量(排出氢量)的图。

控制单元160通过使用确定的FC电流指令值It、空气化学计量比Ra、燃料电池40的温度和泵送氢量的图mp2来估算泵送氢量Ap1。另一方面，通过使用确定的FC电流指令值It和排出氢量的图mp3来估算排出氢量Ap2，且推导出低效率运行点(It，Vt)的总排出氢量At作为目标(步骤S2；见下面的公式(1))。

At＝Ap1+Ap2…(1)

在获得总排出氢量At后，控制单元160得到将排出氢浓度设定为不高于基准值所需的FC空气流率、空气扫气量指令值和旁通空气流率(步骤S3)。具体地，使用下面的公式(2)获得燃料电池40所需的空气流率(所需的FC空气流率)An。

An＝It*{400*22.4*60/(4*96485)}*100/21…(2)

然后，控制单元160使用下面的公式(3)获得燃料电池40消耗的空气流率(FC消耗的空气流率)Ac，并获得用于稀释气体所需的空气流率(总空气流率)Ad，以便使用下面的公式(4)将排出氢浓度设定为不高于基准值。

Ac＝It*400*22.4*60/(4*96485)…(3)；及

At＝(At*100/Dt)+Ac…(4)

其中，Dt为排出氢的目标浓度(％)。

另外，控制单元(调节装置)160将通过将最小旁通空气流率Abl加上FC所需空气流率An所得的值与总空气流率Ad相比较，并且该单元将较大的值设定为空气压缩机60的送气量指令值Asp(见下面的公式(5))。此外，将设定的送气量指令值Asp和FC所需空气流率An代入下面的公式(6)，以获得旁通空气流率Abp。应当注意，最小旁通空气流率Abl表示低效率运行期间通过旁通通道31的空气的流率最小值。

Asp＝MAX{(An+Abl)，(Ad)}…(5)；及

Abp＝Asp-An…(6)

在获得了FC所需空气流率An和旁通空气流率Abp之后，控制单元160引用空气压力调节阀开度图mp4和旁通阀开度图mp5。空气压力调节阀开度图mp4为用于从FC所需空气流率An和旁通空气流率Abp确定空气压力调节阀A1的阀开度的图，旁通阀开度图mp5为用于从FC所需空气流率An和旁通空气流率Abp确定旁通阀B1的阀开度的图。

控制单元160使用FC所需空气流率An、旁通空气流率Abp、空气压力调节阀开度图mp4和旁通阀开度图mp5来确定空气压力调节阀A1和旁通阀B 1的阀开度(步骤S4)。此时，使用从由电流计s5检测的FC电流测量值与目标值之间的偏差产生的PID修正项来修正空气压力调节阀A1的阀开度。

另外，在控制根据设定的送气量指令值As的空气压缩机60的驱动后(步骤S5)，控制单元160前进到步骤S6，以判断是否结束低效率运行(即，是否结束燃料电池40的预热运行)。这里，当燃料电池40的温度超过预定基准温度时，结束低效率运行。当温度不高于基准温度时，控制单元返回至步骤S1，继续上面的过程。当然，本发明不限于该实施例。控制单元可基于产生的热量、低效率运行的时间等来判断是否结束低效率运行。

如上所述，根据本实施例，不只考虑从阳极排出的排出氢的量，还考虑从阴极排出的泵送氢的量来确定旁通空气流率等。因此，即使是在执行低效率运行时，也可充分地降低排出氢浓度，还可预先防止从系统排出超出规定范围的氢的问题。

<变型>

(1)在本实施例中，已经描述了从处于供给到阴极的氧化气体缺乏的状态下的燃料电池发电的情形，但是可替代地(或者另外地)，也可从处于供给到阳极的燃料气体缺乏的状态下的燃料电池发电。

(2)此外，在本实施例中，示出了作为稀释气体供给到阴极的氧化气体，但是除氢气气体以外，还可使用任何其它气体。

(3)另外，在本实施例中，允许稀释气体(氧化气体)流过气体供给路径的部分绕过燃料电池，并进入排气通道，以降低排出的氢浓度。但是，例如，可单独地布置稀释气体供给装置，并且稀释气体可从该气体供给装置输入排气通道以降低排出的氢浓度。

(4)另外，在本实施例中，已经示出了起动系统期间执行低效率运行的情形，但是，也可在例如系统所需电力不超过预定值的情形下和给出停止系统指令的情形下执行低效率运行。

B.第二实施例

图5为示出根据第二实施例的燃料电池系统1000的主要部分的结构的图。与上述第一实施例的方式相同，在第二实施例中，也假定燃料电池系统安装在车辆上，如燃料电池汽车(FCHV)、电动车或混合动力车上，但是该系统不只可应用于车辆上，还可应用于各种运动物体(例如，轮船、飞机、机器人等)和固定动力源上。

燃料电池400为用于从供给的反应气体(燃料气体和氧化气体)发电的装置，并具有将多个单电池连续堆叠在一起的堆结构，其中单电池包括MEA(膜/电极复合材料)等。具体地，可使用各种类型的燃料电池，例如固态聚合物型、磷酸型和溶解碳酸盐型。从诸如高压氢罐、氢存储罐或氢改质单元的燃料气体供给源1100向燃料电池400的燃料极(阳极)供给包括氢的燃料气体，而由空气压缩机700向氧极(阴极)供给包括空气的氧化气体。

电池200为可充放电的二次电池，包括任何形式的二次电池(例如，镍氢电池等)。当然，除了二次电池之外，还可使用可充放电的电力存储单元来替代电池200，例如可使用电容。该电池200通过直流/直流转换器300插在燃料电池400的放电路径之间。

燃料电池400和电池200与逆变器500a、500b并联。从燃料电池400延伸至逆变器500a、500b的路径上设有防止电池200的电流逆流的二极管420。

逆变器500a、50b0为脉冲宽度调制系统的PWM逆变器，其根据给定的控制指令，将从燃料电池400或电池200输出的直流电力转换为三相交流电力，以将该电力供应到电机600a、600b。

空气压缩机电机600a为调节空气压缩机700供给的氧化气体量的电机，牵引电机600b为驱动车轮800L、800R的电机。应当注意，另外，还布置有驱动各种辅助机械(氢气泵等)的电机、逆变器等。

控制单元(运行控制装置、估算装置)1500包括CPU、ROM、RAM等，其在中央基于输入传感器信号控制系统的各部分。具体地，该单元基于从检测加速踏板开度的加速踏板传感器1550、检测电池200的充电状态(SOC)的SOC传感器210、检测牵引电机600b的转数的T/C电机转数检测传感器610b等输出的传感器信号来控制逆变器500a、500b的输出脉冲宽度等。

此外，控制单元1500基于温度传感器410检测的燃料电池400的温度判定是否需要预热运行。当判断需要预热运行时，控制单元1500减少供给到阴极的氧化气体，以执行低发电效率操作。

图6A为示出执行高发电效率运行(通常运行)时，输出电力与电力损失之间关系图，图6B为示出执行低发电效率运行(低效率运行)时，输出电力与电力损失之间关系的图。应当注意，横轴表示FC电流，纵横表示FC电压，开环电压(OCV)表示电压处于没有任何电流通过燃料电池400的状态。

通常，在获得如图6所示的电流和电压特性(下文中称为IV特性)的燃料电池400中，控制单元1500在相对于输出电力具有小电力损失的通常运行点(Ifc1，Vfc1)执行运行(见图6A)。

另一方面，当执行预热操作时，控制单元(运行控制装置)1500在具有大电力损失的低效率运行点(Ifc2，Vfc2)执行运行，且升高燃料电池400的内部温度(见图6B)。在执行这种低效率运行的过程中，与通过氢与氧之间的反应所获取的能量相关，正向增加补偿电力损失(即，热损失)的能量。因此，可迅速预热电池。

下面详细描述低效率运行的控制。控制单元1500使用直流/直流转换器300控制FC电压，并减少供给到燃料电池400的氧化气体量，以控制FC电流。当以这种方式来减少供给的氧化气体量时，在燃料电池400的阴极中产生泵送氢(后面描述)。在下文中描述泵送氢的产生机构。

图7为示出组成燃料电池400的单电池400a的示意图。

每个单电池400a都包括电解质膜400b以及夹着该电解质膜400b的阳极电极和阴极电极。向阳极供给包括氢气(H₂)的燃料气体，向阴极供给包括氧气(O₂)的氧化气体。当向阳极供给燃料气体时，发生下面化学式(11)的反应，氢气分离为氢离子和电子。阳极产生的氢离子渗透过电解质膜400b，移到阴极，而电子从阳极经过外部电路，移到阴极。

这里，当向阴极供给充足的氧化气体时，发生下面化学式(12)的反应，从氧气、氢离子和电子产生水(见图7A)。另一方面，当向阴极供给的氧化气体不充足时，发生与缺少氧化气体量相一致的下面化学式(13)的反应，并且氢离子再次结合到电子上形成氢气(见图7B)。产生的氢气与氧气废气一起从阴极排出。在阴极通过将分离的氢原子与电子彼此再次结合而产生的氢气，即在阴极产生的阳极气体称为泵送氢。

阳极：H₂→2H⁺+2e^-…(11)；

阴极：2H⁺+2e^-+(1/2)O₂→H₂O…(12)；及

阴极：2H⁺+2e^-→H₂…(13)。

图8为示出空气化学计量比与燃料电池中产生的泵送氢的量之间关系的图(单点划线：理论值；实线：实际测量值)。纵坐标表示产生的泵送氢的量，横坐标表示空气化学计量比。这里，空气化学计量比为氧过量比，其表示供给的氧相对于没有任何过量或不足的反应所需的氧的过量比。

理论上产生的泵送氢的量可由下面的公式(14)表示。当空气化学计量比低于1时，理论上开始产生泵送氢。该理论上产生的泵送氢的量随着空气化学计量比的降低而升高，如下面的公式(14)和图8的单点划线所示。

Vt＝(1-St)*Ifc*{n/(2*F)}*22.4*60…(14)

其中，Vt-理论上产生的泵送氢的量；

St-空气化学计量比；

Ifc-输出电流(发电特性)；

F-法拉第常数；

n-单电池数目。

上面的量为理论上得到的值，但实际上，如图8中实线所示，当空气化学计量比大于1.0时，开始产生泵送氢。本发明人估算，在理论值与实际测量值之间产生偏差的原因之一是，在电池中存在未反应的氧含量(未达到反应表面和没有反应的氧；未反应的阴极气体)，并评价这些单电池。因此，发现图8中所示的偏差量Δs基本上与未反应的氧含量一致。应当注意，由于偏差量Δs依赖于单电池的特性(材料、形状等)，所以可使用预先通过实验等获得的该量。

另外，本发明人估算，存在由于单电池中的分配波动(近似等于单电池中的电压损失波动)而无法供给到单电池的氧含量，并评价这些单电池。具体地，把检查要装载的各制造单电池期间的电压损失代入下面的公式(15)至(17)，获得分配比等以计算产生的泵送氢的量。从而，发现该量基本上与实线的弯曲部分相一致。

D(i)＝Plave/Pl(i)…(15)；

B1＝1/Dmin+Δs…(16)；及

B2＝1/Dmax+Δs…(17)，

其中，D(i)-第i个单电池的分配比；

Plave-单电池的平均电压损失；

Pl(i)-第i个单电池的电压损失；

Dmin-最小分配比；

Dmax-最大分配比；

B1-开始产生泵送氢时的空气化学计量比；和

B2-在直线与曲线交叉处的空气化学计量比。

下面对其更加详细地描述。例如，当单电池的平均电压损失Plave为1.0时，单电池中会有±20％的电压损失波动(0.8至1.2)，偏差量Δs为0.05，开始产生泵送氢时的最小分配比Dmin、最大分配比Dmax、空气化学计量比B1和直线与曲线交叉时的空气化学计量比B2分别如下。还应当注意，在本发明中，在产生泵送氢时的空气化学计量比的运行称为低效率运行，在不产生泵送氢时的空气化学计量比的运行称为通常运行。

Dmin＝1/1.2；

Dmax＝1/0.8；

B1＝1/Dmin+Δs＝1.2/1+0.05＝1.25；和

B2＝1/Dmax+Δs＝0.8/1+0.05＝0.85。

如上所述，考虑了电池中未反应的氧含量和由于分配波动而无法供给的氧含量，可更加精确地估算产生的实际泵送氢的量。具体地，可由下面的公式(18)估算在化学计量比X下产生的实际泵送氢的量。

$\mathrm{Vm}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\{1+\mathrm{\&Delta;S}-D\left(i\right)*X\}*\frac{I_{\mathrm{fc}}}{(2*F)}*22.4*60...\left(18\right)$

如上所述，根据本实施例，考虑了电池中未反应的氧含量和由于分配波动而无法供给的氧含量，可更加精确地估算产生的实际泵送氢的量。

<变型>

在上面的实施例中，使用上面的公式(18)等检测泵送氢。但是，例如，排出泵送氢的阴极废气通道可设有氢传感器，既可执行氢传感器对泵送氢的检测，又可执行通过使用上面的公式(18)等对泵送氢的检测。

此外，在上面的实施例中，考虑了电池中未反应的氧含量和由于分配波动而无法供给的氧含量，来估算产生的泵送氢的量，但可至少考虑其中的一个来估算产生的泵送氢的量。

例如，当只考虑电池中未反应的氧含量时，可根据下面的公式(18)′估算产生的泵送氢的量。另一方面，当考虑了由于分配波动而无法供给的氧含量时，根据下面的公式(18)″估算产生的泵送氢的量。

$\mathrm{Vm}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\{1+\mathrm{\&Delta;S}-D\left(i\right)\}*\frac{I_{\mathrm{fc}}}{(2*F)}*22.4*60...{\left(18\right)}^{\&prime;};$ 和

$\mathrm{Vm}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\{1-D\left(i\right)*X\}*\frac{I_{\mathrm{fc}}}{(2*F)}*22.4*60...{\left(18\right)}^{\&prime;\&prime;}$

此外，在上面的实施例中，当燃料电池400预热时，电池运行于低效率运行点，但是当恢复燃料电池400的催化剂活性时，电池可运行于低效率运行点。

例如，当检测到燃料电池400的电极催化剂达到中毒状态时，电池可运行于低效率运行点。在系统起动期间，电池一旦运行于低效率运行点之后，该点可换至通常运行点。另外，当系统所需的电力不超过预定值(例如，在怠速输出附近)时，通常运行点可换至低效率运行点。另外，在系统停止之后，可在低效率运行点执行其运行，以在运行期间恢复恶化的催化剂活性，并准备下一次起动。

C.第三实施例

图9为示出根据第三实施例的燃料电池周围结构的图。与上面实施例的方式相同，在第三实施例中，也假定燃料电池系统安装在车辆上，如燃料电池汽车(FCHV)、电动车或混合动力车上，但是该系统不只可应用于车辆上，还可应用于各种运动物体(例如，轮船、飞机、机器人等)和固定动力源上。

图9中所示燃料电池2400设有用于各单电池450-k(1≤k≤n)的单电池监测器460-k(1≤k≤n)。本实施例的特征在于，基于由单电池监测器460-k检测的电池电压来估算产生的泵送氢的量(或泵送氢浓度)。将在下文中详细描述。

各单电池监测器460-k检测相应单电池450-k的电压值(电池电压)，以将该值提供给控制单元2500。当从各单电池监测器460-k接收到电池电压时，控制单元2500参考存储在存储器2510内的基准函数估算各单电池内产生的泵送氢的量。

图10为存储在存储器2510内的基准函数的示意图。左侧的纵坐标表示产生的泵送氢的量，右面的纵坐标表示电池电压，横坐标表示空气化学计量比。

产生的泵送氢的量、电池电压和空气化学计量比之间的关系通过评价制造和装载期间的预定单电池(下文中称为基准电池)来获得。此外，基于该评价结果，得到从基准电池的电池电压获得产生的泵送氢量的基准函数(见公式(19)，并存储在存储器2510中。

Fs＝f(Vs)…(19)

其中，Fs-基准电池中产生的泵送氢的量；

Vs-基准电池中的电池电压；

f-基准函数(任意的近似函数)。

当从各单电池监测器460-k接收到电池电压时，控制单元(估算装置)2500将各电池电压代入上面公式(19)中所示的基准函数f内，从而估算各单电池内产生的泵送氢的量(见公式(20))。此外，将得到的单电池中产生的泵送氢的量加起来，从而估算整个燃料电池中产生的泵送氢的量(见公式(21))。

Fk＝f(Vk)…(20)

其中，Fk-第k个单电池中产生的泵送氢的量；

Vk-第k个单电池中的电池电压。

$\mathrm{Fp}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Fk}...\left(21\right)$

控制单元2500将整个燃料电池内产生的泵送氢的量除以燃料电池2400阴极出口侧上的空气流率(氧化废气)，从而计算泵送氢浓度(见公式(22))。应当注意，可通过布置在阴极出口侧上的流率计来检测阴极出口侧的空气流率，但也可通过其它方法检测。

Dh＝Fp/Fair…(22)

其中，Fair为阴极出口侧的空气流率。

在计算泵送氢浓度时，控制单元2500访问存储在存储器2510内的空气流率调节图mp(见图11)，并调节供给到燃料电池2400的氧化气体的流率。现在描述一个实例。例如，当泵送氢浓度Dh高于第一阈值Dth1时，控制单元2500提高供给到燃料电池2400的氧化气体的流率，以降低泵送氢浓度。另一方面，当泵送氢气浓度Dh低于第二阈值Dth2时，该单元降低供给到燃料电池2400的氧化气体的流率，以增提高泵送氢浓度。另外，当泵送氢浓度Dh不小于第二阈值Dth2并且不高于第一阈值Dth1时，该单元判断泵送氢浓度落入适当的范围内，并不再改变供给到燃料电池2400的氧化气体的流量。

如上所述，根据本实施例，可检测电池电压，从而获得产生的泵送氢的量和泵送氢浓度。因此，不必单独布置用于检测的传感器，可降低零件的数目和制造成本。

D.第四实施例

图12为示出根据第四实施例的燃料电池周围结构的图。与上面实施例的方式相同，在第四实施例中，也假定燃料电池系统安装在车辆上，如燃料电池汽车(FCHV)、电动车或混合动力车上，但是该系统不只可应用于车辆上，还可应用于各种运动物体(例如，轮船、飞机、机器人等)和固定动力源上。

燃料电池3400为用于从供给的反应气体(燃料气体和氧化气体)发电的装置，并具有将多个单电池连续堆叠在一起的堆结构，其中各单电池包括MEA(膜/电极复合材料)等。具体地，可使用各种类型的燃料电池，例如固态聚合物型、磷酸型和溶解碳酸盐型。

空气压缩机3700将从外界空气获取的氧(氧化气体)通过空气滤清器(未示出)供给到燃料电池3400的阴极。空气压缩机电机3600为调节空气压缩机3700供给的氧化气体量(排出量)的电机，该电机的转速根据从控制单元3500给出的指令转数来控制。

另外，阴极废气从燃料电池3400的阴极排出。阴极废气不只包括经历燃料电池3400的单电池反应的氧气废气，还包括在阴极侧等产生的泵送氢。该阴极废气包括由燃料电池3400的单电池反应产生的水分，因此达到高湿状态。应当注意，由于在上面实施例中已经阐明了泵送氢的产生机构等的细节，所以这里省略。

增湿模块3700在流过氧化气体供给路径3110的低湿氧化气体与流过阴极废气通道3120的高湿阴极废气之间进行水分交换，以适当地增湿供给到燃料电池3400的氧化气体。供给到燃料电池3400的氧化气体的背压由布置在阴极废气通道3120阴极出口附近的空气压力调节阀A11调节。

这里，从空气压缩机3600延伸到增湿模块3700的氧化气体供给路径3110经由旁通阀B11连接到从增湿模块3700延伸至稀释单元3800的阴极废气通道3120。旁通阀B11和旁通通道3130为用于允许流过氧化气体供给路径3110的氧化气体的一部分绕过燃料电池3400，并将该部分气体引入阴极废气通道3120的装置，旁通的氧化气体量由控制单元(控制装置，调节装置)3500调节。应当注意，在下面的描述中，旁通的氧化气体称为旁通空气。

稀释单元3800稀释气体，使得排出的氢气气体浓度落入预定浓度范围内(基于环境标准等确定的范围)。该稀释单元3800将阴极废气通道3120的下游侧与阳极废气通道(未示出)的下游侧连通，并混合和稀释氢废气、泵送氢、氧气废气和旁通空气，以便将该气体从系统排出。

控制单元3500包括CPU、ROM、RAM等，其在中央基于输入传感器信号控制系统的各部分。具体地，该单元基于从检测加速踏板开度的加速踏板传感器、检测电池的充电状态(SOC)的SOC传感器等获得燃料电池3400的所需输出电力。另外，该单元控制空气压力调节阀A11和旁通阀B11的开度，并基于从分别检测燃料电池3400的输出电压、输出电流和内部温度的电压传感器s14、电流传感器s15、温度传感器s16等输入的传感器信号来控制空气压缩机电机3600的转数(即，氧化气体的指令流率)等。应当注意，根据本实施例的燃料电池系统根据下述的产生的泵送氢的量来执行两种低效率运行。

图13为示出根据本实施例的燃料电池系统的运行的流程图。

控制单元3500基于从温度传感器s16输出的传感器信号检测燃料电池3400的温度(FC温度)(步骤S110)。控制单元3500将检测的FC温度与存储器(未示出)内存储的基准温度作比较，从而判断是否需要预热(步骤S120)。当判断FC温度超过基准温度、不必预热时，控制单元3500执行通常运行过程(步骤S130)。这里，通常运行过程为系统运行在无需预热的高效率运行点(即，具有小电力损失的运行点)的过程。

另一方面，当判断FC温度不高于基准温度、需要预热时，控制单元3500前进到步骤S140，以判断是否执行低效率预运行或低效率主运行。这里，低效率主运行为预热期间一直执行的低效率运行(见第二实施例的描述及图6等)。低效率预运行为在电力损失小于低效率主运行而大于通常运行的运行点(见图14中所示(Ifc3，Vfc3))执行的运行。例如，当燃料电池3400的OCV约为400V时，如图14中所示，在低效率预运行点的FC电压Vfc3为约200V(在本实施例中为固定值)，在低效率主运行点的FC电压Vfc4为约50V。从该描述可理解，由于低效率预运行的电力损失小于低效率主运行的电力损失，所以低效率预运行期间燃料电池3400的温度上升速度低于低效率主运行期间的上升速度。

在本实施例中，控制单元3500判断当车辆行驶时应当执行低效率预运行，当车辆停止时(包括起动时)判断应当执行低效率主运行。另外，该判断标准只是一个例子，其可基于FC温度与基准温度之间的温度差判断是执行低效率预运行还是低效率主运行。具体地，当FC温度与基准温度之间的温度差超过设定的阈值时，执行低效率主运行。另一方面，当温度差不大于设定的阈值时，执行低效率预运行。可根据系统设计等适当地设定以这种方式判断执行低效率主运行还是低效率预运行的标准。

当因为车辆停止而判断应当执行低效率主运行时，控制单元3500前进到步骤S150，以执行低效率主运行。具体地，从燃料电池3400所需的电力(FC所需电力)和预热所需的热量(电力损失)来确定FC电流值和FC电压值，并且在对应于确定的FC电流指令值和FC电压指令值的运行点处执行运行(细节可参考第二实施例)。

另一方面，当因为车辆行驶而判断应当执行低效率预运行时，控制单元3500前进到步骤S160，以执行低效率预运行。

图15为示出低效率预运行的运行流程图。

控制单元3500首先将旁通阀B11的阀开度设为“全闭”，将空气压力调节阀A11的阀开度设为“全开”(步骤S210→步骤S220)。这里，将旁通阀B11的阀开度设为“全闭”的理由在于，低效率预运行期间产生的泵送氢的量小，气体不必使用未反应的氧化气体来稀释。换句话说，低效率预运行期间的运行点控制为使得减少产生的泵送氢的量(该量落入无需稀释的调节范围内)。

当如上调节旁通阀B11和空气压力调节阀A11的阀开度时，控制单元3500读取预先存储在存储器(未示出)内的低效率预运行的运行点(见图14)，以确定FC电流指令值和FC电压指令值(步骤S230)。

此外，控制单元3500基于确定的FC电流指令值来确定空气化学计量比。为对其进行详细描述，控制单元3500根据FC电流-空气化学计量比图来确定与确定的FC电流指令值相对应的化学计量比(步骤S240)，其中FC电流-空气化学计量比图示出了预先存储在存储器等内的FC电流指令值与化学计量比之间的关系。此外，控制单元3500将确定的空气化学计量比Ap代入下面的公式(22)，从而获得FC所需空气流率Ar(步骤S250)。

Ar＝Ac*Ap/(96500*4)…(22)

其中，Ap为FC消耗的氧量。

应当注意，根据FC电流指令值和构成燃料电池的单电池数目来确定由FC消耗的氧量Ap。

此外，控制单元3500将FC电流指令值与由电流传感器s15检测的FC电流值(实际测量值)作比较，以获得其差别(步骤S260)。控制单元3500基于这样获得的差别修正FC所需空气流率(步骤S270)。此外，控制单元3500从修正的FC所需空气流率(指令的氧化气体流率)获得空气压缩机3600的转数，并将该转数作为指令的转数供给到空气压缩机3600，从而控制燃料电池3400的电流(步骤S280)。

当执行该控制时，控制单元3500基于从温度传感器s16提供的传感器信号判断检测的FC温度是否超过了基准温度，即，是否可结束预热(步骤S290)。当FC温度未超过基准温度时，控制单元3500返回到步骤S230，以继续系统的预热，并反复执行一系列上述过程。另一方面，当FC温度超过基准温度时，控制单元3500判断该系统不必再预热，上述过程结束。

如上所述，根据本实施例，在不必稀释泵送氢的低效率预运行期间，旁通阀全闭，空气压力调节阀全开，并控制由空气压缩机供给的空气流率，以控制FC电流。因此，与通常运行和使用空气压力调节阀和空气压缩机控制FC电流的低效率主运行相比，可执行简单的控制。

<变型>

(1)在上面的实施例中，在低效率预运行期间，旁通阀全闭，空气压力调节阀全开，并控制由空气压缩机供给的空气流率，以控制FC电流。但是，本发明不限于该实施例。旁通阀和空气压力调节阀的阀开度可设定为恒定，并控制由空气压缩机供给的空气流率，以控制FC电流。

(2)此外，在上面的实施例中，检测FC温度，以判断系统是否需要预热，但是除了FC温度，还可检测外界空气温度和燃料电池周围组件的温度，以判断系统是否需要预热。

(3)另外，在上面的实施例中，低效率预运行点是固定的，但是低效率预运行点可在一定范围内变化，其中产生的泵送氢的量落入调节范围内。

Claims (11)

1.一种氢产生量的估算方法，所述方法估算在低效率运行期间燃料电池的阴极中产生的氢气的气体量，所述方法包括：

第一估算步骤，所述第一估算步骤基于所述燃料电池的输出电压和输出电流来估算所述燃料电池的空气化学计量比；和

第二估算步骤，所述第二估算步骤基于所述燃料电池的所述输出电流、所述空气化学计量比和温度来估算在所述燃料电池的所述阴极中产生的氢气的气体量。

2.一种阳极气体产生量估算器件，所述阳极气体产生量估算器件估算在燃料电池的阴极中产生的阳极气体量，所述阳极气体产生量估算器件包括：

运行控制装置，用于在满足预定条件的情况下将所述燃料电池运行于低效率运行点，所述低效率运行点具有比通常运行点的电力损失大的电力损失；以及

估算装置，用于在所述燃料电池运行于所述低效率运行点的情况下基于所述燃料电池的发电特性来估算在所述阴极中产生的阳极气体量。

3.如权利要求2所述的阳极气体产生量估算器件，其中所述估算装置考虑在所述燃料电池的阴极侧剩余的未反应阴极气体的剩余量和构成所述燃料电池的单电池的压力损失的波动中的至少之一连同所述燃料电池的发电特性及供给到所述燃料电池的阴极气体量来估算阳极气体产生量。

4.如权利要求3所述的阳极气体产生量估算器件，其中所述估算装置既考虑所述未反应阴极气体的剩余量又考虑所述单电池的压力损失的波动来估算所述阳极气体产生量。

5.如权利要求2所述的阳极气体产生量估算器件，还包括：

电压监测器，所述电压监测器检测所述燃料电池的输出电压；

其中所述估算装置基于由所述电压监测器检测到的所述输出电压来估算所述阴极中产生的阳极气体量。

6.如权利要求5所述的阳极气体产生量估算器件，其中所述电压监测器检测每个单电池的电池电压，

所述估算装置包括指示在基准电池的电池电压与所述阳极气体产生量之间的关系的基准函数；并且

所述估算装置通过使用由所述电压监测器检测到的每个单电池的电池电压和所述基准函数来估算在所述阴极中产生的所述阳极气体量。

7.如权利要求2至6中任一项所述的阳极气体产生量估算器件，其中在需要预热所述燃料电池的情况下或者在需要恢复所述燃料电池的催化剂活性的情况下，所述运行控制装置将所述燃料电池运行于所述低效率运行点。

8.如权利要求2至7中任一项所述的阳极气体产生量估算器件，其中在所述阴极中产生的所述阳极气体为氢。

9.一种阳极气体产生量估算方法，所述阳极气体产生量估算方法估算在燃料电池的阴极中产生的阳极气体量，所述阳极气体产生量估算方法包括：

运行控制步骤，所述运行控制步骤在满足预定条件的情况下将所述燃料电池运行于低效率运行点，所述低效率运行点具有比通常运行点的电力损失大的电力损失；以及

估算步骤，所述估算步骤在所述燃料电池运行于所述低效率运行点的情况下基于所述燃料电池的发电特性估算在所述阴极中产生的阳极气体量。

10.如权利要求9所述的阳极气体产生量估算方法，其中所述估算步骤考虑在所述燃料电池的阴极侧剩余的未反应阴极气体的剩余量和构成所述燃料电池的单电池的压力损失的波动中的至少之一连同所述燃料电池的发电特性及供给到所述燃料电池的阴极气体量来估算阳极气体产生量。

11.如权利要求9所述的阳极气体产生量估算方法，其中所述估算步骤基于由电压监测器检测到的所述燃料电池的输出电压来估算所述阴极中产生的所述阳极气体量。

Images