CN102349185B - 燃料电池系统、用于燃料电池系统的控制方法以及用于燃料电池的状态检测方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统，包括燃料电池、向该燃料电池供应燃料的燃料供应部、燃烧被从该燃料电池的阳极排放的阳极废气的燃烧部，和检测预定气体中的氧浓度的氧浓度检测部。燃料流量控制部控制被从燃料供应部供应到燃料电池的燃料的流量从而由该氧浓度检测部检测的、在被从该燃烧部排放的燃烧排气中的氧浓度的波动量在第一值和大于该第一值的第二值之间。

Description

燃料电池系统、用于燃料电池系统的控制方法以及用于燃料电池的状态检测方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统、以及用于燃料电池系统的控制方法，并且还涉及一种用于燃料电池的状态检测方法。

背景技术

燃料电池通常是一种使用氢和氧作为燃料来获取电能的装置。因为燃料电池对于环境保护而言是优良的并且能够实现高能效率，所以已经广泛地对于作为未来能量供应系统的燃料电池进行了研究和开发。

为了向通过在氢和氧之间的电化学反应而产生电力的燃料电池供应作为燃料的氢，通常存在两种方法：一种是供应被存储在高压力罐等中的氢；以及另一种是供应通过重整包含氢原子的燃料而获得的氢。在采用后一方法的情形中，例如通过与水和氧(空气)一起地向重整器供应重整燃料(例如甲醇、乙醇等的酒精等，诸如汽油、天然气、丙烷等的碳氢化合物，醛、氨等)并且加热重整燃料，水和氧而产生氢。其中在日本专利申请公布No.2005-44708(JP-A-2005-44708)、日本专利申请公布No.2005-93218(JP-A-2005-93218)和日本专利申请公布No.11-40178(JP-A-11-40178)中公开了基于所产生的电流的变化或者所产生的电压的变化来计算被供应到燃料电池的燃料的流量的现有技术。

已经提出了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池、以及燃烧从燃料电池的阳极排放的阳极排气的燃烧部。例如，利用了在这个燃料电池系统中产生的燃烧热来加热水，或者通过前面的重整器来产生氢。

利用前面的方法，其中基于所产生的电流或者所产生的电压的变化来计算被供应到燃料电池的燃料的流量，存在配备有燃烧器的燃料电池系统会未能适当地控制燃料流量的可能性。

另外，配备有燃料电池的某些燃料电池系统被配备有用于从诸如碳氢化合物等的燃料产生氢的重整器。其中通过检测由重整器产生的燃料气体中的碳氢化合物浓度而检测重整器的劣化的、在国际公布No.2005/018035中公开的技术也存在前面的问题。

发明内容

本发明提供一种具有燃料电池和燃烧部并且能够适当地控制燃料的流量的燃料电池系统、以及用于该燃料电池系统的控制方法。

本发明还提供一种能够检测燃料电池的状态而不需要提供碳氢化合物传感器的燃料电池系统、以及一种用于燃料电池的状态检测方法。

本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统，包括：燃料电池；燃料供应部，其向该燃料电池供应燃料；燃烧部，其燃烧从该燃料电池的阳极排放的阳极排气；氧浓度检测部，其检测氧浓度；以及燃料流量控制部，其控制从该燃料供应部供应到该燃料电池的燃料的流量，从而由该氧浓度检测部检测的、在从该燃烧部排放的燃烧排气中的氧浓度的波动量在第一值和大于第一值的第二值之间。

考虑了如果在燃烧部中的燃烧不是良好的(例如，如果在燃烧部的一部分中发生点火失败)，则在燃烧排气中的氧浓度的波动是高的。这是由于在整个燃烧部或者燃烧部的一部分中空气过量率的降低而发生的，空气过量率的降低是与整个燃料电池或者燃料电池的一个或者多个单元电池的电力产生故障相关联地发生，即，与在一个或者多个单元电池中的燃料利用率的降低相关联地发生的。单元电池是否碰到电力产生故障还受到流至单元电池的燃料的流量所影响。根据前面的构造，被供应到燃料电池的燃料的流量能够被调节，使得在燃烧排气中的氧浓度的波动在适当的范围中，并且因此能够使得发生电力产生故障的单元电池恢复良好的电力产生状态。即，能够执行燃料流量的正确控制，使得燃料电池的电力产生的稳定性改进。作为增加燃烧气体中的氧浓度的波动的另一原因，可以设想由于燃烧部自身的劣化等在为稳定燃烧设定的空气过量率中发生变化。在此情形中，同样，如果被供应到燃料电池的燃料的流量被调节，则使燃烧部中的燃烧稳定化的适当空气过量率能够得以实现。

在根据本发明的燃料电池系统中，如果在燃烧排气中的氧浓度的波动量大于第二值，则燃料流量控制部可以增加燃料的流量，并且如果在燃烧排气中的氧浓度的波动量小于第一值，则流量控制部可以降低燃料的流量。

在燃烧排气中的氧浓度的振幅大于第二值的情形中，认为在燃料电池中电力产生故障已经发生。根据前面的构造，在该情形中，通过增加燃料的流量而改进了在燃料电池中的电力产生状态。在另一方面，在燃烧排气中的氧浓度的振幅小于第一值的情形中，认为燃料电池的电力产生状态是良好的，但是存在燃料的过量供应的可能性。因此，在该情形中，通过降低燃料的流量，能够改进电力产生的稳定性，并且还能够改进电力产生效率。

在根据这个方面的燃料电池系统中，该燃料供应部可以包括燃料产生部，其通过使用由燃烧部产生的燃烧热而产生被供应到燃料电池的燃料；以及原料供应部，其向燃料产生部供应由用于燃料产生的原料。该燃料流量控制部可以通过控制被供应到燃料产生部的原料的流量而控制被供应到燃料电池的燃料流量。

根据前面的构造，在配备有燃料产生部的燃料电池系统中改进了电力产生的稳定性。

在根据这个方面的燃料电池系统中，可以基于由氧浓度检测部检测的、在空气中的氧浓度的波动量来确定第一值和第二值。

根据前面的构造，能够根据氧浓度检测部的依赖时间的变化来设定第一值和第二值。

在根据这个方面的燃料电池系统中，在燃烧排气中的氧浓度的绝对值越小，则由第一值和第二值限定的范围可以被设定得越宽。

在氧浓度的绝对值小的情形中，幅度的测量精确度下降。然而，根据前面的构造，即使在此情形中，燃料电池系统的故障也能够受到约束。

在根据这个方面的燃料电池系统中，当控制燃料的流量以使得在燃烧排气中的氧浓度的波动量在第一值和第二值之间时，在燃烧排气中的氧浓度的绝对值越小，则燃料流量控制部可以将燃料流量的增加/降低比例减小得越多。

如上所述，在其中氧浓度的绝对值小的情形中，幅度的测量精确度下降。然而，根据前面的构造，即使在此情形中，故障也能够受到约束。

根据这个方面的燃料电池系统可以进一步包括测量燃料电池的输出电流的安培计和测量燃料电池的输出电压的伏特计中的至少一个，并且燃料流量控制部可以控制燃料的流量以使得由安培计测量的输出电流和由伏特计测量的输出电压之一的振幅在第三值和大于所述第三值的第四值之间。根据这个构造，进一步改进了电力产生的稳定性。

在根据这个方面的燃料电池系统中，如果由安培计测量的输出电流和由伏特计测量的输出电压之一的振幅大于第四值，则燃料流量控制部可以增加燃料的流量，并且如果由安培计测量的输出电流和由伏特计测量的输出电压之一的振幅小于第三值，则燃料流量控制部可以降低燃料流量。

在燃料电池的输出电流的振幅大于第四值的情形中，认为燃料电池具有电力产生故障。根据前面的构造，在该情形中，通过增加燃料流量而改进了燃料电池的电力产生状态。在另一方面，在燃料电池的输出电流的振幅小于第三值的情形中，认为燃料电池的电力产生状态是良好的，但是存在燃料的过量供应的可能性。因此，在该情形中，通过降低燃料流量，能够改进电力产生的稳定性，并且还能够改进电力产生效率。

在根据这个方面的燃料电池系统中，输出电流的绝对值越小，则由第三值和第四值限定的范围可以被设定得越宽。

在将要测量具有小的绝对值的电流的情形中，幅度的测量精确度下降。根据前面的构造，通过当输出电流的绝对值越小时越宽地设置由第三值和第四值限定的范围，故障能够受到约束。

在根据这个方面的燃料电池系统中，当控制燃料的流量以使得输出电流的振幅在第三值和第四值之间时，输出电流的绝对值越小，则燃料流量控制部可以将燃料流量的增加/降低比例减小得越多。

如上所述，在将要测量具有小的绝对值的电流的情形中，幅度的测量精确度下降。根据前面的构造，通过当输出电流的绝对值越小时使得燃料流量的增加/降低比例越小，故障能够受到约束。

在根据这个方面的燃料电池系统中，在排气中的氧浓度的波动量可以是氧浓度的振幅。

根据这个方面的燃料电池系统可以进一步包括：重整部，其从碳氢化合物产生氢；确定部，其基于来自燃烧部的排气中的氧浓度的波动量来确定燃料电池是否已经劣化，所述排气是由氧浓度检测部检测的预定气体；以及其中燃料电池通过使用由重整部产生的氢作为燃料而产生电力。

根据前面的构造，能够检测燃料电池的状态而不需要提供碳氢化合物传感器。

根据这个方面的燃料电池系统可以进一步包括空气过量率控制装置，其用于控制在燃烧部中的空气过量率，并且当确定部获取排气中的氧浓度的波动量时，所述空气过量率控制装置可以增加空气过量率。根据这个构造，随着空气过量率的增加，氧浓度的波动变得更大。因此，改进了氧浓度波动的检测精确度。

在根据这个方面的燃料电池系统中，相对于在燃烧部中的空气过量率的增加，在排气中的氧浓度的波动量越大，则确定部确定燃料电池的劣化越大。根据这个构造，燃料电池的劣化能够被定量地确定。

根据这个方面的燃料电池系统可以进一步包括通知装置，如果确定部确定燃料电池已经劣化，则通知装置通知使用者燃料电池劣化。另外，在根据这个方面的燃料电池系统中，氧浓度的波动量可以是在预定周期期间根据由氧传感器检测的多个检测值而计算的标准偏差，并且该燃料电池可以是固体氧化物型燃料电池，并且燃料电池的阳极可以包含镍。

本发明的第二方面涉及一种用于燃料电池的状态检测方法，该燃料电池包括重整部和燃烧部，所述重整部从碳氢化合物产生氢，所述燃烧部燃烧阳极废气，并且通过使用由重整部产生的氢作为燃料而产生电力。这种状态检测方法包括检测在来自燃烧室的排气中的氧浓度；以及基于检测到的排气中的氧浓度的波动量来确定燃料电池存在/不存在劣化。

根据前面的构造，能够检测燃料电池的状态而不需要提供碳氢化合物传感器。

在根据这个方面的状态检测方法中，确定燃料电池存在/不存在劣化可以包括增加燃烧部中的空气过量率以便获取在排气中的氧浓度的波动量。根据这个构造，随着空气过量率的增加，氧浓度的波动变得更大。因此，改进了氧浓度波动的检测精确度。

在根据这个方面的状态检测方法中，确定燃料电池存在/不存在劣化可以包括确定燃料电池的劣化程度，并且相对于燃烧部中的空气过量率的增加，排气中的氧浓度的波动量越大，则所确定的级别越大。根据这个构造，燃料电池的劣化能够被定量地确定。

根据这个方面的状态检测方法可以进一步包括如果确定燃料电池已经劣化，则就燃料电池的劣化通知使用者。另外，在根据这个方面的状态检测方法中，氧浓度的波动量可以是在预定周期期间根据检测到的多个检测值计算的标准偏差，并且该燃料电池可以是固体氧化物型燃料电池，并且燃料电池的阳极可以包含镍。

本发明的第三方面涉及一种用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统包括燃料电池和燃烧部，所述燃烧部燃烧从燃料电池的阳极排放的阳极排气。这种控制方法包括获取从燃烧部排放的燃烧排气中的氧浓度、以及控制被供应到燃料电池的燃料流量，从而所获取的、在燃烧排气中的氧浓度的波动量在第一值和大于第一值的第二值之间。

在根据这个方面的控制方法中，在排气中的氧浓度的波动量可以是氧浓度的振幅。

本发明的第四方面涉及一种燃料电池系统，包括：重整部，其从碳氢化合物产生氢；燃料电池，其通过使用由重整部产生的氢作为燃料而产生电力；燃烧部，其燃烧从燃料电池的阳极排放的阳极排气；氧浓度检测部，其检测阳极排气中的氧浓度；以及确定部，其基于由氧浓度检测部检测的、在来自燃烧部的排气中的氧浓度的波动量而确定燃料电池是否已经劣化。

附图说明

参考附图，根据示例性实施例的以下说明，本发明前面的和进一步的目的、特征和优点将变得明显，其中使用类似的数字来表示类似的元件，并且其中：

图1是示意性地示出作为本发明的第一实施例的燃料电池系统的构造的示例性图示；

图2是表示第一实施例中的传感器预热检测例程的流程图；

图3是表示第一实施例中的燃料流量计算例程的流程图；

图4是示出在第一实施例中在氧浓度波动值和校正系数之间的关系的图示；

图5是示出在第一实施例中在负载要求和基本燃料流量之间的关系的图示；

图6是示意性地示出作为本发明的第二实施例的燃料电池系统的构造的示意性图示；

图7是表示在第二实施例中的燃料流量计算例程的流程图；

图8是表示在第二实施例中的燃料流量计算例程的流程图；

图9是示出在第二实施例中在校正的氧浓度波动值和校正系数之间的关系的图示；

图10是示出在第二实施例中在负载要求和基本燃料流量之间的关系的图示；

图11是示意性地示出作为本发明的第三实施例的燃料电池系统的构造的示意性图示；

图12是表示在第三实施例中的燃料流量计算例程的一部分的流程图；

图13是示出在第三实施例中在输出电流波动值和校正系数之间的关系的图示；

图14是示出在修改中的在氧浓度波动值和校正系数之间的关系的图示；

图15是示出根据本发明第四实施例的燃料电池系统的总体构造的示意性图示；

图16是用于详细地描述氧传感器的示意性截面视图；

图17是用于描述燃料电池的细节的示意性图示；以及

图18A是示出被执行用于获取氧浓度波动的过程流的实例的流程图，并且图18B是示出当使用在由图18A的流程图示出的过程中存储的氧浓度波动来确定燃料电池存在/不存在劣化时执行的过程流的实例的流程图。

具体实施方式

现在将在下面描述本发明的实施例。

图1是示意性地示出作为本发明的第一实施例的燃料电池系统1000的构造的示意性图示。燃料电池系统1000主要包括燃料电池堆100、燃烧部200、热交换器300和控制部600。

使用从燃料电池堆100排放的阳极排气和阴极排气的这个实施例的燃料电池系统1000引起阳极排气在燃烧部200中燃烧，并且经由热交换器300使用在燃烧部200中产生的热来加热自来水，并且向使用者供应加热的水。

当作为燃料气体的氢和作为氧化剂气体的、在空气中的氧经历电化学反应时，燃料电池堆100获得电动势。在该实施例中，燃料电池堆100是其反应温度为大约600到1000℃的固体氧化物燃料电池(SOFC)。

向燃料电池堆100供应作为燃料气体的氢的氢供应系统包括氢罐102、氢供应通道104、以及被设置在氢供应通道104中的流量调节阀106。在该实施例中，氢罐102是存储高压力氢的氢圆筒。替代氢罐102，还可以使用在其中具有氢存储合金并且通过将其存储到氢存储合金中而存储氢的罐。

在氢罐102中存储的氢气被流量调节阀106调节为预定流量，并且作为燃料气体而被供应到构成燃料电池堆100的每一个单元电池的阳极。如在以下描述地，流量调节阀106基于从燃烧部200排放的燃烧排气中的氧浓度的波动来被控制(在下文中，术语波动指的是波动量，并且在氧浓度振荡的情形中指的是振幅)。

从燃料电池堆100的阳极侧排放的排气(在下文中被称作“阳极排气”)经由阳极排气通道108而被供应到燃烧部200。

向燃料电池堆100供应作为氧化剂气体的空气的空气供应系统包括空气供应通道114、以及被设置在空气供应通道114上的空气泵116。空气泵116经由空气净化器(未示出)从外侧抽入空气并且经由空气供应通道114向燃料电池堆100的阴极供应作为氧化剂气体的空气。

从燃料电池堆100的阴极侧排放的排气(在下文中还被称作“阴极排气”)经由阴极排气通道118而被供应到燃烧部200。

此外，燃料电池堆100中具有冷却水通过其进行循环的冷却水通道(未示出)。因为冷却水在燃料电池堆100内形成的冷却水通道和散热器(未示出)之间进行循环，所以燃料电池堆100的内部温度被保持在预定温度范围中。

燃烧部200配备有辉光点火机构。通过向辉光点火机构施加预定电压，在经由阳极排气通道108而被供应于此的阳极排气和经由阴极排气通道118而被供应于此的阴极排气之间引起燃烧。

燃烧部200设置有经由其将包含在燃烧部200中产生的已燃烧气体的燃烧排气和未燃烧气体释放到大气中的燃烧排气通道202。

氧浓度传感器204被设置在燃烧排气通道202中。氧浓度传感器204检测燃烧排气中的氧浓度，并且向控制部600输出检测到的氧浓度。

热交换器300设置有自来水引入通道302和加热水释放通道304。在热交换器300中，经由自来水引入通道302引入的自来水利用通过在燃烧部200中的燃烧产生的燃烧热而被加热，并且因此变成已加热水。

加热水释放通道304被连接到水存储罐(未示出)。由热交换器300加热的加热水经由加热水释放通道304而被存储到水存储罐中。水存储罐被连接到使用者的房屋的浴缸、淋浴器等，并且加热的水根据来自使用者的请求而被从水存储罐供应给使用者。附带说一句，在水存储罐中的加热水还可以被再次引入热交换器300中以便被再次加热。例如，在其中水存储罐中的加热水的温度下降或者其中其温度低于由使用者请求的温度等的情形中这是适当的。

控制部600被构造成具有作为中央构件的微型计算机的逻辑电路。控制部600包括根据预设控制程序来执行预定计算等的CPU 610、存储燃料流量控制程序624的存储器620、映射622、映射623等、输入/输出各种信号的输入/输出端口630等。燃料流控制程序624包括将在下面描述的传感器预热检测例程和燃料流量计算例程。

控制部600从前面的氧浓度传感器204获取检测信号、有关对于燃料电池堆100的负载要求信息等。然后，基于所获取的信息，控制部600计算被供应到燃料电池堆100的氢的适当流量，并且向调整从氢罐102供应的氢的流量的流量调节阀106输出驱动信号。此外，控制部600还向与燃料电池堆100的电力产生有关的诸如空气泵116等的各种部分输出驱动信号。

图2是表示由在燃料电池系统1000中设置的控制部600的CPU610执行的传感器预热探测例程的流程图。当燃料电池系统1000启动时执行这个例程。

当在燃料电池系统1000启动时启动这个例程时，CPU 610控制空气泵116以便供应空气，并且由此开始扫气燃料电池系统1000的过程(步骤S102)。随后，CPU 610开始氧浓度传感器204的预热(步骤S104)。然后，CPU 610确定氧浓度传感器204的预热是否已经完成(步骤S106)。如果预热尚未完成(在步骤S106中的否)，则CPU 610继续氧浓度传感器204的预热(步骤S104)。即，氧浓度传感器204的预热继续，直至CPU 610确定氧浓度传感器204的预热已经完成。当CPU 610确定氧浓度传感器204的预热已经完成时(在步骤S106中的是)，CPU 610接通在存储器620中记录的传感器预热完成标志(步骤S108)，并且然后结束这个例程。

图3是表示由在燃料电池系统1000中设置的控制部600的CPU610执行的燃料流量计算例程的流程图。当燃料电池系统1000启动时执行这个例程。例如，每100ms反复地执行这个例程。在这个例程中，CPU 610通过基于示出从燃烧部200排放的燃烧排气中的氧浓度o的波动的氧浓度波动值σo校正与负载要求i_req相称的氢流量(基本燃料流量Qf_bse)而计算被供应到燃料电池堆100的氢的流量(最终燃料流量Qf_fin)。

图4是示出在该实施例中在氧浓度波动值σo和校正系数Ko之间的关系的图示。校正系数Ko是用于校正被供应到燃料电池堆100的氢的流量以使得在燃烧排气中的氧浓度o的波动在适当范围内的系数。如在图4中所示，如果氧浓度波动值σo是在第一值o1和第二值o2之间的任何值，则校正系数Ko＝1.0。即，被供应到燃料电池堆100的氢的流量(基本燃料流量Qf_bse)未被校正。在该实施例中，第一值o1和第二值o2预先通过试验来确定。

在该实施例中，表示在图4所示的氧浓度波动值σo和校正系数Ko之间的关系的映射622被预先存储在存储器620中。如果平均氧浓度ov大于预定值，则通过使用图4中的实线曲线图来获得校正系数Ko，并且如果平均氧浓度ov小于预定值，则通过使用虚线曲线图来获得校正系数Ko。

在氧浓度传感器204检测到氧浓度o小的情形中，氧浓度o的波动(幅度)的测量精确度下降。因此，在平均氧浓度ov小的情形中，如果被供应到燃料电池堆100的氢的流量以与在平均氧浓度ov大的情形中相同的方式增加或者降低，则存在燃料电池系统1000故障的可能性。在该实施例中，为了抑制与被供应到燃料电池堆100的氢流量的校正相关联的故障，产生映射622，使得与在平均氧浓度ov大的情形中相比，在平均氧浓度ov小的情形中，校正系数Ko的值更小。附带说一句，在该实施例中，限定的是，在平均氧浓度ov大于或者等于10％的情形中的“平均氧浓度ov大”，并且在平均氧浓度ov小于10％的情形中的“平均氧浓度ov小”。

在图4所示的映射622中，在氧浓度波动值σo大于第二值o2的情形中，校正系数Ko的值被设定为是大的，并且在氧浓度波动值σo小于第一值o1的情形中，校正系数Ko的值被设定为是小的。

即，在氧浓度波动值σo大于第二值o2的情形中，使被供应到燃料电池堆100的氢的流量大于与负载要求i_req相称的基本燃料流量Qf_bse。在氧浓度波动值σo大的情形中，认为电力产生故障已经在燃料电池堆100中发生(例如，存在由于燃料不足而不能够产生电力的单元电池等)，并且因此认为如果被供应到燃料电池堆100的氢的流量增加，则燃料电池堆100的电力产生将变得稳定。

在另一方面，在氧浓度波动值σo小于第一值o1的情形中，使供应到燃料电池堆100的氢的流量小于与负载要求i_req相称的基本燃料流量Qf_bse。在氧浓度波动值σo小的情形中，认为燃料电池堆100的电力产生状态是良好(稳定)的并且过量的燃料(氢)正被供应到燃料电池堆100。因此，认为通过降低被供应到燃料电池堆100的氢的流量，燃料电池堆100的电力产生效率将得到改进。

图5是示出在基本燃料流量Qf_bse和经由输入/输出端口630而被输入到CPU 610的负载要求i_req之间的关系的图示。图5所示的基本燃料流量Qf_bse是在燃料电池堆100的状态(反应温度、劣化程度等)是理想状态的情形中为了获得满足负载要求i_req的输出而需要的氢的流量。在该实施例中，被供应到燃料电池堆100的氢的流量(最终燃料流量Qf_fin)是通过根据燃料电池堆100的操作状态校正图5所示的基本燃料流量Qf_bse而确定的。在该实施例中，表示在图5所示的负载要求i_req和基本燃料流量Qf_bse之间的关系的映射623被预先存储在存储器620中。

如在图3中所示，当在燃料电池系统1000启动时启动该例程时，CPU 610确定在存储器620中记录的传感器预热完成标志是否是接通的(步骤S130)。如果传感器预热完成标志是断开的(在步骤S130中的否)，则CPU 610结束该例程。

如果传感器预热完成标志是接通的(在步骤S130中的是)，则CPU 610将由氧浓度传感器204检测到的、来自燃烧部200的燃烧排气中的氧浓度o存储到存储器620中，并且计数n＝n+l(步骤S132)。然后，CPU 610确定氧浓度的检测样本的数目n是否大于或者等于氧浓度的检测样本的最大数目n_trg(步骤S134)。在该实施例中，氧浓度的检测样本的最大数目n_trg是250(n_trg＝250)。如果氧浓度的检测样本的数目n小于n_trg(在步骤S134中的否)，则这个例程结束。

即，由氧浓度传感器204检测到的、在燃烧排气中的氧浓度o的值在存储器620中累积，直至燃烧排气中的氧浓度的样本的数目达到250。

如果氧浓度的检测样本的数目n大于或者等于n_trg(在步骤S134中的是)，则CPU 610计算氧浓度波动值σo和平均氧浓度ov(步骤S136)。

氧浓度波动值σo是使用以下表达式(1)计算的。

$\mathrm{\σo}=\sqrt{(\mathrm{n\Σ}{\left[o\right]}^2-{\left(\mathrm{\Σ}\right[o\left]\right)}^2)/n(n-1)}---\left(1\right)$

在这之后，CPU 610清除最早测量的氧浓度o，由此将氧浓度的检测样本的数目n改变为n-1(步骤S138)。例如，在n＝250之前，每100ms执行步骤S132的过程，并且关于n＝0至249，由氧浓度传感器204检测到的氧浓度的值被累积。当达到n＝250并且关于n＝0至249计算氧浓度波动值σo和平均氧浓度ov时，从存储器620清除了与n＝0相对应的氧浓度的值，使得给出n＝249。

CPU 610通过参考映射622，使用在步骤S136中计算的氧浓度波动值σo和平均氧浓度ov来推导校正系数Ko(步骤S140)。

CPU 610参考映射623获得与输入的负载要求i_req相称的基本燃料流量Qf_bse(步骤S144)。最后，CPU 610基于在步骤S140中获得的校正系数Ko和在步骤S144中获得的基本燃料流量Qf来计算最终燃料流量Qf_fin(步骤S146)，并且然后结束这个例程。

CPU 610控制流量调节阀106，以便实现如上所述计算的最终燃料流量Qf_fin。

例如，如果在燃烧部200中的燃烧不是良好的(例如，在燃烧部200的一部分中发生点火失败)，则认为在燃烧排气中的氧浓度o的波动将增加。在另一方面，如果在燃料电池堆100中发生电力产生故障，则燃料电池堆100的温度下降。因此，认为燃烧从燃料电池堆100排放的排气的燃烧部200的温度将下降，并且因此燃烧部200将发生燃烧故障。即，在燃料电池堆100中已经发生电力产生故障的情形中，认为在燃烧排气中的氧浓度o的波动增加。

在这个实施例的燃料电池系统1000中，通过基于从燃烧部200排放的燃烧排气中的氧浓度o的波动(即，氧浓度波动值σo)而通过使用校正系数Ko校正与负载要求i_req相称的氢流量(即，基本燃料流量Qf_bse)，来计算最终燃料流量Qf_fin。校正系数Ko是用于校正被供应到燃料电池堆100的氢的数量以使得在燃烧排气中的氧浓度o的波动在适当的范围内发生的系数。在燃料电池系统1000中，在燃烧排气中的氧浓度o的波动是在适当范围内的，因为被供应到燃料电池堆100的氢的流量受到控制，以便实现校正后最终燃料流量Qf_fin。即，燃料电池堆100的电力产生的稳定性和电力产生效率得以改进。根据这个实施例的燃料电池系统1000，燃料流量(氢流量)能够适当地受到控制，以便实现燃料电池堆100的电力产生的稳定性和电力产生效率这两者。

图6是示意性地示出作为本发明的第二实施例的燃料电池系统1000A的构造的示意性图示。这个实施例的燃料电池系统1000A不同于第一实施例的燃料电池系统1000之处主要在于燃料电池系统1000A配备有重整器400，并且在于燃料流量的控制，在固定氧浓度气氛中的氧浓度传感器的输出的变化被加以考虑。在图6中，与在第一实施例的燃料电池系统1000中的那些基本相同的构造由相同的附图标记表示，并且在下面省略了其说明。

在这个实施例的燃料电池系统1000A中，通过使用也从燃料电池堆100排放的阴极排气，从燃料电池堆100排放的阳极排气在燃烧部200中得以燃烧。利用在燃烧部200中产生的热，在重整器400中产生包含氢的燃料气体，然后该气体被供应到燃料电池堆100。此外，利用从燃烧部200排放的燃烧排气的热，自来水经由热交换器300而被加热，并且加热的水被供应给使用者。

重整器400包括混合部(未示出)和重整部(未示出)。从重整燃料罐402(在下面描述)供应的重整燃料和从重整水罐500(在下面描述)供应的水在混合部中被混合和气化。在下文中，通过在混合部中混合和气化形成的气体将被称作“混合物气体”。重整部配备有加速重整反应的重整催化剂(未示出)。当在混合部中产生的混合物气体被引入重整部中时，重整反应由于重整催化剂而进行，从而产生包含氢的燃料气体。因为这个重整反应是吸热反应并且因此要求热的输入，所以在该实施例中为重整反应利用在燃烧部200中的燃烧反应产生的热。根据用于重整反应的重整燃料适当地确定所使用的重整催化剂。附带说一句，除了氢，在重整器400中产生并且被供应到燃料电池堆100的燃料气体包含一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)和未反应的重整燃料。

向重整器400供应作为重整燃料的甲醇的重整燃料供应系统包括重整燃料罐402、重整燃料供应通道404、以及被设置在重整燃料供应通道404中的流量调节阀406。重整燃料罐402存储作为重整燃料的甲醇。附带说一句，在该实施例中使用的重整燃料不限于甲醇，而是还可以是碳氢化合物(汽油、煤油、天然气等)、酒精等(乙醇、甲醇等)、醛、氨等。

在利用流量调节阀406，将其流量调节为预定数量时，在重整燃料罐402中存储的甲醇经由重整燃料供应通道404而被供应到重整器400。如在以下描述地，流量调节阀406基于从燃烧部200排放的燃烧排气中的氧浓度的波动(振幅)而受到控制。

包含氢、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和未反应的重整燃料(甲醇)的、在重整器400中产生的燃料气体经由供应通道408而被供应到燃料电池堆100的阳极。

燃烧排气通道202、排气释放通道206、自来水引入通道302和加热水释放通道304被连接到热交换器300A。在该实施例中，热交换器300A使用从燃烧部200排放的燃烧排气的热来加热自来水。即，在热交换器300A内的自来水获取经由燃烧排气通道202而被引入热交换器300A中的燃烧排气的热，并且该燃烧排气转变成经由排气释放通道206而被释放到大气中的低温燃烧排气。

用于向重整器400供应将用于重整反应的水(在下文中，还被称作“重整水”)的重整水供应系统包括冷凝器504、冷凝水通道506、重整水罐500、重整水供应通道508和重整水泵510。冷凝器504被设置在排气释放通道206上，并且冷凝在热交换器300A中冷却的燃烧排气中包含的水蒸汽。冷凝水通道506被连接到冷凝器504。经由冷凝水通道506，在冷凝器504中冷凝的液体水(在下文中，还被称作“冷凝水”)被存储到重整水罐500中。利用重整水泵510，经由重整水供应通道508，在重整水罐500中存储的冷凝水(重整水)被引入到重整燃料供应通道404中。以此方式，作为重整燃料的甲醇和重整水这两者均被供应到重整器400。

在第二实施例中的控制部600A不同于在第一实施例中的控制部600之处主要在于燃料流控制程序624A、在存储器620中存储的映射622A和映射623A。燃料流控制程序624A包括与第一实施例相结合的上述传感器预热检测例程(图2)，并且还包括燃料流量计算例程(图7和图8)(在下面描述)。因为在该实施例中的传感器预热检测例程与在第一实施例中的相同，所以在下面省略了其说明。

在这个实施例的燃料电池系统1000A中，不象第一实施例，包含在重整器400中产生的水的燃料气体被供应到燃料电池堆100。因此，控制部600基于由氧浓度传感器204检测到的氧浓度的波动来计算被供应到燃料电池堆100的燃料气体的适当流量(最终燃料流量Qf_fin)，并且控制流量调节阀406以使得在重整器400中产生计算出的、燃料气体的最终燃料流量Qf_fin。结果，被供应到燃料电池堆100的燃料气体的流量(在下文中，还被称作“燃料流量”)基于由氧浓度传感器204检测到的氧浓度的波动而受到控制。

图7和8示出表示由在燃料电池系统1000A中设置的控制部600A的CPU 610执行的燃料流量计算例程的流程图。当燃料电池系统1000A启动时执行这个例程。例如，每100ms反复地执行该例程。在这个例程中，通过基于示出在从燃烧部200排放的燃烧排气中的氧浓度o的波动的排气中氧浓度波动值σo_p来校正与负载要求i_req相称的燃料流量(基本燃料流量Qf_bse)而计算被供应到燃料电池堆100的燃料流量(最终燃料流量Qf_fin)。

在该实施例中的燃料流量计算例程不同于在第一实施例中的例程之处在于，在空气中的氧浓度o_a被加以考虑以获得校正系数Ko。在下文中，已经通过对于示出空气中的氧浓度o_a的波动的空气中氧浓度波动值σo_a加以考虑而校正的、在燃烧排气中的氧浓度的波动值被称作“校正的氧浓度波动值σo_pa”。校正的氧浓度波动值σo_pa等于燃烧排气中的排气中氧浓度波动值σo_p减去空气中的空气中氧浓度波动值σo_a。

图9是示出在该实施例中在校正的氧浓度波动值σo_pa和校正系数Ko之间的关系的图示。校正系数Ko是用于校正被供应到燃料电池堆100的氢的流量以使得校正的氧浓度波动值σo_pa在适当范围内的系数。在该实施例中，表示在图9所示校正的氧浓度波动值σo_pa和校正系数Ko之间的关系的映射622A被预先存储在存储器620中。以与在第一实施例中相同的方式，校正系数Ko在平均氧浓度ov大于预定值的情形中是通过使用图9中的实线曲线图来获得的，并且在平均氧浓度ov小于预定值的情形中是通过使用图9中的虚线曲线图获得的。

图10是示出在基本燃料流量Qf_bse和经由输入/输出端口630输入到CPU 610的负载要求i_req之间的关系的图示。在该实施例中，表示在图10所示的负载要求i_req和基本燃料流量Qf_bse之间的关系的映射623A被预先存储在存储器620中。

如在图7中所示，当在燃料电池系统1000A启动时启动这个例程时，CPU 610确定在存储器620中记录的传感器预热完成标志是否是接通的(步骤U112)。如果传感器预热完成标志是关(在步骤U112中的否)，则CPU 610结束这个例程。

如果传感器预热完成标志是接通的(在步骤U112中的是)，则CPU 610确定在存储器620中记录的σo-a计算完成标志是否是接通的(步骤U114)。当燃料电池系统1000A启动时，σo-a计算完成标志是断开的。如果在步骤U114中确定σo-a计算完成标志是断开的，则CPU610将由氧浓度传感器204检测到的、在燃烧排气通道202中流动的气体中的氧浓度o存储到存储器620中，并且作为n＝n+1计数(步骤U116)。

在该实施例中的燃料电池系统1000A中，氢不被供应到燃料电池堆100并且供应设备扫气空气，直至σo-a计算完成标志变成接通。结果，空气在燃烧排气通道202中行进，并且因此氧浓度传感器204检测空气中的氧浓度。然后，CPU 610确定氧浓度的检测样本的数目n是否大于或者等于氧浓度的检测样本的最大数目n_trg(步骤U118)。在该实施例中，如在第一实施例中，氧浓度的检测样本的最大数目n_trg等于250。如果氧浓度的检测样本的数目n小于n_trg(在步骤U118中的否)，则CPU 610结束该例程。

即，由氧浓度传感器204检测的、在空气中的氧浓度o的值在存储器620中累积，直至氧浓度样本的数目达到250。

如果氧浓度的检测样本的数目n大于或者等于n_trg(在步骤U118中的是)，则CPU 610计算空气中氧浓度波动值σo_a(步骤U120)。

通过使用前面的表达式(1)，以与在第一实施例中计算燃烧排气中的氧浓度波动值σo基本相同的方式来计算空气中氧浓度波动值σo_a。

在这之后，CPU 610设定n＝0(步骤U122)，并且接通在存储器620中存储的σo-a计算完成标志(步骤U124)，并且然后结束该例程。以此方式，计算空气中氧浓度波动值σo_a。

在该实施例中，当σo-a计算完成标志接通时，氢被供应到燃料电池堆100，使得燃料电池开始操作。

如果在步骤U114中确定空气中氧浓度波动值σo_a是接通的，则CPU 610前进到步骤U132(图8)。在步骤U132中，CPU 610将由氧浓度传感器204检测的、从燃烧部200排放的燃烧排气中的氧浓度o存储到存储器620中，并且计数n＝n+1(步骤U132)。然后，CPU 610确定氧浓度的检测样本的数目n是否大于或者等于氧浓度的检测样本的最大数目n_trg(步骤U134)。在该实施例中，氧浓度的检测样本的最大数目n_trg等于250。如果氧浓度的检测样本的数目n小于n_trg(在步骤U134中的否)，则CPU 610结束这个例程。

即，由氧浓度传感器204检测的、在燃烧排气中的氧浓度o的值被存储到存储器620中，直至燃烧排气中的氧浓度o的样本的数目达到250。

如果氧浓度的检测样本的数目n大于或者等于n_trg(在步骤U134中的是)，则CPU 610计算排气中氧浓度波动值σo-p并且燃烧排气中的平均氧浓度ov得以计算(步骤U138)。排气中氧浓度波动值σo-p是通过使用前面的表达式(1)计算的。

在这之后，CPU 610清除最早测量的氧浓度o，由此将氧浓度的检测样本的数目n改变为n-1(步骤U140)。CPU 610通过使用在步骤U138中计算的排气中氧浓度波动值σo-p和在步骤U120中计算的空气中氧浓度波动值σo_a来计算校正的氧浓度波动值σo_pa。然后，CPU610参考映射622A、通过使用校正的氧浓度波动值σo_pa和平均氧浓度ov而获得校正系数Ko(步骤U144)。

CPU 610参考映射623A来获得与输入负载要求i_req相称的基本燃料流量Qf_bse(步骤U146)。最后，CPU 610基于在步骤U144中获得的校正系数Ko和在步骤U146中获得的基本燃料流量Qf_bse来计算最终燃料流量Qf_fin(步骤U148)，并且然后结束该例程。

CPU 610通过调节流量调节阀406而控制被从重整燃料罐402供应到重整器400的重整燃料的流量，使得被供应到燃料电池堆100的燃料气体的流量变得等于如上所述计算的最终燃料流量Qf_fin。

如上所述，在该实施例中的燃料电池系统1000A基于校正的氧浓度波动值σo_pa(通过从排气中氧浓度波动值σo-p减去空气中氧浓度波动值σo_a获取的值)来获得校正系数Ko。即，因为氧浓度传感器204的依赖时间的变化被加以考虑，所以尽管氧浓度传感器204存在依赖时间的变化，被供应到燃料电池堆100的燃料流量也能够适当地受到控制。

此外，如上所述，在该实施例中的燃料电池系统1000A配备有重整器400，并且由重整器400产生的燃料气体被供应到燃料电池堆100。包含氢的燃料气体进一步包含一氧化碳、二氧化碳、甲烷和未反应的重整燃料(甲醇)，并且一氧化碳、甲烷和甲醇以及氢在电力产生中被燃料电池堆100使用和消耗。然后，未在燃料电池堆100中消耗的氢、一氧化碳、甲烷和甲醇被供应到燃烧部200，并且在其中被燃烧。

一氧化碳、甲烷和甲醇的燃烧范围比氢的燃烧范围更窄。因此，与在第一实施例中相比，在燃烧部200中发生燃烧故障的可能性更大。因为如上所述在重整器400中的重整反应是吸热反应，所以存在以下可能性，即，如果在燃烧部200中发生燃烧故障，则重整反应故障会发生，并且因此会劣化电力产生性能(稳定的电力产生和电力产生效率)。即，与如在第一实施例中那样被供应到燃料电池堆100的燃料气体仅仅是氢的情形相比较，在燃烧部200中的燃烧状态(燃烧故障)对于电力产生性能(电力产生的稳定性和电力产生效率)具有大的影响。

因此，如果如在这个实施例的燃料电池系统1000A中那样，基于燃烧排气中的氧浓度的波动值来控制被供应到重整器400的重整燃料的流量，则电力产生的稳定性和电力产生效率得以改进。即，与将本发明应用于其中如在第一实施例中那样供应纯氢的燃料电池系统相比，如在第二实施例中那样将本发明应用于使用从重整器供应的气体的燃料电池系统将实现更加显著的效果。

图11是示意性地示出作为本发明的第三实施例的燃料电池系统1000B的构造的示意性图示。这个实施例的燃料电池系统1000B不同于第二实施例的燃料电池系统1000A之处主要在于，燃料电池系统1000B配备有测量燃料电池堆100的输出电流的安培计110，并且在燃料流量的控制中，燃料电池堆100的输出电流被加以考虑。在图11中，与在第二实施例的燃料电池系统1000A中的那些基本相同的构造由相同的附图标记表示，并且在下面省略了其说明。

在该实施例中，如在以下描述地基于从燃烧部200排放的燃烧排气中的氧浓度的波动的值和燃料电池堆100的输出电流，从存储甲醇的重整燃料罐402供应到重整器400的甲醇的数量受到控制。结果，如在第二实施例中，被供应到燃料电池堆100的燃料流量受到控制。

图12是表示由在燃料电池系统1000B中设置的控制部600B的CPU 610执行的燃料流量计算例程的一部分的流程图。通过利用图12所示的过程替代在第二实施例中的燃料流量计算例程(图7和8所示)中的、图8所示过程来提供这个例程。因此，从附图并且从以下说明省略了这个实施例的例程的较早部分(即，图7所示的过程)。第三实施例的燃料流量计算例程不同于第二实施例的例程之处在于，在计算氢流量(最终燃料流量Qf_fin)时，燃料电池堆100的输出电流i的波动被加以考虑。在下文中，燃料电池堆100的输出电流i的波动将被称作“输出电流波动值σi”。

图13是示出在该实施例中在输出电流波动值σi和校正系数Ki之间的关系的图示。校正系数Ki是用于校正被供应到燃料电池堆100的氢的流量以使得输出电流波动值σi处于适当范围中的系数。

如在图13中所示，当输出电流波动值σi是在第三值i1和第四值i2之间的值时，校正系数Ki＝1.0。即，被供应到燃料电池堆100的燃料气体的流量(基本燃料流量Qf_bse)没有被校正。在该实施例中，第三值i1和第四值i2是预先通过试验确定的。

在该实施例中，表示在图13所示的输出电流波动值σi和校正系数Ki之间的关系的映射625被预先存储在存储器620中。如果平均输出电流iv大于预定值，则通过使用图13中的实线曲线图获得，并且如果平均输出电流iv小于预定值，则通过使用虚线曲线图获得校正系数Ki。

如果由安培计110检测到的输出电流i小，则输出电流i的波动(幅度)的测量精确度下降。因此，在平均输出电流iv小的情形中，如果被供应到燃料电池堆100的氢的流量以与在平均输出电流iv大的情形中相同的方式增加或者降低，则存在燃料电池堆100故障的可能性。在该实施例中，为了抑制与供应到燃料电池堆100的氢流量的校正相关联的故障，产生映射625以使得在平均输出电流iv小的情形中，与在平均输出电流iv大的情形中相比，校正系数Ki的值更小。附带说一句，在该实施例中，例如，如果平均输出电流iv大于或者等于10A，则限定的是“平均输出电流iv大”，并且如果平均输出电流iv小于10A，则限定的是“平均输出电流iv小”。

在图13所示的映射625中，在输出电流波动值σi大于第四值i2的情形中，使校正系数Ki的值相对大，并且在输出电流波动值σi小于第三值i1的情形中，使校正系数Ki的值相对小。

即，在输出电流波动值σi大于第四值i2的情形中，使供应到燃料电池堆100的燃料气体的流量大于与负载要求i_req相称的基本燃料流量Qf_bse。在输出电流波动值σi大的情形中，认为电力产生故障已经在燃料电池堆100中发生(例如，存在由于燃料不足等而不能够产生电力的单元电池)，并且因此认为，如果供应到燃料电池堆100的燃料气体的流量增加，则燃料电池堆100的电力产生将变得稳定。

在另一方面，在输出电流波动值σi小于第三值i1的情形中，使供应到燃料电池堆100的燃料气体的流量小于与负载要求i_req相称的基本燃料流量Qf_bse。在输出电流波动值σi小的情形中，认为燃料电池堆100的电力产生状态是良好(稳定)的，并且过量的燃料(氢)正被供应到燃料电池堆100。因此，认为通过降低被供应到燃料电池堆100的氢的流量，将改进燃料电池堆100的电力产生效率。

在该实施例中，如在第二实施例中，图9和10中所示的映射622A和623A也被预存储在存储器620中。

当燃料电池系统1000B启动时，这个例程得以执行，并且例如每100ms被反复地执行。当在燃料电池系统1000B启动时启动该例程时，CPU 610执行图7中的步骤U112至U124。

如果在步骤U114中确定σo-a计算完成标志是接通的，则CPU 610前进到步骤T132(图12)。在步骤T132中，CPU 610利用安培计110检测燃料电池堆100的输出电流i，并且利用氧浓度传感器204检测来自燃烧部200的燃烧排气中的氧浓度o。然后，CPU 610在存储器620中存储这些检测结果，并且作为n＝n+1计数(步骤T132)。在这之后，CPU 610确定氧浓度的检测样本的数目n是否大于或者等于氧浓度检测样本的最大数目n_trg(步骤T134)。

在该实施例中，氧浓度的检测样本的最大数目n_trg等于250。如果氧浓度的检测样本的数目n小于n_trg(在步骤T134中的否)，则CPU 610结束这个例程。在该实施例中，与氧浓度o的检测同时地执行输出电流i的检测，并且因此氧浓度的检测样本的数目n等于电流的检测样本的数目。

即，在燃烧排气中的氧浓度o的样本的数目n达到250之前，由安培计110检测的输出电流i的值和由氧浓度传感器204检测的、在燃烧排气中的氧浓度o的值被存储到存储器620中。

如果氧浓度的检测样本的数目n大于或者等于n_trg(在步骤T134中的是)，则CPU 610计算输出电流波动值σi和平均输出电流iv(步骤T138)。然后，CPU 610计算排气中氧浓度波动值σo-p和燃烧排气中的平均氧浓度ov(步骤T138)。

排气中氧浓度波动值σo-p是使用前面的表达式(1)计算的。使用以下表达式(2)来计算输出电流波动值σi：

$\mathrm{\σi}=\sqrt{(\mathrm{n\Σ}{\left[i\right]}^2-{\left(\mathrm{\Σ}\right[i\left]\right)}^2)/n(n-1)}|---\left(2\right)$

在这之后，CPU 610清除最早测量的输出电流i和最早测量的氧浓度o，由此将氧浓度的检测样本的数目n改变为n-1(步骤T140)。CPU610参考图13所示的映射625、通过使用在步骤T136中计算的输出电流波动值和平均输出电流iv来获得校正系数Ki(步骤T142)。随后，如在第二实施例中，CPU 610通过使用在步骤T138中计算的排气中氧浓度波动值σo-p和在步骤T120中计算的空气中氧浓度波动值σo_a来计算校正的氧浓度波动值σo_pa。然后，CPU 610参考图9中所示的映射622A、通过使用校正的氧浓度波动值σo_pa和平均氧浓度ov来获得校正系数Ko(步骤T144)。

CPU 610参考图10中所示的映射623A来获得与输入负载要求i_req相称的基本燃料流量Qf_bse(步骤T146)。最终，CPU 610基于在步骤T142中获得的校正系数Ki、在步骤T144中获得的校正系数Ko、以及在步骤T146中获得的基本燃料流量Qf_bse来计算最终燃料流量Qf_fin(步骤T148)。

CPU 610通过调节流量调节阀406来控制从重整燃料罐402供应到重整器400的重整燃料的流量，使得供应到燃料电池堆100的氢的数量变得等于如上所述计算的最终燃料流量Qf_fin。

例如，如果在燃料电池堆100的一部分中发生电力产生故障，则认为输出电流i的波动变大。在该实施例中的校正系数Ki是用于校正被供应到燃料电池堆100的氢的流量以使得输出电流i的波动在适当范围内的系数。

在该实施例中的燃料电池系统1000B中，通过校正与负载要求i_req相称的燃料流量(基本燃料流量Qf_bse)以使得在燃烧排气中的氧浓度、燃料电池堆100的输出电流并且它们各个波动值是在预定范围内，最终燃料流量Qf_fin得以计算。因此，在配备有重整器400的燃料电池系统1000B中，电力产生的稳定性和电力产生效率得以进一步改进。

附带说一句，本发明不限于前面的实施例或者实例，而是还可以例如带有以下修改地执行。

在前面的第一实施例中的映射622中，其中Ko＝1.0的氧浓度波动值σo的范围(即，从第一值o1到第二值o2的范围)在平均氧浓度ov大的情形和平均氧浓度ov小的情形之间是相同的。然而，在平均氧浓度ov大的情形和平均氧浓度ov小的情形之间，其中Ko＝1.0的氧浓度波动值σo的范围可以是不同的。例如，图14是示出根据修改的、在氧浓度波动值σo和校正系数Ko之间的关系的图示。在图14中，与在平均氧浓度ov大的情形中相比，在平均氧浓度ov小的情形中，其中Ko＝1.0的氧浓度波动值σo的范围被更宽地设定。在由氧浓度传感器204检测到氧浓度o小的情形中，氧浓度o的波动(幅度)的测量精确度下降。通过将氧浓度波动值σo的正确范围(即，其中Ko＝1.0的氧浓度波动值σo的范围)设定为相对宽的范围，能够减小燃料电池系统1000发生故障的可能性。

同样地，在平均输出电流iv大的情形和平均输出电流iv小的情形之间，其中Ki＝1.0(从第三值i1到第四值i2的范围)的输出电流波动值σi的范围也可以是不同的。这同样适用于使用输出电压执行控制的情形。

虽然在前面的实施例中，根据平均氧浓度ov是大的还是小的以及平均输出电流iv是大的还是小的，来改变燃料流量的增加/降低比例，但是可以与平均氧浓度ov是大的还是小的或者平均输出电流iv是大的还是小的无关的情况下，固定燃料流量的增加/降低比例。此外，平均氧浓度ov是大的还是小的以及平均输出电流iv是大的还是小的标准被限制为在上面与实施例相结合地示出的标准。

虽然作为前面的实施例示出了通过利用由燃烧部200产生的热而将自来水转变成加热的水的系统以及通过使用由燃烧部200产生的热而经由重整器400产生氢的系统，但是本发明不限于前面的实施例，而是能够被应用于配备有燃料电池和燃烧部的各种燃料电池系统。

虽然在前面的实施例中，SOFC被用作燃料电池堆100，但是也可以使用各种燃料电池，例如固体聚合物电解质燃料电池、氢分离膜型燃料电池等。

在校正系数Ko和氧浓度波动值σo之间的关系以及在校正系数Ki和输出电流波动值σi之间的关系不限于与前面的实施例相结合地在图示中示出的关系。例如，虽然在示出第一实施例的图4中，在氧浓度波动值σo大于第二值o2的情形中，校正系数Ko线性地增加，但是校正系数Ko可以沿着曲线增加，并且还可以增加和降低。满足的是，在校正系数Ko和氧浓度波动值σo之间的关系是如此关系，使得当通过利用校正系数Ko校正基本燃料流量Qf_bse而被校正时，氧浓度波动值σo处于第一值o1和第二值o2之间。此外，还满足的是，在校正系数Ki和输出电流波动值σi之间的关系是如此关系，使得通过利用校正系数Ki校正基本燃料流量Qf_bse，输出电流波动值处于第三值i1和第四值i2之间。

在第三实施例中，描述了其中基于燃料电池堆的排气中氧浓度波动值σo-p和输出电流波动值σi来控制燃料流量的实例。然而，还容许采用这样一种构造，其中替代安培计110地设置伏特计，并且基于排气中氧浓度波动值σo-p和燃料电池堆的输出电压的波动值来控制燃料流量。此外，还容许采用包括安培计110和伏特计这两者的构造。

根据第一至第三实施例的燃料电池随着重整器的重整效率的下降而劣化。如果设置碳氢化合物传感器以检测重整器的重整效率的下降，则导致成本增加。本发明的第四实施例涉及一种省去了关于碳氢化合物传感器的成本的燃料电池系统。图15是示出根据第四实施例的燃料电池系统2000的总体构造的示意性图示。如在图15中所示，燃料电池系统2000包括控制部10、阳极原料供应部20、重整水供应部30、阴极空气供应部40、重整器50、燃料电池60、氧传感器70、热交换器80、以及通知装置90。

阳极原料供应部20包括用于向重整部51等供应诸如碳氢化合物等的燃料气体的燃料泵。重整水供应部30包括存储在重整部51中的重整反应需要的重整水的重整水罐31、用于向重整部51供应在重整水罐31中存储的重整水的重整水泵32等。阴极空气供应部40包括用于向阴极61供应诸如空气等的氧化剂气体的空气泵。

重整器50包括重整部51和燃烧部52。燃料电池60具有其中电解质被夹在阴极61和阳极62之间的结构。在这里能够使用的燃料电池60的实例是固体氧化物型燃料电池(SOFC)。通知装置90是用于向使用者等发出警告、报警等的装置。控制部10由CPU(中央处理单元)、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)等构成。

随后，将描述燃料电池系统2000的操作概要。阳极原料供应部20根据来自控制部10的命令向重整部51供应必要数量的燃料气体。重整水泵32根据来自控制部10的命令向重整部51供应必要数量的重整水。重整部51通过利用在燃烧部52中产生的热的重整反应从燃料气体和重整水产生包含氢的重整气体。如此产生的重整气体被供应到阳极62。

阴极空气供应部40根据来自控制部10的命令向阴极61供应必要数量的阴极空气。因此，在燃料电池60中产生电力。从阴极61排放的阴极废气和从阳极62排放的阳极废气流入到燃烧部52中。在燃烧部52中，在阳极废气中的可燃成分由于在阴极废气中的氧而燃烧。通过燃烧而获得的热被给予重整部51和燃料电池60。

因此，在燃料电池系统2000中，在阳极废气中包含的诸如氢、一氧化碳等的可燃成分能够在燃烧部52中燃烧。氧传感器70检测从燃烧部52排放的排气中的氧浓度，并且将检测结果给予控制部10。热交换器80在自来水和从燃烧部52排放的排气之间交换热。通过热交换而从排气获得的冷凝水被存储在重整水罐31中。通知装置90给予使用者等有关燃料电池60的状态的信息。

图16是用于描述氧传感器70的细节的示意性截面视图。如在图16中所示，氧传感器70是限制电流氧传感器，并且具有如此结构，其中阳极72被设置在电解质71的表面上并且阴极73被设置在电解质71的另一表面上，并且设置具有小的孔隙的多孔基板74以便覆盖阴极73。加热器75被设置在电解质71中。

电解质71由例如氧化锆的氧离子传导电解质制成。阳极72和阴极73由例如铂制成。阳极72和阴极73经由配线而形成外部电路。这个电路设置有电力源76和安培计77。多孔基板74由例如多孔氧化铝制成。加热器75由例如铂薄膜等制成。

随后，将描述利用控制部10的、氧传感器70的控制。控制部10通过向加热器75供应电力而加热电解质71。在电解质71的温度达到预定值之后，控制部10控制电力源76以使得正电压被施加到阳极72。当电压被电力源76施加到阳极72时，如在以下表达式(3)中那样，氧在阴极73上转变成氧离子，并且氧离子在电解质71中传导。在阳极72上，如在以下表达式(4)中那样，氧离子转变成氧分子。

O₂+4e^-→2O^2-(3)

2O^2-→O₂+4e^-(4)

被输送到阴极73的氧量由多孔基板74的孔隙的尺寸来支配。因此，由表达式(3)和表达式(4)所示的反应引起的电流(限制电流)由在多孔基板74的孔隙中扩散的氧气体的数量来确定。扩散的氧气体的数量由多孔基板74外侧的氧浓度来确定。

控制部10根据来自安培计77的检测值来获取氧传感器70的输出电流。氧传感器70的输出电流与氧浓度成比例。基于该比例关系，控制部10检测氧传感器70被暴露于此的气氛中的氧浓度。

图17是用于描述燃料电池60的细节的示意性图示。如在图17中所示，燃料电池60具有如此结构，其中电解质63被夹在阴极61和阳极62之间。阴极61的材料例如是锰酸镧等。阳极62的材料例如是镍等。电解质63的材料例如是氧化锆等。

在被供应到阳极62的重整气体中的氢和一氧化碳向阳极62释放电子。被释放到阳极62的电子在通过外部电路移动之后被供应到阴极61并且执行电气操作。在被供应到阴极61的阴极空气中的氧通过接收被供应到阴极61的电子而转变成氧离子。氧离子通过电解质63移动并且到达阳极62。在阳极62上，已经释放电子的氢和氧离子反应以产生水和二氧化碳气体。

如果重整器50的重整效率由于催化剂功能下降而下降，则在从重整器50供应到阳极62的重整气体中的碳氢化合物燃料的浓度变高。在此情形中，在阳极62的镍用作催化剂的情况下，碳氢化合物燃料在以下表达式(5)所示的水蒸汽重整反应中与水蒸汽反应。结果，产生了氢和一氧化碳。附带说一句，在表达式(3)中，甲烷被用作碳氢化合物燃料的实例。在前面的电力产生反应中，使用如在表达式(3)中产生的氢和一氧化碳。

CH₄+H₂O→CO+3H₂(5)

然而，在其中碳氢化合物燃料被供应到阳极62的情形中，碳氢化合物燃料中的碳有时可以在阳极62的表面上沉积。随着碳的沉积进行，阳极62的催化剂功能下降。结果，燃料电池60的电力产生性能下降，并且阳极废气中的碳氢化合物浓度增加。因此，可以由于检测到阳极废气中的碳氢化合物浓度增加而确定燃料电池60已经劣化。附带说一句，阳极62的催化剂功能同样还由于阳极62的氧化而下降。

例如，如果阳极62的催化剂功能下降，则在阳极废气中的氢浓度和碳氢化合物浓度之间的比率改变。因为碳氢化合物和氢的比燃耗是相互不同的，所以燃烧部52的燃烧状态随着在氢浓度和碳氢化合物浓度之间的比率的变化而改变。因此，在该实施例中，基于燃烧部52的燃烧状态的变化来检测在阳极废气中的碳氢化合物浓度的增加。

具体地，因为碳氢化合物的比燃耗低于氢的比燃耗，所以如果碳氢化合物浓度相对于阳极废气中的氢增加，则阳极废气的比燃耗下降。因此，在燃烧部52中的燃烧变得不稳定，并且在排气中的氧浓度波动。在另一方面，如果碳氢化合物浓度相对于阳极废气中的氢浓度降低，则阳极废气的比燃耗提高。因此，在燃烧部52中的燃烧变得稳定，并且在排气中的氧浓度的变化受到约束。因此，能够基于氧传感器70的检测结果来确定在阳极废气中的碳氢化合物浓度是否已经增加。

进而，因为碳氢化合物的燃烧限制混合物比率(例如，在甲烷的情形中大约2.5)大于氢的燃烧限制混合物比率(例如，10)，所以能够通过增加燃烧部52的空气过量率λ而放大燃烧状态的波动量。因此，通过增加空气过量率λ，在检测燃烧状态中的精确度被改进。附带说一句，能够通过控制从阳极原-材料供应部20供应的阳极原料的数量和从阴极空气供应部40供应的阴极空气的数量来控制空气过量率λ。

在该实施例中，如果确定燃料电池60已经劣化，则通知装置90根据来自控制部10的命令给予使用者警告等。因此，使用者等能够执行燃料电池60等的检查。将在下面描述用于检测燃料电池60的状态的具体控制。

图18A是示出为了获取氧浓度波动而执行的过程流的实例的流程图。图18A所示的过程流被周期地(例如，每100ms)执行。如在图18A中所示，控制部10基于由氧传感器70执行的检测的结果来测量来自燃烧部52的排气中的氧浓度CNC_O₂(步骤S1)。接着，控制部10将计数器值N增加“1”(步骤S2)。

下面，控制部10确定计数器值N是否小于计算数据N_ref的数目(例如，“120”)(步骤S3)。如果在步骤S3中确定计数器值N小于计算数据N_ref的数目，则控制部10结束过程流的执行。因此，氧浓度CNC_O₂被测量“N_ref”次。如果在步骤S3中没有确定计数器值N小于计算数据N_ref的数目，则控制部10从氧浓度CNC_O₂的“N_ref”数目来计算氧浓度波动σ_O₂(步骤S4)。附带说一句，氧浓度波动σ_O₂是从氧浓度CNC_O₂的“N_ref”数目计算的标准偏差。

图18B是示出当通过使用如在图18A的流程图中所示的存储的氧浓度波动σ_O₂而确定燃料电池60存在/不存在劣化时控制部执行的过程流的实例的流程图。如在图18B中所示，控制部10确定氧浓度波动σ_O₂是否大于容许上限σ_O₂_ref(例如，″0.2″)(步骤S11)。容许上限σ_O₂_ref是用于确定在燃烧部52中的燃烧的状态波动的阈值。

如果在步骤S11中没有确定氧浓度波动σ_O₂大于容许上限σ_O₂_ref，则控制部10确定空气过量率λ是否大于上限过量率λ_max(例如，″8″)(步骤S12)。在这里，上限过量率λ_max是在燃烧部52中允许的空气过量率的最大值。

如果在步骤S12中确定空气过量率λ大于上限过量率λ_max，则控制部10结束在图18B中示出的过程流的执行。如果在步骤S12中没有确定空气过量率λ大于上限过量率λ_max，则控制部10以“0.1”增加空气过量率λ(步骤S13)。当重复步骤S13的过程时，空气过量率λ逐渐地增加。因此，在检测氧浓度波动σ_O₂时的精确度改进。

如果在步骤S11中确定氧浓度波动σ_O₂大于容许上限σ_O₂_ref，则控制部10将空气过量率λ控制为普通控制值λ_bse(例如，“2.5”)(步骤S14)。普通控制值λ_bse是通过在燃料电池60的普通电力产生期间的控制维持的空气过量率。

下面，控制部10选择与氧浓度波动σ_O₂相称的控制值(步骤S15)。例如，控制部10执行控制以稳定在燃烧部52中的燃烧。具体地，控制部10执行增加从阳极原料供应部20供应的阳极原料的数量的控制。

接着，控制部10确定氧浓度波动σ_O₂是否大于警告标准值σ_O₂_max(例如，“0.5”)(步骤S16)。警告标准值σ_O₂_max是用于确定燃料电池60是否已经劣化的阈值。如果在步骤S16中确定氧浓度波动σ_O₂大于警告标准值σ_O₂_max，则控制部10控制通知装置90以便显示警告(步骤S16)。在这之后，控制部10结束图18B所示过程流的执行。此外，如果在步骤S16中没有确定氧浓度波动σ_O₂大于警告标准值σ_O₂_max，则控制部10结束过程流的执行。

根据图18A和18B，可以通过使用氧传感器70检测燃烧部52中的燃烧波动。因此，能够检测燃料电池60的劣化。

附带说一句，在空气过量率λ逐渐地增加的情形中，能够确定燃料电池60的劣化已经进行到氧浓度波动σ_O₂相对于空气过量率λ的增加更大则更大的程度。在此情形中，能够定量地确定燃料电池60的劣化。

在该实施例中，控制部10用作确定部，并且阴极空气供应部40用作空气过量率控制装置。

附带说一句，本发明能够被以各种形式实现。例如，本发明可以被以包括燃料电池系统的联产系统、用于燃料电池系统的控制方法等的形式来实现。

虽然以上已经示意了本发明的某些实施例，但是应该理解，本发明不限于示例性实施例的细节，而是可以在不偏离本发明的范围的情况下以本领域技术人员可以想到的各种改变、修改或者改进来体现。

Claims (26)

1.一种燃料电池系统(1000)，其特征在于包括：

燃料电池(100)；

燃料供应部(20)，所述燃料供应部(20)向所述燃料电池供应燃料；

燃烧部(200)，所述燃烧部(200)燃烧从所述燃料电池的阳极排放的阳极排气；

氧浓度检测部(204)，所述氧浓度检测部(204)对氧浓度进行检测；以及

燃料流量控制部(600)，所述燃料流量控制部(600)对从所述燃料供应部供应到所述燃料电池的燃料的流量进行控制，以使得由所述氧浓度检测部检测的、在从所述燃烧部排放的燃烧排气中的氧浓度的波动量在第一值和大于所述第一值的第二值之间，

其中，

如果在所述燃烧排气中的氧浓度的波动量大于所述第二值，则所述燃料流量控制部增加所述燃料的流量，并且如果在所述燃烧排气中的氧浓度的波动量小于所述第一值，则所述燃料流量控制部减少所述燃料的流量。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中：

所述燃料供应部包括燃料生成部和原料供应部，所述燃料生成部通过使用由所述燃烧部产生的燃烧热来生成被供应到所述燃料电池的燃料，所述原料供应部向所述燃料生成部供应用于生成所述燃料的原料；并且

所述燃料流量控制部通过控制被供应到所述燃料生成部的原料的流量来控制被供应到所述燃料电池的燃料流量。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，

基于由所述氧浓度检测部检测的、在空气中的氧浓度的波动量来确定所述第一值和所述第二值。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，

所述燃烧排气中的氧浓度的绝对值越小，则由所述第一值和所述第二值限定的范围被设定得越宽。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，

当控制燃料的流量以使得在所述燃烧排气中的氧浓度的波动量在所述第一值和所述第二值之间时，所述燃烧排气中的氧浓度的绝对值越小，则所述燃料流量控制部将燃料的流量的增加/减少的比例减小得越多。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括测量所述燃料电池的输出电流的安培计(110)和测量所述燃料电池的输出电压的伏特计中的至少一个，

其中，所述燃料流量控制部对燃料的流量进行控制，以使得由所述安培计测量的输出电流和由所述伏特计测量的输出电压之一的振幅在第三值和大于所述第三值的第四值之间。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，

如果由所述安培计测量的输出电流和由所述伏特计测量的输出电压之一的振幅大于所述第四值，则所述燃料流量控制部增加燃料的流量，并且如果由所述安培计测量的输出电流和由所述伏特计测量的输出电压之一的振幅小于所述第三值，则所述燃料流量控制部减少燃料的流量。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中，

所述输出电流的绝对值越小，则由所述第三值和所述第四值限定的范围被设定得越宽。

9.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中，

当控制燃料的流量以使得输出电流的振幅在所述第三值和所述第四值之间时，输出电流的绝对值越小，则所述燃料流量控制部将燃料的流量的增加/减少比例减小得越多。

10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，

在所述排气中的氧浓度的波动量是氧浓度的振幅。

11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：

重整部(51)，所述重整部(51)用于从碳氢化合物中生成氢；

判定部(10)，所述判定部(10)基于来自所述燃烧部的排气中的氧浓度的波动量来确定所述燃料电池是否已经劣化，所述排气是由所述氧浓度检测部检测的预定气体，并且，

其中，所述燃料电池通过使用由所述重整部生成的氢作为燃料来产生电能。

12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，还包括空气过量率控制装置，所述空气过量率控制装置用于控制在所述燃烧部中的空气过量率，

其中，当所述判定部获取到所述排气中的氧浓度的波动量时，所述空气过量率控制装置(40)增加所述空气过量率。

13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中，

相对于在所述燃烧部中的空气过量率的增加，在所述排气中的氧浓度的波动量越大，则所述判定部确定所述燃料电池的劣化越大。

14.根据权利要求11所述的燃料电池系统，还包括：

通知器件(90)，如果所述判定部确定所述燃料电池已经劣化，则所述通知器件(90)将所述燃料电池的劣化通知给使用者。

15.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中，

所述氧浓度的波动量是在根据预定期间内由所述氧浓度检测部检测的多个检测值计算出的标准偏差。

16.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，

所述燃料电池是固体氧化物型燃料电池。

17.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，

所述燃料电池的阳极包含镍。

18.一种用于燃料电池(100)的状态检测方法，所述燃料电池包括从碳氢化合物中生成氢气的重整部(51)和对阳极废气进行燃烧的燃烧部(200)，并且所述燃料电池通过使用由所述重整部生成的氢气作为燃料来产生电能，所述状态检测方法特征在于包括：

检测在来自所述燃烧部的排气中的氧浓度；以及

基于检测到的排气中的氧浓度的波动量来确定所述燃料电池存在/不存在劣化，

其中，

确定所述燃料电池存在/不存在劣化包括增加所述燃烧部中的空气过量率，以便获取所述排气中的氧浓度的波动量。

19.根据权利要求18所述的状态检测方法，其中：

确定所述燃料电池存在/不存在劣化包括确定所述燃料电池的劣化的水平；以及

相对于所述燃烧部中的空气过量率的增加，所述排气中的氧浓度的波动量越大，则所确定的水平越高。

20.根据权利要求18所述的状态检测方法，还包括如果确定所述燃料电池已经劣化，则将所述燃料电池的劣化通知给使用者。

21.根据权利要求18所述的状态检测方法，其中，

氧浓度的波动量是根据在预定期间内检测到的多个检测值来计算出的标准偏差。

22.根据权利要求18所述的状态检测方法，其中，

所述燃料电池是固体氧化物型燃料电池。

23.根据权利要求18所述的状态检测方法，其中，

所述燃料电池的阳极包含镍。

24.一种用于燃料电池系统(1000)的控制方法，所述燃料电池系统(1000)包括燃料电池(100)和对从所述燃料电池的阳极排放的阳极排气进行燃烧的燃烧部(200)，所述控制方法特征在于包括：

获取从所述燃烧部排放的燃烧排气中的氧浓度；以及

控制被供应到所述燃料电池的燃料的流量，以使得所获取的在燃烧排气中的氧浓度的波动量在第一值和大于所述第一值的第二值之间，

其中，如果在所述燃烧排气中的氧浓度的波动量大于所述第二值，则增加所述燃料的流量，并且如果在所述燃烧排气中的氧浓度的波动量小于所述第一值，则减少所述燃料的流量。

25.根据权利要求24所述的控制方法，其中，

在所述排气中的氧浓度的波动量是氧浓度的振幅。

26.一种燃料电池系统(1000)，其特征在于包括：

重整部(51)，所述重整部(51)从碳氢化合物中生成氢；

燃料电池(100)，所述燃料电池(100)通过使用由所述重整部生成的氢作为燃料来产生电能；

燃烧部(200)，所述燃烧部(200)燃烧从所述燃料电池的阳极排放的阳极排气；

氧浓度检测部(204)，所述氧浓度检测部(204)检测所述阳极排气中的氧浓度；以及

判定部(10)，所述判定部(10)基于由所述氧浓度检测部检测的、在来自所述燃烧部的排气中的所述氧浓度的波动量来确定所述燃料电池是否已经劣化，

其中，

通过增加所述燃烧部中的空气过量率，以便获取所述排气中的氧浓度的波动量，所述判定部(10)来确定所述燃料电池是否已经劣化。