CN102947997A - 燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统（100），其配备有测量阴极气体供应量的空气流量计（33）和氢气循环泵（64）。控制器（20）指令燃料电池（10）执行预设的基准操作、测量由氢气循环泵（64）消耗的电力，并且确定适合于由氢气循环泵（64）消耗的电力量的阴极气体供应量。控制器（20）然后计算在空气流量计（33）中的测量误差和对于测量误差的校正值。控制器（20）基于在利用校正值校正之后的由空气流量计（33）测量的值来控制阴极气体供应量。

Description

燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池。
背景技术
燃料电池系统向燃料电池供应反应气体以产生电力，并且输出对应于来自外部负载的请求的电力。通常，在燃料电池系统中，阴极气体的流量由诸如空气流量计的流量计来测量，并且基于所测量的流量来控制被供应到燃料电池的阴极气体的量（例如见日本专利申请公布No.2007-220625（JP-A-2007-220625））。然而，流量计的准确度随着时间降低，这可能在测量中引入误差。当来自流量计的读数是错误的时，不适当的量的阴极气体可能被供应到燃料电池。
发明内容
本发明有助于适当控制供应到燃料电池的反应气体的量。
作为本发明的第一方面，一种根据来自外部负载的请求输出电力的燃料电池系统包括：燃料电池；阴极气体供应部，该阴极气体供应部向燃料电池供应阴极气体；气体供给量传感器，该气体供给量传感器测量由阴极气体供应部供给到燃料电池的阴极气体的量；阳极气体供应部，该阳极气体供应部向燃料电池供应阳极气体；特征值检测部，该特征值检测部检测作为与阳极气体相关联并且与实际上被供应到燃料电池的阴极气体的量相关的值而预先选择的特征值；以及控制器，该控制器对被供应到燃料电池的阳极气体的量和被供应到燃料电池的阴极气体的量进行控制，以控制燃料电池的操作。当执行基准操作以在预设条件下操作燃料电池时阴极气体的供应量和特征值之间的相关性已经预先存储了在控制器中。该控制器使得燃料电池执行基准操作、获取由气体供给量传感器测量的值、检测特征值、使用该相关性来对所检测的特征值获取阴极气体的供应量作为供应量基准值，并且对在供应量基准值和由气体供给量传感器所测量的值之间的差进行计算并且作为由气体供给量传感器所测量的值的误差。该控制器基于由气体供给量传感器测量的值，来调整由阴极气体供应部供给的阴极气体的量，以使得在向燃料电池供应阴极气体时对误差进行补偿。根据本发明的第一方面，基于特征值测量阴极气体的供应量，该特征值与供应的阴极气体的实际量具有预先已知的相关性，并且参考阴极气体的供应量的测量值来计算在气体供给量传感器中的测量误差。然后，在基于由气体供给量传感器测量的值控制阴极气体的供应量的控制处理中，供给的阴极气体的量得到调整，使得对测量误差进行了补偿。因此，能够适当地控制被供应到燃料电池的阴极气体的量。
在根据本发明的第一方面的燃料电池系统中，阳极气体供应部可以配备有用于将阳极气体供给到燃料电池的泵，并且特征值检测部可以检测由泵消耗的电力作为特征值，由泵消耗的电力随着实际上被供应到燃料电池的阴极气体的量的增加而降低。根据这种配置，能够基于由供给阳极气体的泵消耗的电力来测量阴极气体的供应量，并且能够参考阴极气体的供应量的测量值，来计算在气体供给量传感器中的测量误差。因此，能够适当地控制被供应到燃料电池的阴极气体的量。
在根据本发明的第一方面的燃料电池系统中，特征值检测部可以检测在燃料电池的阳极侧的气流通道中的压力损失来作为特征值，压力损失随着实际上被供应到燃料气体的阴极气体的量的增加而降低。根据这种配置，能够基于在燃料电池的阳极侧的气流通道中的压力损失来测量阴极气体的供应量，并且参考阴极气体的供应量的测量值，能够计算在气体供给量测量中的测量误差。
在根据本发明的第一方面的燃料电池系统中，特征值检测部可以检测阳极废气的湿度来作为特征值，阳极废气的湿度随着实际上被供应到燃料电池的阴极气体的量的增加而降低。根据这种配置，能够基于阳极废气的湿度来测量阴极气体的供应量，并且参考阴极气体的供应量的测量值，能够计算在气体供给量传感器中的测量误差。
在根据本发明的第一方面的燃料电池系统中，可以在被供应到燃料电池的阳极气体的量和被供应到燃料电池的阴极气体的量分别保持等于预设的恒定量、并且燃料电池的输出保持等于预设的恒定输出的情况下，来执行基准操作。根据这种配置，能够容易地获取在执行基准操作期间的阴极气体的供应量和特征值之间的相关性。因此，能够基于由特征值检测部所检测到的特征值，来更加准确地获取阴极气体的供应量。
作为本发明的第二方面，一种控制具有气体供给量传感器的燃料电池系统的方法包括：执行基准操作以在预设条件下操作燃料电池；测量被供给到燃料电池的阴极气体的量；检测作为与阳极气体相关联并且与实际上被供应到燃料电池的阴极气体的量相关的值而预先选择的特征值；参考预先准备的、在执行基准操作期间阴极气体的供应量和特征值之间的相关性，对于特征值来获取阴极气体的供应量，作为供应量基准值；以及，在对作为在测量的阴极气体的量和获取的供应量基准值之间的差而计算的误差进行补偿的同时，基于由气体供给量传感器所测量的值向燃料电池供应阴极气体。
作为本发明的第三方面，一种控制燃料电池系统的方法包括：执行基准操作以在预设条件下操作燃料电池；测量被供给到燃料电池的阴极气体的量；检测作为与阳极气体相关联并且与实际上被供应到燃料电池的阴极气体的量相关的值而预先选择的特征值；并且使用预先准备的、在执行基准操作期间阴极气体的供应量和特征值之间的相关性，对于特征值来获取阴极气体的供应量。根据本发明的这个方面，能够通过检测特征值来测量阴极气体的供应量。使用这个测量值，能够更加容易地并且更加适当地控制阴极气体的供应量。
应该指出，本发明能够被以各种形式，例如以燃料电池系统、被应用于燃料电池系统的控制方法、用于实现该系统或者该方法的计算机程序、在其上记录计算机程序的记录介质、安装有该燃料电池系统的车辆等的形式来实现。
附图说明
将参考附图在本发明的示例性实施例的以下详细说明中描述本发明的特征、优点，以及技术和工业重要性，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是示出燃料电池系统的配置的概略视图；
图2是示出燃料电池系统的电气配置的概略视图；
图3A和3B包括在燃料电池系统中控制被供应到燃料电池的阴极气体的的量的过程的说明性视图；
图4是示出对于空气流量计中的测量误差进行补偿的测量误差补偿操作的过程的说明性视图；
图5A和5B包括描绘在被供应到燃料电池的空气的量和由氢气循环泵消耗的电力之间的相关性的说明性视图；
图6是描绘获取空气供应量基准值和校正值计算的过程的说明性视图；
图7是示出根据本发明的第二实施例的燃料电池系统的配置的概略视图；
图8A是在燃料电池系统中执行的校正值确定过程的流程图；
图8B是用作在图8A的步骤S30中使用的示例基准值确定映射的曲线图；
图9是示出根据本发明的第三实施例的燃料电池系统的配置的概略视图；
图10A是在根据本发明的第三实施例的燃料电池系统中执行的校正值确定过程的流程图；
图10B是在图10A的步骤S30中使用的基准值获取映射的示例的曲线图；
图11是示出根据本发明的第四实施例的燃料电池系统的配置的概略视图；并且
图12A和12B包括描绘在本发明的第四实施例中控制供应的阴极气体的量的过程的说明性视图。
具体实施方式
图1是根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的配置的概略视图。燃料电池系统100配备有燃料电池10、控制器20、阴极气体供应部30、阴极气体排放部40、阳极气体供应部50、阳极气体循环排放部50和冷却介质供应部70。
燃料电池10是使用氢气（阳极气体）和空气（阴极气体）作为反应气体来产生电力的质子交换膜燃料电池。燃料电池10具有堆叠结构，其中也被称作单体电池的多个发电机（未示出）在彼此之上层叠。每一个单体电池具有膜电极组件，膜电极组件在潮湿时呈现良好质子传导性的电解质膜的两侧上分别有整体布置的电极。应该指出，燃料电池10不限于质子交换膜燃料电池，而是可以适当地采用其它类型的燃料电池作为燃料电池10。
控制器20由配备有中央处理单元和主存储单元的微型计算机构成。控制器20从外部负载200接收对于输出电力的请求，并且根据该请求来对燃料电池系统100的相应的构成部分进行控制，以使得燃料电池10产生电力。
阴极气体供应部30包括阴极气体管道31、空气压缩机32、空气流量计33和打开/关闭阀34。阴极气体管道31被连接到燃料电池10的阴极侧。空气压缩机32经由阴极气体管道31而被连接到燃料电池10。响应于来自控制器20的命令，空气压缩机32向燃料电池10供应通过引入外侧空气而被压缩的空气来作为阴极气体。
空气流量计33测量在空气压缩机32上游由空气压缩机32引入的周围空气的量，并且向控制器20发送测量的量。由这个空气流量计33测量的空气流量代表由空气压缩机32供给的阴极气体的量。控制器20基于测量的空气流量来执行被供应到燃料电池10的阴极气体的量的反馈控制，但是将在以后描述这个反馈控制的细节。
打开/关闭阀34被提供在空气压缩机32和燃料电池10之间，并且根据阴极气体通过阴极气体管道31的流动而打开/关闭。更加具体地，打开/关闭阀34通常被关闭，并且当具有预定压力的空气被从空气压缩机32供应到阴极气体管道31时打开。
阴极气体排放部40包括阴极废气管道41、压力调节阀43和压力传感器44。阴极废气管道41被连接到燃料电池10的阴极侧，并且向燃料电池系统100的外侧排放阴极废气。阴极废气管道41被提供有压力调节阀43，并且控制器20控制压力调节阀43的开度。
压力传感器44被提供在压力调节阀43上游的阴极废气管道41中。压力传感器44检测在燃料电池10的阴极的出口侧的压力（背压力），并且向控制器20发送检测的压力。控制器20基于检测的压力来调整压力调节阀43的开度，以控制燃料电池10的阴极中的压力。
阳极气体供应部50包括阳极气体管道51、氢气罐52、打开/关闭阀53、调节器54和喷射器55。氢气罐52经由阳极气体管道51而被连接到燃料电池10的阳极侧，并且从氢气罐52向燃料电池10供应氢气。或者，燃料电池系统100可以配备有从碳氢化合物燃料产生氢气的重整器作为氢气供应源。
阳极气体管道51包括打开/关闭阀53、调节器54和喷射器55，它们从氢气罐52侧按照所述次序布置。打开/关闭阀53根据来自控制器20的指令而打开/关闭，并且控制氢气从氢气罐52到喷射器55的上游侧的流入。调节器54是调整在喷射器55上游的氢气压力的压力降低阀，并且调节器54的开度由控制器20控制。喷射器55是电磁操作的打开/关闭阀，其中阀体根据由控制器20设定的驱动循环或者阀打开时间而电磁地驱动。控制器20控制喷射器55的驱动循环和喷射器55的阀打开时间，以控制被供应到燃料电池10的氢气的量。
阳极气体循环排放部60包括阳极废气管道61、气体-液体分离器62、阳极气体循环管道63、氢气循环泵64、阳极排出管道65和排出阀66。阳极废气管道61将燃料电池10的阳极的出口连接到气体-液体分离器62，并且将包含未反应气体（氢气、氮气等）的阳极废气引入到气体-液体分离器62。
气体-液体分离器62被连接到阳极气体循环管道63和阳极排出管道65。气体-液体分离器62从湿气中分离在阳极废气中包含的气体成分，将气体成分引入到阳极气体循环管道63，并且将湿气引入到阳极排出管道65。阳极气体循环管道63在喷射器55下游的位置处被连接到阳极气体管道51。
氢气循环泵64被提供在阳极气体循环管道63中，并且使得在被气体-液体分离器62分离的气体成分中包含的氢气循环到阳极气体管道51。控制器20然后以恒定的预设电压电平驱动氢气循环泵64的驱动电机（未示出）。
阳极排出管道65向燃料电池系统100外侧排出被气体-液体分离器62分离的湿气。阳极排出管道65包括根据来自控制器20的命令打开/关闭的排出阀66。控制器20通常在燃料电池系统100的操作期间保持排出阀66关闭，并且以预定间隔打开排出阀66。此外，控制器20基于由燃料电池10产生的电力量的变化来检测以循环方式供应到燃料电池10的氢气的浓度。如果确定浓度低于阈值浓度，则控制器20打开排出阀66以排放阳极气体中的非活性气体。
冷却介质供应部70配备有冷却介质管道71、散热器72、冷却介质循环泵73以及两个冷却介质温度传感器74和75。冷却介质管道71耦合用于冷却介质的入口歧管和用于冷却介质的出口歧管，通过入口歧管和出口歧管来循环冷却介质。循环冷却介质来冷却燃料电池10。冷却介质管道71被提供有散热器72，散热器72在通过冷却介质管道71流动的冷却介质和外侧空气之间交换热量，以使冷却介质冷却。
冷却介质管道71在散热器72下游的位置处（在燃料电池10的冷却介质入口侧）被提供有冷却介质循环泵73。冷却介质循环泵73向燃料电池10供给由散热器72冷却的冷却介质。冷却介质管道71在靠近燃料电池10的冷却介质出口和靠近燃料电池10的冷却介质入口处分别被提供有两个冷却介质温度传感器74和75。冷却介质温度传感器74和75向控制器20发送检测的温度。控制器20基于在由这两个冷却介质温度传感器74和75测量的值之间的差，来确定燃料电池10的操作温度，并且根据检测的温度来控制由冷却介质循环泵73供给的冷却介质的量，由此调整燃料电池10的操作温度。
图2是燃料电池系统100的电气配置的概略视图。应该指出，由燃料电池10和二次电池81输出的电力不仅被供应到外部负载200和氢气循环泵64，而且还被供应到在燃料电池系统100中的燃料电池系统100的其它辅助设备。然而，用于向辅助设备供应电力的管道未被示出或者描述。
燃料电池系统100配备有二次电池81、DC/DC转换器82、第一DC/AC逆变器83和第二DC/AC逆变器84。第一DC/AC逆变器83被连接到外部负载200，并且第二DC/AC逆变器84被连接到氢气循环泵64的驱动电机（未示出）。第一DC/AC逆变器83和第二DC/AC逆变器84经由直流供电线路DCL而被相互并联地连接到燃料电池10。
第一DC/AC逆变器83和第二DC/AC逆变器84将由燃料电池10和二次电池81输出的直流电力转换成交流电力，并且分别地向外部负载200和氢气循环泵64供应交流电力。应该指出，第二DC/AC逆变器84包括电压传感器841和电流传感器842。控制器20基于电压传感器841和电流传感器842的读数来测量由氢气循环泵64消耗的电力。
二次电池81经由DC/DC转换器82而被连接到直流供电线路DCL。二次电池81起到用于燃料电池10的辅助电源的作用，并且能够由例如可再充电锂离子电池构成。DC/DC转换器82具有作为控制二次电池81的充电/放电的充电/放电控制器的功能，并且根据来自控制器20的指令可变地调整直流供电线路DCL的电压电平。
当燃料电池10的输出对于来自外部负载200的输出请求而言不足时，控制器20指令DC/DC转换器82从二次电池81放电，由此补偿在输出中的不足。应该指出，当外部负载200产生再生电力时，再生电力被第一DC/AC逆变器83转换成直流电力并且经由DC/DC转换器82而被用于对二次电池81充电。
图3A和3B示出在燃料电池系统100中控制被供应到燃料电池10的阴极气体的量的过程。在燃料电池系统100中，控制器20使用存储在存储部中的两个映射21和22来控制空气压缩机32的旋转速度。在控制被供应到燃料电池10的阴极气体的量（在下文中还被称作“空气供应量”）时使用映射21和22。
在图3A中，通过曲线图表达用于确定空气供应量，即，被供应到燃料电池10的空气的量（目标空气供应量）的空气供应量确定映射21的一个示例，在曲线图中纵坐标代表燃料电池10的输出电压并且横坐标代表空气供应量。在空气供应量确定映射21中，随着燃料电池10的输出电压的增加，空气供应量线性地增加。控制器20基于由外部负载200请求的电力的量来设定将由燃料电池10输出的目标输出电力WFC。使用空气供应量确定映射21，控制器20然后对于目标输出电力WFC确定目标空气供应量QAT（在曲线图中由虚线箭头指示）。
在图3B中，通过曲线图表达用于确定空气压缩机32的旋转速度的旋转速度确定映射22的一个示例，在曲线图中纵坐标代表空气压缩机32的旋转速度并且横坐标代表空气供应量。在这个旋转速度确定映射22中，空气压缩机32的旋转速度随着空气供应量的增加而线性地增加。
控制器20确定校正后目标空气供应量CQAT，校正后目标空气供应量CQAT是通过将目标空气供应量QAT乘以校正值K并且向其加上反馈校正值ΔQF而获得的（即，CQAT=K·QAT+ΔQF）。这里应该指出，“校正值K”补偿空气流量计33的测量误差，并且是通过在以后描述的校正值确定过程确定的。此外，反馈校正值ΔQF是用于基于由空气流量计33测量的空气的量执行空气供应量的反馈控制的空气供应量。控制器20计算反馈校正值ΔQF，这是在目标空气供应量QAT和由空气流量计33测量的空气供应数量QAM之间的差（ΔQF=QAT-QAM）。
使用旋转速度确定映射22，控制器20对于校正后目标空气供应量CQAT确定空气压缩机的旋转速度RAC（在下文中被称作“命令旋转速度RAC”）。控制器20然后以命令旋转速度RAC驱动空气压缩机32以向燃料电池10供应适当量的阴极气体。因此，在根据本发明的这个实施例的燃料电池系统100中，基于从空气流量计33的读数对空气供应量进行反馈控制，以使得能够适当地控制空气供应量。
在空气流量计33中的测量误差可能由于空气流量计33的初始缺陷、空气流量计33的劣化等而发生。当在空气流量计33中产生正侧测量误差时，空气供应量降低至低于目标值，从而可能在燃料电池10中无法产生目标输出。此外，当空气供应量因此被控制为小值时，从燃料电池10排出的湿气不足，从而可以发生在燃料电池10的发电性能上的劣化。
相比之下，当在空气流量计33中产生负侧测量误差时，空气供应量超过目标值。如果被供应到燃料电池10的空气的量等于或者超过目标值，则从燃料电池10排出的量增加，电解质膜变得干燥，并且燃料电池10的输出可能降低。因此，在燃料电池系统100中，基于由氢气循环泵64消耗的电力来计算在空气流量计33中的测量误差，并且用于补偿测量误差的校正值K得以确定。
图4是示出用于确定空气流量计33中的测量误差的校正值的校正值确定过程的步骤的流程图。当燃料电池系统100的操作终止时，控制器20定期执行测量误差补偿过程。即，在燃料电池系统100重启之后的操作中，校正在空气流量计33中的测量误差。
在步骤S10中，控制器20开始用于在预设条件下操作燃料电池10的基准操作。更加具体地，控制器20执行控制以开始反应气体的供应，从而预设的恒定量的反应气体被供应到燃料电池10。即，关于供应阴极气体的控制，在预设的空气供应量被设定为目标空气供应量的情况下，驱动空气压缩机32，并且压力调节阀43打开至预定开度。相比之下，关于供应阳极气体的控制，以预设驱动循环驱动喷射器55，并且在预定电压下驱动氢气循环泵64。
此外，控制器20指令DC/DC转换器82控制燃料电池10输出恒定电力。控制器20还控制冷却介质循环泵73的旋转速度以稳定燃料电池10的操作状态，由此将燃料电池温度维持在规定的操作温度（例如，80℃）。应该指出，在基准操作中产生的燃料电池10的输出电力可以被存储在二次电池81中。
在步骤S20中，控制器20测量当燃料电池10执行基准操作时由氢气循环泵64消耗的电力。更加具体地，控制器20可以计算在其间执行基准操作的特定时段中由氢气循环泵64消耗的电力的时间平均值。应该指出，本发明的发明人已经发现，在由氢气循环泵64消耗的电力和空气供应量之间存在下文描述的相关性。
图5A和5B是用于示出在被供应到燃料电池的空气的量和由氢气循环泵64消耗的电力之间的相关性的说明性视图。图5A是在空气供应量和燃料电池10的阳极侧上的气流通道中的压力损失之间的相关性的概略视图。在图5A中，概略地示出了燃料电池10和氢气循环泵64，并且箭头指示反应气体的流动和湿气的运动。
燃料电池10具有电解质膜1，和被布置于电解质膜1的相对侧上的阳极2和阴极3。阳极2和阴极3由气体可渗透的多孔导电构件构成。多孔导电构件还起到气流通道的作用，反应气体通过该气流通道扩散以散布到整个电极。
这里假设被供应到阴极3的空气的量在燃料电池10的操作期间逐渐地增加。在此情形中，随着空气供应量增加，阴极废气的量增加，并且从阴极3排出的湿气量也增加。然后推进了湿气经由电解质膜1从阳极2到阴极3的运动。即，随着空气供应量增加，在阳极2的细微孔中包含的湿气的量降低，并且在阳极2中的压力损失降低。当在阳极2中的压力损失降低时，用于氢气循环泵64的负载扭矩也降低。因此，由氢气循环泵64消耗的电力也降低。
图5B是示出当燃料电池10执行基准操作时在空气供应量和由氢气循环泵64消耗的电力之间的相关性的曲线图。如在燃料电池10执行基准操作的情形中，假设在恒定电压下驱动氢气循环泵64从而燃料电池10输出恒定电力。在此情形中，随着被供应到燃料电池10的空气量的增加，在阳极2中的压力损失线性地降低，并且由氢气循环泵64消耗的电力也线性地降低。
通过预先确定在空气供应量和由氢气循环泵64消耗的电力之间的相关性，可以基于测量的由氢气循环泵64消耗的电力的量，来测量被供应到燃料电池10的空气的量。因此，在随后的过程中，燃料电池系统100对于测量的由氢气循环泵64消耗的电力的量确定空气供应量，并且根据空气供应量计算在空气流量计33中的测量误差。
应该指出，由空气流量计33测量的空气供应量在下文中将被称作“测量的空气供应量”。此外，基于由氢气循环泵64消耗的电力获取的空气供应量将被称作“基准空气供应量”。
图6示出在步骤S30中确定基准空气供应量的过程和在步骤S40中计算校正值K的过程。在图6中，用于确定基准空气供应量的基准值确定映射23的一个示例被示为曲线图，其中纵坐标代表测量的由氢气循环泵64消耗的电力的量并且横坐标代表空气供应量。在基准值确定映射23中设定了在由氢气循环泵64消耗的电力和空气供应量之间的相关性，如参考图5B描述。使用基准值确定映射23，控制器20对于在步骤S20中获取的、由氢气循环泵64消耗的电力的给定测量值PHP确定空气供应量的基准值QAE（在曲线图中由虚线箭头指示）。
在步骤S40中，计算在于步骤S30中确定的空气供应量的基准值QAE和空气流量计33的测量值之间的差ΔQ，作为在空气流量计33中的测量误差（表达式（1））。
ΔQ=QAM-QAE（1）
根据以下表达式（2）计算用于补偿测量误差的校正值K。
K=（QAM+ΔQ）/QAM（2）
控制器20以非易失方式将校正值K存储在存储部（未示出）中。然后在燃料电池系统100重启之后控制器20读出校正值K，并且使用校正值K来控制空气压缩机32的驱动（图3B）。
如上所述，在燃料电池系统100中，在校正值确定过程中，检测由氢气循环泵64消耗的电力，作为与阳极气体相关联并且与供应的空气的实际量相关的值。然后参考对于检测的由氢气循环泵64消耗的电力量获取的空气供应量，计算在空气流量计33中的测量误差，并且确定用于补偿测量误差的校正值。通过使用这个校正值基于空气流量计33的测量值来执行反馈控制，补偿了在空气流量计33中的测量误差。因此，能够适当地控制供应阴极气体。
图7是根据本发明的第二实施例的燃料电池系统100A的配置的概略视图。除了提供第一氢气压力传感器58和第二氢气传感器68之外，图7与图1基本相同。阳极气体管道51在与阳极气体循环管道63的结合部分的下游位置处被提供有第一氢气压力传感器58。第一氢气压力传感器58测量在燃料电池10的阳极入口附近供应的氢气压力。阳极废气管道61被提供有第二氢气压力传感器68，第二氢气压力传感器68测量在燃料电池10的阳极出口附近的废气压力。
应该指出，燃料电池系统100A在电气配置方面与第一实施例的燃料电池系统100（图2）相同。此外，在燃料电池系统100A中供应阴极气体的控制采用与在燃料电池系统100（图3）中相同的、基于由空气流量计33测量的值的反馈控制。
图8A是在燃料电池系统100A中执行的校正值确定过程的流程图。除了提供步骤S20A的过程替代步骤S20的过程之外，图8A与图4基本相同。在步骤S20A中，控制器20获取由第一氢气压力传感器58测量的压力和由第二氢气压力传感器68测量的压力。控制器20基于在这些测量的压力之间的差来确定在燃料电池10的阳极中的压力损失。
图8B是用作在步骤S30中使用的基准值确定映射23A示例的曲线图。在图8B中，作为曲线图示出了基准值确定映射23A，在曲线图中纵坐标代表在燃料电池10的阳极中的压力损失，并且横坐标代表空气供应量。这里应该指出，如参考图5A描述的，当执行燃料电池10的基准操作时，在燃料电池10的阳极中的压力损失随着空气供应量的增加而线性地降低。
在根据本发明的第二实施例的基准值确定映射23A中，设定了在执行基准操作期间在空气供应量和在燃料电池10的阳极中的压力损失之间的比例关系。使用基准值确定映射23A，控制器20对于在步骤20中获取的、在燃料电池10的阳极中的压力损失ΔΡ获取空气供应量，作为空气供应量的基准值QAE（步骤S30）。然后在步骤S40中，控制器20使用表达式（1）和（2）计算校正值K，如在本发明的第一实施例中所描述的。
如上所述，在根据本发明的第二实施例的燃料电池系统100A中，测量在燃料电池10的阳极侧上的气流通道中的压力损失，作为与阳极气体相关联并且与供应的空气的实际量相关的值。然后使用测量的值来执行校正值确定过程。因此，在供应阴极气体的控制中，能够适当地补偿在空气流量计33中的测量误差。
图9是根据本发明的第三实施例的燃料电池系统100B的配置的概略视图。除了提供湿度传感器69替代第一氢气压力传感器58和第二氢气压力传感器68之外，图9与图7基本相同。阳极废气管道61被提供有湿度传感器69，湿度传感器69测量阳极废气的湿度并且向控制器20发送测量的湿度。
应该指出，根据本发明的第三实施例的燃料电池系统100B在电气配置方面与根据本发明的第二实施例的燃料电池系统100A（图2）相同。此外，关于在燃料电池系统100B中供应阴极气体的控制，执行与在燃料电池系统100A（图3）中相同的、基于由空气流量计33测量的值的反馈控制。
图10A是在根据本发明的第三实施例的燃料电池系统100B中执行的校正值确定过程的流程图。除了提供步骤S20B的过程替代步骤S20A的过程之外，图10A与图8A基本相同。在步骤S20B中，控制器20获取由湿度传感器69测量的湿度。
图10B是在步骤S30中使用的基准值获取映射23B的示例的曲线图。在图10B中，作为曲线图示出了基准值确定映射23B，在曲线图中纵坐标代表阳极废气的湿度并且横坐标代表空气供应量。应该指出，如参考图5A描述的，随着被供应到燃料电池10的空气量的增加，在燃料电池10的阳极2中的湿气经由电解质膜1朝向阴极3侧移动。特别地，当执行燃料电池10的基准操作时，随着空气供应量的增加，朝向阴极3侧移动的湿气的量线性地增加。因此，阳极废气的湿度线性地降低。
在根据本发明的第三实施例的基准值确定映射23B中，在执行基准操作期间，空气供应量与阳极废气的湿度成比例。使用基准值确定映射23B，控制器20对于在步骤20中获取的、燃料电池10的阳极废气的湿度HE确定空气供应量，作为空气供应量的基准值QAE（步骤S30）。然后在步骤S40中，控制器20使用在本发明的第一实施例中描述的表达式（1）和（2）计算校正值K。
如上所述，在根据本发明的第三实施例的燃料电池系统100B中，检测阳极废气的湿度，作为与阳极气体相关联并且与供应的空气的实际量相关的值。然后使用从检测的湿度确定的基准空气供应量和空气供应量的测量值，来计算在空气流量计33中的测量误差，并且对阴极气体供应量进行控制以补偿该测量误差。因此，更加适当地控制阴极气体供应量。
图11是根据本发明的第四实施例的燃料电池系统100C的配置的概略视图。除了省略了空气流量计33之外，图11与图1基本相同。应该指出，燃料电池系统100C的电气配置与在本发明的第一实施例中描述的配置（图2）基本相同。
在这个燃料电池系统100C中，控制燃料电池10在正常操作中、在与在本发明的第一实施例中描述的基准操作相同的条件下产生电力，以向外部负载200输出请求的电力。即，控制器20向燃料电池10供应恒定的反应气体目标供应量，并且控制燃料电池10输出恒定电平的电力。应该指出，二次电池81为外部负载200补偿来自燃料电池10的电力中的任何短缺。
图12A和12B示出在燃料电池系统100C中控制阴极气体供应量的过程。图12A是用于基于由氢气循环泵64消耗的电力来确定实际测量的空气供应量的空气供应量测量映射24。空气供应量测量映射24是类似于在本发明的第一实施例中描述的空气供应量基准值确定映射23（图6）的映射。
控制器20测量由氢气循环泵64消耗的电力，并且使用空气供应量测量映射24获取空气供应量的实际测量值QAM、对于测量值PHP的空气供应量。控制器20基于空气供应量的测量值QAM校正空气压缩机32的旋转速度，由此执行空气供应量的反馈控制。
在图12B中，通过曲线图表达旋转速度校正值确定映射25的示例，控制器20使用旋转速度校正值确定映射25来确定对于空气压缩机32的旋转速度的校正值，在曲线图中纵坐标代表校正值并且横坐标代表空气供应量。在图12B的曲线图中，横坐标对应于图12A的曲线图的横坐标。
基于可以预先试验获得的、在校正值和空气供应量之间的相关性，设定这个旋转速度校正值确定映射25。在本发明的第四实施例中，在旋转速度校正值确定映射25中，空气压缩机32的旋转速度的校正值随着空气供应量的增加而线性地降低。应该指出，初始设定值QAS被设定为空气供应量的目标值，以使得燃料电池10输出特定电力。在旋转速度校正值确定映射25中，如果测量的空气供应量超过初始设定值QAS，则获得负侧校正值，并且如果空气供应量的测量值低于初始设定值QAS则获得正侧校正值。
使用旋转速度校正值确定映射25，控制器20对于空气供应量的给定测量值QAM确定对于空气压缩机32的旋转速度的校正值ΔR。控制器20基于校正值ΔR调整空气压缩机32的旋转速度。如上所述，在根据第四实施例的燃料电池系统100C中，通过基于测量的由氢气循环泵64消耗的电力量和空气供应量测量映射24测量空气供应量，来执行空气供应量的反馈控制。即，即便省去了空气流量计33，也可以基于由氢气循环泵64消耗的电力适当地控制阴极气体供应量。
应该指出，本发明不限于以上实施例，而是能够在不偏离其范围的情况下被以各种模式实现。例如，可以如下所述修改本发明。
在本发明的以上实施例中的每一个中，使用由氢气循环泵64消耗的电力、在燃料电池10的阳极侧的气流通道中的压力损失、或者阳极废气的湿度，来确定空气供应量的基准值，其中由氢气循环泵64消耗的电力、在燃料电池10的阳极侧的气流通道中的压力损失、或者阳极废气的湿度被用作与阳极气体相关联并且与供应的空气的实际量相关的值。然而，在第一修改示例中，可以检测另一个值作为与阳极气体相关联并且与供应的空气的实际量相关的值。
在本发明的以上实施例中的每一个中，控制器20使用作为被预先存储的对应关系（相关性）的映射21到25之一，来获取目标空气供应量、空气供应量的基准值，或者对于控制阴极气体供应量的空气压缩机32的旋转速度的校正值。然而，在第二修改示例中，替代映射21到25，可以在控制器20中存储代表与在映射21到25中所示那些类似的相关性的公式、函数等。
在本发明的第一到第三实施例的每一个中，当燃料电池系统100、100A或者100B的操作终止时，执行校正值确定过程。然而，在第三修改示例中，可以在另一个时刻执行校正值确定过程。例如，可以在从使用者接收到指令时或者当系统启动时执行校正值确定过程。应该指出，当燃料电池系统100、100A或者100B的操作终止时执行校正值确定过程是更加优选的，因为诸如燃料电池10的温度这样的条件很可能是相对稳定的。
在本发明的第一到第三实施例的每一个中，在校正值确定过程中，作为燃料电池10的基准操作，执行控制来将反应气体的供应量、燃料电池10的输出，或者燃料电池10的温度维持在恒定水平。然而，在第四修改示例中，燃料电池10的基准操作可以是在另一个预设条件下的操作。例如，反应气体的供应量可以如预先设定地那样随着时间改变。应该指出，期望根据在此情形中的基准操作的条件准备基准值确定映射。
以上实施例在阴极气体供应部30中均不包括用于加湿阴极气体的加湿器。然而，根据第五修改示例，这种加湿器可以被提供在阴极气体供应部30中，以在燃料电池10的操作期间在电解质膜中维持足够的湿气。然而，当提供加湿部时，在空气流量计33中的测量误差可以被加湿部舍除。因此，在本发明的以上实施例的每一个中描述的供应阴极气体的控制更好地适合于其中未在阴极气体供应部30中提供加湿器的燃料电池系统。
在所描述的本发明的实施例的每一个中，控制器20为空气压缩机32的旋转速度确定校正值K或者校正值ΔR以适当地补偿在空气流量计33中的测量误差。然而，作为第六修改示例，控制器20可以在阴极气体供应量的控制中通过另一种方法补偿在空气流量计33中的测量误差。例如，控制器20可以校正用于空气压缩机32的旋转速度确定映射22以适当地补偿空气流量计33中的测量误差。更加具体地，控制器20可以将空气压缩机32的旋转速度相对于旋转速度确定映射22中的空气供应量的变化速率乘以空气供应量的基准值QAE与空气供应量的实际测量值QAM的比率（QAM/QAE）。
在本发明的第一实施例中，燃料电池系统100包括用于向燃料电池10供应阳极气体的喷射器55，和用于向燃料电池10循环阳极废气的氢气循环泵64。然而，作为第七修改示例，替代喷射器55和氢气循环泵64，燃料电池系统100可以替代地配备有用于向燃料电池10供应氢气的泵。在此情形中，在校正值确定过程中，可以基于由泵消耗的电力来确定空气供应量基准值。
在本发明的第一实施例中，控制器20以恒定电压驱动氢气循环泵64。然而，在第八修改示例中，控制器20可以替代地以恒定旋转速度或者恒定的由氢气循环泵64供给的气体量来驱动氢气循环泵64。在此情形中，控制器20检测氢气循环泵控制器64的旋转速度或者由氢气循环泵64供给的气体的量，以执行反馈控制。
在本发明的第四实施例中，控制器20控制燃料电池10输出恒定量的电力。然而，在第九修改示例中，控制器20可以控制燃料电池10以预设的多级输出电平来输出电力。因此，可以对于每一个输出电平准备空气供应量测量映射24。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池；
阴极气体供应部，所述阴极气体供应部向所述燃料电池供应阴极气体；
气体供给量传感器，所述气体供给量传感器测量被供应到所述燃料电池的所述阴极气体的量；
阳极气体供应部，所述阳极气体供应部向所述燃料电池供应阳极气体；
特征值检测部，所述特征值检测部检测与所述阳极气体相关联并且与实际上被供应到所述燃料电池的所述阴极气体的量相关的特征值；以及
控制器，所述控制器对被供应到所述燃料电池的所述阳极气体的量和所述阴极气体的量进行控制，以控制所述燃料电池的操作，
其中，
当执行基准操作以在预设条件下操作所述燃料电池时，在所述特征值和被供应到所述燃料电池的阴极气体的量之间的相关性被存储在所述控制器中，并且
所述控制器指令所述燃料电池执行所述基准操作、获取由所述气体供给量传感器测量的被供应到所述燃料电池的所述阴极气体的量、检测所述特征值、使用所述相关性来对于所检测的特征值获取所供应的阴极气体的量作为供应量基准值，并且对在所述供应量基准值和由所述气体供给量传感器所测量的值之间的差进行计算并作为由所述气体供给量传感器所测量的值中的误差，并且
所述控制器基于由所述气体供给量测量部所测量的值，来调节由所述阴极气体供应部供应的所述阴极气体的量，以使得在向所述燃料电池供应所述阴极气体时对所述误差进行补偿。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述阳极气体供应部包括用于将所述阳极气体供给到所述燃料电池的泵，
所述特征值是由所述泵消耗的电力，所述电力随着实际上被供应到所述燃料电池的所述阴极气体的量的增加而降低。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述特征值是在所述燃料电池的阳极侧的气流通道中的压力损失，所述压力损失随着实际上被供应到所述燃料电池[s1]的所述阴极气体的量的增加而降低。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述特征值是阳极废气的湿度，所述阳极废气的湿度随着实际上被供应到所述燃料电池的所述阴极气体的量的增加而降低。
5.根据权利要求1到4中任何一项所述的燃料电池系统，其中，
在被供应到所述燃料电池的所述阳极气体的量和被供应到所述燃料电池的所述阴极气体的量分别保持等于预设的恒定量、并且所述燃料电池的输出保持等于预设的恒定输出的情况下，来执行所述基准操作。
6.一种控制燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括气体供给量传感器，所述气体供给量传感器测量被供应到所述燃料电池的阴极气体的量，所述方法包括：
执行基准操作以在预设条件下操作燃料电池；
测量被供应到所述燃料电池的阴极气体的量；
检测与阳极气体相关联并且与实际上被供应到所述燃料电池的所述阴极气体的量相关的特征值；
参考预先准备的、在执行所述基准操作期间供应的所述阴极气体的量和所述特征值之间的相关性，对于所述特征值获取所述阴极气体的供应量作为供应量基准值；并且
在对作为在所测量的阴极气体的量和所获取的供应量基准值之间的差所计算的误差进行补偿的同时，基于由所述气体供给量传感器所测量的值向所述燃料电池供应所述阴极气体。
7.一种控制燃料电池系统的方法，包括：
执行基准操作以在预设条件下操作燃料电池；
测量被供给到所述燃料电池的阴极气体的量；
检测与阳极气体相关联并且与实际上被供应到所述燃料电池的所述阴极气体的量相关的特征值；以及
使用预先准备的、在执行所述基准操作期间供应的所述阴极气体的量和所述特征值之间的相关性，确定对于所述特征值的被供应到所述燃料电池的阴极气体的量。
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