CN105449244B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统。燃料电池系统包括在车辆中设置的燃料电池(20)；以及电子控制单元，被配置成确定燃料电池(20)中的水量是否等于或小于预定量，并且在电子控制单元确定燃料电池(20)中的水量等于或小于预定量的情况下，当车辆的速度等于或高于预定阈值时，通过增加燃料电池(20)中的水量，防止燃料电池(20)干燥。

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
接收反应气体(燃料气体和氧化气体)的供应并且发电的燃料电池已经投入实际使用。在燃料电池中，由电化学工艺氧化燃料，由此将由于氧化反应释放的能量直接转换成电能。燃料电池包括膜-电极组件，其中成对电极(阳极和阴极)设置在通过其有选择地输送氢离子的聚合物电解质膜的两侧上。每一电极包括促进电化学反应的催化剂层。催化剂层包括作为承载诸如铂的金属催化剂和运送质子和氧的离聚物(聚合物电解质)的碳的催化剂承载碳。
已知由于下述原因，当燃料电池干燥时，具有上述构造的燃料电池的发电性能下降。由于燃料电池干燥，过氧化氢的浓度增加，由此，产生OH自由基。因此，包括在各个电极中的催化剂层中的离聚物和电解质膜的氟成分分解。由此，离聚物的质子传导率减小，离聚物中的氧的溶解度减小，因此，过电压减小。因此，近年来，已经提出了防止燃料电池干燥的技术(例如，参见日本专利申请公开No.2008-262824(JP 2008-262824 A)。在JP 2008-262824 A中所述的燃料电池系统中，在燃料电池很可能干燥的低负荷范围中，操作氢泵来循环阳极气体，由此防止阳极干燥。
在JP 2008-262824 A所述的燃料电池系统中，在低负荷范围中，操作氢泵来防止燃料电池干燥，如上所述。然而，在例如车辆中设置燃料电池系统的情况下，氢泵的操作噪声变得大于外部声或当车辆以低速行驶时产生的噪声(例如车辆的轮胎的噪声和/或风声)。因此，车辆的乘客会感到不适。
发明内容
本发明提供一种燃料电池系统，在适当时间执行干燥防止操作，而不会使乘客感到不适。
本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统，包括在车辆中设置的燃料电池；以及电子控制单元，被配置成确定燃料电池中的水量是否等于或小于预定量，并且在电子控制单元确定燃料电池中的水量等于或小于预定量的情况下，当车辆的速度等于或高于预定阈值时，通过增加燃料电池中的水量，防止燃料电池的干燥。
通过上述构造，仅当(i)燃料电池中的水量等于或小于预定量(燃料电池处于干燥状态)并且(ii)其中设置燃料电池的车辆的速度等于或高于预定阈值时(即，仅当满足条件(i)和(ii)两者时)，才防止燃料电池干燥。因此，用来防止燃料电池干燥的设备(例如辅机)的操作噪声能被通过车辆的行驶导致的声音(例如，风声)淹没。因此，可以防止燃料电池干燥，同时不会使乘客感到不适。
在根据第一方面的燃料电池系统中，电子控制单元可以被配置成将基准值设定到在燃料电池中的水量大于预定量的状态中测量的阻抗的平均值，并且当基准值与当前测量的阻抗之间的差等于或大于预定阈值时，确定燃料电池中的水量等于或小于预定量。
通过上述构造，将基准值设定到在燃料电池中的水量大于预定量的状态(例如在紧接在前行程期间或当前行程期间的预定非干燥发电状态(即，在燃料电池不干燥的预定条件下发电的状态)中测量的阻抗的平均值。能通过将基准值与当前测量的阻抗比较，执行干燥确定(例如，可以确定燃料电池是否处于干燥状态)。即，将预定非干燥发电状态中的阻抗用作基准值，能使用基准值，执行干燥确定。因此，即使当由于燃料电池的老化劣化，基准值改变时，也能准确地执行干燥确定(即，可以准确地确定燃料电池是否处于干燥状态)。
本发明的第二方面涉及一种燃料电池系统，包括在车辆中设置的燃料电池；以及电子控制单元，电子控制单元被配置成确定燃料电池的操作状态是否是燃料电池中的水量减小并且将诱发燃料电池干燥的干燥诱发操作状态，以及在电子控制单元确定燃料电池的操作状态是干燥诱发操作状态的情况下，当车辆的速度等于或高于预定阈值时，通过增加燃料电池中的水量来执行防止燃料电池的干燥的干燥防止操作。
通过上述构造，仅当(i)燃料电池的操作状态处于干燥诱发操作状态(即，燃料电池中的水量减小并且将诱发燃料电池的干燥的操作状态)并且(ii)其中设置燃料电池的车辆的速度等于或高于预定阈值时(即，仅当满足条件(i)和(ii)两者时)，才能够执行干燥防止操作。因此，用来执行干燥防止操作的设备(例如辅机)的操作噪声会被由车辆的行驶导致的声音(例如风声)淹没。因此，可以执行干燥防止操作，而不会使乘客感到不适。此外，代替直接确定燃料电池是否处于干燥状态，确定燃料电池的操作状态，并且当操作状态处于干燥诱发操作状态时，执行干燥防止操作。因此，可以预先防止出现燃料电池干燥。
在根据第二方面的燃料电池系统中，电子控制单元可以被配置成当由燃料电池产生的电流等于或小于预定阈值，并且所产生的电流持续流动预定时间段或更长时，确定燃料电池的操作状态为干燥诱发操作状态。
通过上述构造，当(i)由燃料电池产生的电流处于低负荷范围(即，所产生的电流等于或小于预定阈值)并且(ii)所产生的电流持续流动预定时间段或更长时，能确定燃料电池的操作状态是干燥诱发操作状态。即，可以确定干燥出现的概率(可能性)，而不基于例如测量阻抗，直接确定燃料电池是否处于干燥状态。因此，即使在阻抗的变化小的低负荷范围中，也可以预先防止发生干燥。
在根据第二方面的燃料电池系统中，电子控制单元可以被配置成当燃料电池的负荷的减小率或燃料电池的输出的减小率大于预定阈值时，确定燃料电池的操作状态为干燥诱发操作状态。
在燃料电池的负荷(所需电力)从高负荷到低负荷急剧减小的情况下，当负荷高时，将大量反应气体(特别是作为氧化气体的空气)供应到燃料电池，并且当负荷变低时，存在反应气体过剩。由此，估计由于过剩氧化气体将使燃料电池处于干燥状态。因此，计算燃料电池的负荷的减小率(每单位时间的燃料电池的负荷的减小量)或燃料电池的输出的减小率(每单位时间的燃料电池的输出的减小量)，并且当所计算的负荷(输出)的减小率大于预定阈值时，能确定燃料电池的操作状态处于干燥诱发操作状态。
在根据第二方面的燃料电池系统中，电子控制单元可以被配置成当燃料电池的温度等于或高于预定阈值时，确定燃料电池的操作状态为干燥诱发操作状态。
通过上述构造，当燃料电池的温度相对高时(温度等于或高于预定阈值)，能确定燃料电池的操作状态是干燥诱发操作状态。即，可以基于燃料电池的温度，确定干燥出现的概率(可能性)，而不是基于例如测量阻抗，直接确定燃料电池处于干燥状态。因此，即使阻抗变化小的低负荷范围中，可以预先防止出现干燥。
根据第一方面的燃料电池系统可以进一步包括将燃料气体供应到燃料电池的燃料气体通路；从燃料电池排放的燃料废气通过其回到燃料气体通路的循环通路；以及将循环通路中的燃料废气在压力下输送到燃料气体通路的循环泵。在这种情况下，电子控制单元可以被配置成在电子控制单元确定燃料电池中的水量等于或小于预定量的情况下，当车辆的速度等于或高于预定阈值时，使循环泵的操作量大于通常操作量。
根据第二方面的燃料电池系统可以进一步包括将燃料气体供应到燃料电池的燃料气体通路；使从燃料电池排放的燃料废气通过其回到燃料气体通路的循环通路；以及将循环通路中的燃料废气在压力下输送到燃料气体通路的循环泵。在这种情况下，电子控制单元可以被配置成在电子控制单元确定燃料电池的操作状态为干燥诱发操作状态的情况下，当车辆的速度等于或高于预定阈值时，使循环泵的操作量大于通常操作量。
通过上述构造，当(i)燃料电池处于干燥状态(或燃料电池的操作状态是干燥诱发操作状态)并且(ii)其中设置燃料电池的移动体的速度等于或高于预定阈值时(即当满足(i)和(ii)两者时)，通过使循环泵的操作量大于通常操作量，以便增加在压力下输送到燃料气体通路的燃料废气量，能增加包含在供应到燃料电池的燃料气体中的水量。即，能将增加循环泵的操作量的操作用作“干燥防止操作”。由于由循环泵消耗的电力远小于由空气压缩机消耗的电力，可以防止燃料电池干燥同时节省燃料。当循环泵的操作量增加时，能由移动体的移动导致的声音淹没循环泵的操作噪声。
根据本发明的上述第一和第二方面，可以提供在适当定时执行干燥防止处理，而不使乘客感到不适的燃料电池系统。
附图说明
在下文中，将参考附图，描述本发明的示例性实施例的特征、优点和技术及工业重要性，其中，相同的数字表示相同的元件，以及其中：
图1是示意性地示出根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的构造的说明图；
图2是说明用于根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的操作方法的流程图；
图3是说明在图2所示的操作方法中的干燥确定过程的流程图；
图4是说明根据本发明的第二实施例的燃料电池系统的操作方法的流程图；
图5是说明在图4所示的操作方法中的操作确定处理的流程图；以及
图6是示出供应到燃料电池的反应气体的指令值和测量值的时间历史的时序图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图，描述本发明的实施例。有关上下方向、左右方向等等中的位置关系的描述是基于图中所示的位置关系，除非另有说明。尺寸比例不限于图中所示的尺寸比例。此外，下述的实施例的每一个是用于描述本发明的示例性实施例，因此，本发明不限于这些实施例。此外，可以对实施例进行各种改进，而不背离本发明的范围。
(第一实施例)首先，将参考图1至图3，描述根据本发明的第一实施例，燃料电池系统10和用于燃料电池系统10的操作方法。
将参考图1，描述根据该实施例的燃料电池系统10的构造。燃料电池系统10充当例如在作为移动体的燃料电池车辆中设置的车载电源系统。燃料电池系统10包括接收供应的反应气体(燃料气体和氧化气体)并且发电的燃料电池20、将空气作为氧化气体供应到燃料电池20的氧化气体供应系统30、将氢气作为燃料气体供应到燃料电池20的燃料气体供应系统40、控制电力的充/放电的电力系统50，以及控制整个燃料电池系统10的控制器60。
燃料电池20是串联堆叠多个电池的固体聚合物电解质电池堆。在燃料电池20中，由下述表达式(1)表示的氧化反应发生在阳极，以及由下述表达式(2)表示的还原反应发生在阴极。在整个燃料电池20中，由下述表达式(3)表示的产电反应发生。
H2→2H++2e- (1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O (2)
H2+(1/2)O2→H2O (3)
构成燃料电池20的每一电池包括聚合物电解质膜、阳极、阴极和隔板。聚合物电解质膜夹在阳极和阳极之间，即，在聚合物电解质膜的两侧上设置阳极和阴极。由此，形成夹层结构。由不透气导电膜构成每一隔板。阳极和阴极夹在隔板之间，即，在阳极和阴极的两侧上设置隔板。在隔板和阳极之间设置燃料气体通路，以及在隔板和阴极之间设置氧化气体通路。
阳极和阴极的每一个包括催化剂层和气体扩散层。催化剂层包括作为承载充当催化剂的贵金属粒子，诸如铂基贵金属粒子的碳的催化剂承载碳和聚合物电解质。作为制成贵金属粒子的铂基材料，可以使用金属催化剂(例如，Pt,Pt-Fe,Pt-Cr,Pt-Ni,或Pt-Ru)。作为催化剂承载碳，例如，可以使用碳黑。作为聚合物电解质，例如，可以使用包括作为氟化树脂的全氟碳磺酸聚合物的质子传导的离子交换树脂、作为非氟化树脂的磺化聚(亚芳基醚砜)共聚物(BPSH)等等。全氟碳磺酸聚合物和BPSH的每一个包括磺酸基。即，这些树脂具有离子特性，由此，这些树脂称为“离聚物(离子+聚合物)”。气体扩散层设置在催化剂层的表面上，并且可透气和电子导电。气体扩散层由碳纤维制成的线编织的碳布、碳纸或碳毡织物形成。
聚合物电解质膜是由固体聚合物材料，例如，氟化树脂形成的质子传导离子交换膜。聚合物电解质膜在潮湿状态下呈现良好导电性。聚合物电解质膜、阳极和阴极构成膜-电极组件。
如图1所示，检测燃料电池20的输出电压(燃料电池电压(FC电压))的电压传感器71和检测燃料电池20的输出电流(燃料电池电流(FC电流))的电流传感器72连接到燃料电池20。
氧化气体供应系统30包括氧化气体通路33和氧化废气通路34。供应到燃料电池20的阴极的氧化气体流过氧化气体通路33。从燃料电池20排出的氧化废气流过氧化废气通路34。在氧化气体通路33中，设置空气压缩机32(氧化气体供应源)和截止阀A1。空气压缩机32从空气吸入氧化气体，而截止阀A1切断氧化气体到燃料电池20的供应。在氧化废气通路34中，设置截止阀A2和背压调整阀A3。截止阀A2切断氧化废气从燃料电池20的排放。背压调整阀A3调整供应氧化气体所需的压力。
燃料气体供应系统40包括燃料气体供应源41、燃料气体通路43、循环通路44、循环泵45和排放通路46。从燃料气体供应源41供应到燃料电池20的阳极的燃料气体流过燃料气体通路43。从燃料电池20排出的燃料废气通过循环通路44回到燃料气体通路43。循环泵45在压力下，将循环通路44中的燃料废气输送到燃料气体通路43。排放通路46连接到循环通路44以便从循环通路44分支。
燃料气体供应源41包括例如高压氢罐或蓄氢合金。燃料气体供应源41以高压(例如35MPa至70MPa)存放氢气。当打开截止阀H1时，燃料气体从燃料气体供应源41流出，并且流向燃料气体通路43。通过调节器H2和喷射器42，使燃料气体的压力降低到例如200kPa，然后，将该燃料气体供应到燃料电池20。
截止阀H4和排放通路46连接到循环通路44。截止阀H4切断燃料废气从燃料电池20的排放。排放通路46从循环通路44分支。在排放通路46中，设置排放阀H5。根据来自控制器60的指令，操作排放阀H5以便将循环通路44中的燃料废气和水(水分)排放(清洗)到外部，燃料废气包含杂质。
经排放阀H5排放的燃料废气与流过氧化废气通路34的氧化废气混合，并且由稀释器(未示出)稀释所混合的废气。由电动机驱动循环泵45以便在循环系统中循环燃料废气，使得燃料废气被循环并且供应到燃料电池20。
电力系统50包括DC-DC转换器51、蓄电池52、牵引逆变器53、牵引电动机54和辅机55。DC-DC转换器51具有增加从蓄电池52供应的DC电压并且将所增加的DC电压输出到牵引逆变器53的功能，以及减小由燃料电池20产生的DC电的电压或通过再生制动，由牵引电动机54产生的再生电力的电压，并且通过DC电或再生电力充电蓄电池52的功能。
蓄电池52充当例如储存过剩电力的蓄电源和储存再生制动期间的再生能量的蓄电源。当由于燃料电池车辆加速或减速，负荷改变时，蓄电池52还充当能量缓冲器。作为蓄电池52，可以使用二次电池，诸如镍-镉蓄电池、镍-氢蓄电池或锂二次电池。SOC传感器73连接到蓄电池52。SOC传感器73检测蓄电池52的充电状态(SOC)，即，蓄电池52的剩余容量。
牵引逆变器53是例如以脉宽调制操作的脉宽调制(PWM)逆变器。根据来自控制器60的控制指令，牵引逆变器53将从燃料电池20或蓄电池52输出的DC电压转换成三相AC电压，由此牵引逆变器53控制牵引电动机54的旋转转矩。牵引电动机54是例如三相AC电机，并且构成燃料电池车辆的电源。
辅机55包括位于燃料电池系统10的各部分中的电动机、驱动电动机的逆变器，以及各种车载辅机(例如，空气压缩机32、喷射器42、循环泵45、散热器和冷却水循环泵)。
控制器60是计算机系统(即，电子控制单元(ECU))，包括中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和输入-输出接口。控制器60控制燃料电池系统10的各部分。例如，当控制器60接收从点火开关输出的起动信号IG时，控制器60起动燃料电池系统10的操作，并且例如基于从加速器传感器输出的加速器操作量信号ACC和从车辆速度传感器输出的车辆速度信号VC，确定整个燃料电池系统10所需的电力。燃料电池系统10中所需的电力是作为使车辆行驶所需的电力的车辆行驶电力与用于辅机的电力的总和。
用于辅机的电力包括例如由车载辅机(例如空气压缩机32，循环泵45和冷却水循环泵)消耗的电力、由使车辆行驶所需的设备(例如变速器、车轮控制设备、转向设备和悬架设备)消耗的电力，以及由位于用于乘客的空间中的设备(例如空调设备、照明设备和音频设备)所消耗的电力。
控制器60将所需电力分配给燃料电池20和蓄电池52，即，控制器60确定将从燃料电池20输出的电力和将从蓄电池52输出的电力。然后，控制器60控制氧化气体供应系统30和燃料气体供应系统40以便由燃料电池20产生的电力(电能)与目标值一致，以及控制DC-DC转换器51来调节燃料电池20的输出电压，由此控制燃料电池20的操作点(输出电压、输出电流)。
当操作燃料电池系统10时，在燃料电池20中，如由表达式(1)所示，在阳极产生的氢离子通过电解质膜，并且移向阴极，并且已经到达阴极的氢离子与供应到阴极的氧化气体中的氧电化学反应，如由表达式(2)所示，由此，用于还原氧的反应发生来产生水。
控制器60确定燃料电池20中的水量是否等于或小于预定量(即，燃料电池20是否处于干燥状态)。即，根据本发明，控制器充当确定单元。当根据执行干燥确定的结果，控制器60确定燃料电池20处于干燥状态时，通过使用车辆速度传感器，控制器60检测(确定)设置有燃料电池20的燃料电池车辆的速度。当所检测的速度等于或高于预定阈值时，控制器60增加燃料电池20中的水量来防止燃料电池20干燥。即，根据本发明，控制器60还充当防干燥单元。在该实施例中，如上所述，将增加循环泵45的操作量的操作用作“干燥防止操作”。
在实施例中，当控制器60确定燃料电池20中的水量等于或小于预定量(即，燃料电池20处于干燥状态)时，通过使用车辆速度传感器，控制器60检测和确定燃料电池车辆的速度。然而，确定燃料电池车辆的速度的方式不限于上述方式。例如，通过使用车辆速度传感器，可以经常检测燃料电池车辆的速度，当控制器60确定燃料电池20中的水量等于或小于预定量(即，燃料电池20处于干燥状态)时，控制器60可以通过读取所检测的速度，确定该速度。
接着，将参考图2和3的流程图，描述根据该实施例，防止燃料电池系统10的干燥的操作方法。
首先，如图2所示，在操作期间，燃料电池系统10的控制器60确定燃料电池20中的水量是否等于或小于预定量(即，燃料电池20是否处于干燥状态)(确定处理：S10)。将参考图3，详细地描述确定处理S10。
在确定处理S10中，首先，将基准值设定到在上次行程(紧接在前行程)期间，燃料电池20中的水量大于预定量的状态中，例如，在预定非干燥发电状态(即，在燃料电池20不干燥的预定条件下发电的状态)中测量的阻抗的平均值(基准值设定处理：S11)。在该实施例中，当(i)由燃料电池20产生的电流处于预定范围(IA至IB)，以及(ii)在起动燃料电池20后(即接通点火开关后)燃料电池20的温度处于预定范围(TC至TD)时的发电状态(即，发电的状态)视作“非干燥发电状态”。即，当在起动燃料电池20后，满足条件(i)和(ii)时的发电状态视作“非干燥发电状态”。在基准值设定处理S11中，控制器60记录设定到燃料电池车辆的上次行程期间，在预定时间段(td)中，在非干燥发电状态中测量的多个阻抗的平均值的基准值(Zbase)。
在该实施例中，将基准值设定到“前一(紧接在前)”行程期间测量的阻抗的平均值。然而，可以将基准值设定到在“多次在前行程(例如，五次在前行程)”测量的阻抗的平均值，或可以设定到在当前行程相对长的情况下，“当前”行程的前半部分中，预定时间段(例如5分钟)中测量的阻抗的平均值。
在基准值设定处理S11后，控制器60确定基准值(Zbase)和当前测量阻抗(Znow)之间的差(ΔZ)是否等于或大于预定阈值(ΔZth)(阻抗确定处理：S12)。当差((ΔZ)小于预定阈值(ΔZth)时，控制器60确定燃料电池20处于非干燥状态，并且继续已经执行的操作(非干燥输出处理：S14)。相反，当控制器60确定差((ΔZ)等于或大于预定阈值(ΔZth)时，控制器60确定燃料电池20的水量等于或小于预定量(即，燃料电池20处于干燥状态)(干燥输出处理：S13)。
当控制器60确定燃料电池20的水量等于或小于预定量(即，燃料电池20处于干燥状态)时，控制器60通过使用车辆速度传感器，检测(确定)设置有燃料电池20的燃料电池车辆的速度(速度检测处理：S20)，如图2所示。然后，控制器60确定速度检测处理S20检测的速度是否等于或高于预定阈值(速度确定处理S30)。当控制器60确定所检测的速度小于预定阈值时，控制器60不执行干燥防止处理，并且继续已经执行的操作。相反，当控制器60确定在S20中检测的速度等于或高于预定阈值时，控制器60执行用于防止燃料电池20干燥的干燥防止操作(干燥防止处理：S40)。
更具体地说，在干燥防止处理S40中，当通过使用车辆速度传感器检测的速度等于或高于预定阈值时，控制器60通过使循环泵45的操作量大于通常操作量(通常时，循环泵45的操作量)，增加供应到燃料电池20的燃料气体中包含的水量，使得增加在压力下输送到燃料气体通路43的燃料废气量。
循环泵45的“通常”操作量(即，“通常时”，循环泵45的操作量)表示用于确保执行通常发电所需的氢的化学计量比(例如，约1.2至2.0)的循环泵45的操作量。当控制器60确定通过使用车辆速度传感器检测的速度等于或高于预定阈值时，控制器60增加循环泵45的操作量，使得氢的化学计量比的值(例如，约2.5至4.0)高于通常时的氢的化学计量比。此时，可以根据阻抗的基准值(Zbase)与当前测量阻抗(Znow)之间的差(ΔZ)，改变氢的化学计量比的值。例如，当差(ΔZ)相对大时，可以将氢的化学计量比设定到相对大值(例如，约4.0)，而当差(ΔZ)相对小时，可以将氢的化学计量比设定到相对小值(例如，约2.5)。通过以上述方式改变氢的化学计量比，能根据干燥度，适当地执行干燥防止处理。
然后，当满足预定结束条件时，控制器60结束干燥防止操作。作为结束条件，例如，可以采用(1)基准值(Zbase)和当前测量阻抗(Znow)之间的差(ΔZ)变为小于预定阈值(ΔZth)的条件，或(2)燃料电池车辆的速度低于预定阈值的条件。
在根据上述实施例的燃料电池系统10中，仅当(i)燃料电池20处于干燥状态并且(ii)燃料电池车辆的速度等于或高于预定阈值时(即，仅当同时满足条件(i)和(ii)时)，才能执行干燥防止操作。因此，用来执行干燥防止操作的设备(循环泵45)的操作噪声能被由于燃料电池车辆的行驶产生的声音或噪声(例如，轮胎的噪声或风声)淹没。由此，可以执行干燥防止操作，而不会使燃料电池车辆的乘客感到不适。
在根据上述实施例的燃料电池系统10中，将基准值设定到在燃料电池20的水量大于预定量的状态中(即，在前一行程(紧接在前行程)期间，预定非干燥发电状态中)测量的阻抗的平均值，并且通过比较基准值和当前测量阻抗，执行干燥确定。即，将非干燥发电状态中的阻抗的紧接在前值用作基准值，并且使用该基准值，执行干燥确定。因此，即使当基准值由于燃料电池20的老化劣化而改变，也可以准确地执行干燥确定。
在根据上述实施例的燃料电池系统10中，当燃料电池20处于干燥状态并且燃料电池车辆的速度等于或高于预定阈值时，通过使循环泵45的操作量大于通常操作量，能增加包含在供应到燃料电池20的燃料气体中的水量，使得增加在压力下输送到燃料气体通路43的燃料废气量。由于由循环泵45消耗的电力远小于由空气压缩机32消耗的电力，因此，可以防止燃料电池20干燥，同时节省燃料。此外，如上所述，当增加循环泵45的操作量时，循环泵45的操作噪声能被由于燃料电池车辆的运动而产生的声音或噪声淹没。
(第二实施例)接着，将参考图4和5，描述本发明的第二实施例。在根据第二实施例的燃料电池系统中，控制器的功能(控制程序)不同于根据第一实施例的燃料电池系统10的控制器60的功能。根据第二实施例的燃料电池系统的其他部分的构造基本上与根据第一实施例的燃料电池系统的相应部分的构造相同，因此，省略根据第二实施例的系统构造的示例。此外，在第二实施例中，由与第一实施例相同的参考数字，表示与第一实施例相同的部分，并且省略其详细描述。
根据第二实施例的燃料电池系统的控制器(在下文中，由参考数字“60A”表示第二实施例中的控制器，以便与第一实施例的控制器60区分)是包括CPU、ROM、RAM和输入-输出接口的计算机系统(电子控制单元(ECU))，并且控制器60A控制如第一实施例中的燃料电池系统的部分。
该实施例中的控制器60A确定燃料电池20的操作状态是否是燃料电池20中的水量减小并且将诱发燃料电池20干燥的操作状态(干燥诱发操作状态)。即，控制器60A充当根据本发明的操作确定单元。当控制器60A根据执行操作确定的结果，确定燃料电池20处于干燥诱发操作状态时，控制器60A通过使用车辆速度传感器，检测(确定)设置有燃料电池20的燃料电池车辆的速度。当所检测的速度等于或高于预定阈值时(即，当控制器60A确定所检测的速度等于或高于预定阈值时)，控制器60A通过增加燃料电池20中的水量，执行用于防止燃料电池20干燥的干燥防止操作。即，控制器60A还充当根据本发明的防干燥单元。在该实施例中，将增加循环泵45的操作量的操作用作“干燥防止操作”，如在第一实施例中。
接着，将参考图4和5的流程图，描述用于防止根据该实施例的燃料电池系统的干燥的操作方法。
如图4所示，首先，燃料电池系统的控制器60A确定燃料电池20的操作状态是否处于将诱发燃料电池20干燥的干燥诱发操作状态(操作确定处理：S10A)。将参考图5，详细地描述操作确定处理S10A。
在操作确定处理S10A中，首先，控制器60A通过使用电流传感器72，检测由燃料电池20产生的电流(电流检测处理：S11A)，并且确定所检测的电流是否等于或小于预定阈值(例如75A)(电流确定处理：S12A)。当控制器60A确定通过使用电流传感器72检测的电流大于预定阈值时，控制器60A确定燃料电池20处于非干燥诱发操作状态(即，处于不会诱发干燥的状态)，并且继续已经执行的操作(非干燥输出处理：S15A)。相反，当在电流确定处理S12A中，控制器60A确定所检测的电流等于或小于预定阈值时，控制器60A确定在预定时间段(例如1分钟)或更长内，电流是否将持续流动(持续确定处理：S13A)。
当在持续确定处理S13A中，控制器60A确定等于或小于预定阈值的所产生的电流持续流动的持续时间段短于预定时间段时，控制器60A确定燃料电池20处于非干燥诱发操作状态，并且继续已经执行的操作(非干燥输出处理：S15A)。相反，当在持续确定处理S13A中，控制器60A确定等于或小于预定阈值的所产生的电流持续流动预定时间段或更长时，控制器60A确定燃料电池20的操作状态处于干燥诱发操作状态(干燥输出处理：S14A)。
当控制器60A确定燃料电池20的操作状态是如上所述的干燥诱发操作状态，控制器60A通过使用车辆速度传感器，检测(确定)设置有燃料电池20的燃料电池车辆的速度，如图4所示(速度检测处理：S20A)。然后，控制器60A确定在速度检测处理S20A中检测的速度是否等于或高于预定阈值(速度确定处理：S30A)。当控制器60A确定所检测的速度低于预定阈值时，控制器60A继续已经执行的操作，而不执行干燥防止操作。相反，当控制器60A确定在S20A中检测的速度等于或高于预定阈值时，控制器60A执行用于防止燃料电池20的干燥的干燥防止操作(干燥防止处理：S40A)。
更具体地说，在干燥防止处理S40A中，当通过使用车辆速度传感器检测的速度等于或高于预定阈值时，控制器60A通过使循环泵45的操作量大于通常操作量，增加包含在供应到燃料电池20的燃料气体中的水量，使得增加在压力下输送到燃料气体通路43的燃料废气量，如在第一实施例中。
“正常”时的循环泵45的操作量表示用于确保执行通常发电所需的氢的化学计量比(例如，约1.2至2.0)的循环泵45的操作量。当控制器60A确定通过使用车辆速度传感器检测的速度等于或高于预定阈值时，控制器60A增加循环泵45的操作量，使得氢的化学计量比的值变为高于通常时的氢的化学计量比的值(例如，约2.5至4.0)。此时，根据由燃料电池20产生的电流值，可以改变氢的化学计量比的值。例如，当通过使用电流传感器72检测的电流相对小时(例如25A)，可以将氢的化学计量比的值设定到相对大值(例如，约4.0)，以及当通过使用电流传感器72检测的电流相对大时(例如50A)，可以将氢的化学计量比的值设定到相对小值(例如约2.5)。通过以上述方式，改变氢的化学计量比，根据干燥度，能适当地执行干燥防止操作。
然后，当满足预定结束条件时，控制器60A结束干燥防止操作。作为结束条件，例如，可以采用(1)通过使用电流传感器72检测的电流大于预定阈值的条件，(2)通过使用电流传感器72检测的电流等于或小于预定阈值，但电流持续流动的持续时间段短于预定时间段的条件，或(3)燃料电池车辆的速度低于预定阈值的条件。
在根据上述实施例的燃料电池系统中，仅当(i)燃料电池20的操作状态是干燥诱发操作状态，并且(ii)燃料电池车辆的速度等于或高于预定阈值时(即，仅当同时满足条件(i)和(ii)时)，能执行干燥防止操作。因此，用来执行干燥防止操作的设备(循环泵45)的操作噪声被由于燃料电池车辆的行驶导致的声音或噪声(轮胎的噪声或风声)淹没。因此，可以执行干燥防止操作，而不会使燃料电池车辆的乘客感到不适。此外，代替直接确定燃料电池20是否处于干燥状态，确定燃料电池20的操作状态，并且当操作状态处于干燥诱发操作状态时，执行干燥防止操作。因此，可以预先防止燃料电池20出现干燥。
在根据上述实施例的燃料电池系统，当(i)由燃料电池20产生的电流处于低负荷范围时(即，由燃料电池20产生的电流等于或小于预定阈值)并且(ii)在预定时间段或更长内，电流持续流动时(即，同时满足条件(i)和(ii)时)，可以确定燃料电池20的操作状态处于干燥诱发操作状态。即，可以基于燃料电池20产生的电流，确定干燥出现的概率(可能性)，而不是基于例如测量阻抗，直接确定燃料电池20是否处于干燥状态。因此，即使在阻抗变化小的低负荷范围中，可以预先防止出现干燥。
在根据上述实施例的燃料电池系统中，当(i)燃料电池20的操作状态处于干燥诱发操作状态，并且(ii)燃料电池车辆的速度等于或高于预定阈值时(即，同时满足条件(i)和(ii)时)，通过使循环泵45的操作量大于通常操作量，能增加包含在供应到燃料电池20的燃料气体中的水量，以便增加在压力下，输送到燃料气体通路43的燃料废气。由于由循环泵45消耗的电力远小于由空气压缩机32消耗的电力，可以防止燃料电池20的干燥同时节省燃料。此外，如上所述，当增加循环泵45的操作量时，能使循环泵45的操作噪声被由于燃料电池车辆的运动而导致的声音或噪声淹没。
在第二实施例中，当(i)由燃料电池20产生的电流等于或小于预定阈值，并且(ii)所产生的电流持续预定时间段或更长时(即，当满足条件(i)和(ii)时)，确定燃料电池20的操作状态为干燥诱发操作状态。然而，执行操作确定的方法不限于上述方法。
例如，当燃料电池20的负荷(所需电力)从高负荷到低负荷急剧减小时，如图6所示，实际供应到燃料电池20的反应气体的响应(测量值)滞后指令值。因此，当负荷高时，将大量反应气体(特别是作为氧化气体的空气)供应到燃料电池20，而当负荷变低时，存在反应气体过剩。因此，估计由于过剩反应气体，使燃料电池20将处于干燥状态。因此，计算燃料电池20的负荷的减小率(每单位时间负荷的减小量)，并且当所计算的负荷的减小量大于预定阈值时(例如，在许可所产生的电流每一秒100A或更小的变化的情况下，预定阈值为100(＝100/1)(A/s))，能确定燃料电池20的操作状态处于干燥诱发操作状态。代替计算燃料电池20的负荷的减小率，可以计算“燃料电池20的输出的减小率(例如，每单位时间所产生的电流的减小量)”，以及所计算的输出的减小率大于预定阈值，可以确定燃料电池20的操作状态为干燥诱发操作状态。
当燃料电池20的温度等于或高于预定阈值(例如60℃至70℃)时，可以确定燃料电池20的操作状态处于干燥诱发操作状态。此外，可以执行冬季模式操作，例如，增加燃料电池20的温度的操作，以便防冻。当持续执行冬季模式操作预定时间段或更长时，可以确定燃料电池20的操作状态是干燥诱发操作状态。
在上述实施例的每一个中，将增加循环泵45的操作量的操作用作“干燥防止操作”。然而，“干燥防止操作”的例子不限于上述操作。
例如，控制器60(60A)可以通过控制背压调整阀A3，使得供应氧化气体所需的压力大于通常时，来减小氧化气体的供应量，以便减小运送到燃料电池20外部的水量。即，增加供应氧化气体所需的压力的操作可以用作“干燥防止操作”。
控制器60(60A)可以通过控制空气压缩机32，以便使从空气压缩机32供应的氧化气体的量小于通常量(即，通常时，从空气压缩机32供应的氧化气体的量)，来减小运送到燃料电池20的外部的水量。即，可以将减小从空气压缩机32供应的氧化气体的量的操作用作“干燥防止操作”。“通常时”从空气压缩机32供应的氧化气体的量表示例如使空气的化学计量比等于约1.45至1.6的氧化气体的量。控制器60(60A)可以减小从空气压缩机32供应的氧化气体的量，使得空气的化学计量比变为小于通常时的化学计量比的值(例如，约1.3至1.4)。
此外，控制器60(60A)可以通过控制燃料电池20的操作状态，以便某种程度上降低20的操作温度，抑制燃料电池20中的水量减小。即，可以将降低燃料电池20的操作状态的操作用作“干燥防止操作”。
作为“干燥防止操作”，可以适当地组合增加循环泵45的操作量的操作、通过控制背压调整阀A3增加供应氧化气体所需的压力的操作、减小从空气压缩机32供应的氧化气体的量的操作，以及降低燃料电池20的操作温度的操作中的至少两个操作。
在上述实施例的每一个中，作为移动体，采用“燃料电池车辆”。然而，可以在除燃料电池车辆外的各种移动体(例如，机器人、飞船、或飞机)中设置根据本发明的燃料电池系统。
本发明不限于上述实施例。通过将设计改进适当地增加到上述实施例获得的实施例包括在本发明的范围中，只要实施例具有本发明的特征。即，上述实施例的每一个中的元件、元件的配置、元件的材料、与元件有关的条件、元件的形状、元件的尺寸等等不限于上述实施例中例示的那些，可以适当地改变。此外，上述实施例中的元件可以相互组合，只要组合在技术上是可行的。元件的组合包括在本发明的范围中，只要组合包括本发明的特征。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池(20)，所述燃料电池(20)被设置在车辆中；以及
电子控制单元，所述电子控制单元被配置成确定所述燃料电池(20)中的水量是否等于或小于预定量，并且在所述电子控制单元确定所述燃料电池(20)中的水量等于或小于所述预定量的情况下，当所述车辆的速度等于或高于预定阈值时，通过增加所述燃料电池(20)中的水量，防止所述燃料电池(20)的干燥，
其中，所述预定阈值是执行防止干燥的操作的设备的操作噪声被由于所述车辆的行驶所导致的声音所淹没时的值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述电子控制单元被配置成将基准值设定到在所述燃料电池(20)中的水量大于所述预定量的状态中测量的阻抗的平均值，并且当所述基准值与当前测量的阻抗之间的差等于或大于预定阈值时，确定所述燃料电池(20)中的水量等于或小于所述预定量。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，进一步包括：
燃料气体通路(43)，燃料气体通过所述燃料气体通路(43)被供应到所述燃料电池(20)；
循环通路(44)，从所述燃料电池(20)排放的燃料废气通过所述循环通路(44)回到所述燃料气体通路(43)；以及
循环泵(45)，所述循环泵(45)是用来执行防止干燥的操作的所述设备，所述循环泵(45)将所述循环通路(44)中的所述燃料废气在压力下输送到所述燃料气体通路(43)，其中，所述电子控制单元被配置成在所述电子控制单元确定所述燃料电池(20)中的水量等于或小于所述预定量的情况下，当所述车辆的速度等于或高于所述预定阈值时，使所述循环泵(45)的操作量大于通常操作量。
4.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池(20)，所述燃料电池(20)被设置在车辆中；以及
电子控制单元，所述电子控制单元被配置成确定所述燃料电池(20)的操作状态是否是所述燃料电池(20)中的水量减小并且将诱发所述燃料电池(20)的干燥的干燥诱发操作状态，以及在所述电子控制单元确定所述燃料电池(20)的操作状态是所述干燥诱发操作状态的情况下，当所述车辆的速度等于或高于预定阈值时，通过增加所述燃料电池(20)中的水量来执行防止所述燃料电池(20)的干燥的干燥防止操作，
其中，所述预定阈值是执行防止干燥的操作的设备的操作噪声被由于所述车辆的行驶所导致的声音所淹没时的值。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述电子控制单元被配置成当由所述燃料电池(20)产生的电流等于或小于预定阈值，并且所产生的电流持续流动预定时间段或更长时，确定所述燃料电池(20)的操作状态为所述干燥诱发操作状态。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述电子控制单元被配置成当所述燃料电池(20)的负荷的减小率大于预定阈值时，确定所述燃料电池(20)的操作状态为所述干燥诱发操作状态。
7.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述电子控制单元被配置成当所述燃料电池(20)的输出的减小率大于预定阈值时，确定所述燃料电池(20)的操作状态为所述干燥诱发操作状态。
8.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述电子控制单元被配置成当所述燃料电池(20)的温度等于或高于预定阈值时，确定所述燃料电池(20)的操作状态为所述干燥诱发操作状态。
9.根据权利要求4至8中的任一项所述的燃料电池系统，进一步包括：
燃料气体通路(43)，燃料气体通过所述燃料气体通路(43)被供应到所述燃料电池(20)；
循环通路(44)，从所述燃料电池(20)排放的燃料废气通过所述循环通路(44)回到所述燃料气体通路；以及
循环泵(45)，所述循环泵(45)是用来执行防止干燥的操作的所述设备，所述循环泵(45)将所述循环通路(44)中的所述燃料废气在压力下输送到所述燃料气体通路，其中，所述电子控制单元被配置成在所述电子控制单元确定所述燃料电池(20)的操作状态为所述干燥诱发操作状态的情况下，当所述车辆的速度等于或高于所述预定阈值时，使所述循环泵(45)的操作量大于通常操作量。
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