CN1322624C - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种包括燃料电池堆的燃料电池系统，所述燃料电池堆包含阳极(燃料电极)和阴极(氧化剂电极)，并且在系统起动时进行系统起动运行，从而将燃料电池堆带入可提取电能的状态(空闲状态)。在所述燃料电池系统中，控制空气供应流量，使得在从向阴极供应空气开始的预设时间内，通过估计阴极上存在的氢气量，决定与所估计的氢气量同量的空气供应流量增量，并且控制空气供应流量，以大于将燃料电池带入可提取电能的状态所需参考流量的流量向阴极供应空气，从而在系统起动运行期间，以决定的增量加上参考流量所提供的流速向阴极供应空气，从而允许有效地限制在系统起动运行期间消耗高浓度氢气的缺点，并且不会降低燃料电池系统的效率。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，具体地说涉及包括在系统起动运行期间消耗氢气的固体聚合物电解质燃料电池的燃料电池系统。
背景技术
作为对最近环境问题，特别是对例如由于车辆废气引起的空气污染以及由于二氧化碳引起的全球变暖问题的对策，已经开始关注具有清洁的废气和高能量效率的燃料电池系统。
燃料电池系统是一种设置有一个或多个燃料电池的能量转化系统，每个燃料电池具有向其供应例如氢气的气态燃料的燃料电极(阳极)和向其供应例如空气的气态氧化剂的氧化剂电极(阴极)，用来促进其间的电化学反应，从而将燃料的化学能量转化成电能输出。
燃料电池按其电解质分类。固体聚合物电解质燃料电池是使用固体聚合物膜作为电解质的燃料电池。这种类型的燃料电池可以低成本地制成小型电池，允许高的能量密度，并且用于大多数构成车辆驱动电源的燃料电池系统。
对于大多数燃料电池，燃料是氢气，这是一种需要仔细处理的可燃性气体。提供有使用氢气作为燃料的燃料电池的燃料电池系统排放出包含氢气的废气，并且需要一些对策来控制废气中的氢气浓度。
具体地说，对于构成车辆驱动电源的燃料电池系统，这种对策应该具有例如不向车辆外面释放高氢气浓度的气体的充分作用。
日本专利中请特许公开第2004-55287号从这个角度建议了一种对要排放到车辆外面的度氢气采用混合的杂质(例如氮气和在燃料电池系统运行期间积累在燃料电极侧上的湿气)进行氢气净化的技术，其中用氧化剂电极侧上消耗的空气充分地稀释燃料电极侧上消耗的氢气。
发明内容
在上述日本专利申请特许公开第2004-55287号中，在燃料电池系统运行中氢气净化期间，用来自氧化剂电极的度空气(waste air)充分稀释燃料电极的废氢气(waste hydrogen)。但是，在包括固体聚合物电解质燃料电池的燃料电池系统的起动运行中没有对控制废气中氢气浓度的考虑，或者不提供对策。
在包括使用氢气作为燃料的固体聚合物电解质燃料电池的燃料电池系统中，在系统关闭期间，在燃料电极侧充满的氢气渗透通过固体聚合物电解质膜，并泄漏(cross-leaked)到氧化剂电极侧。典型地，在关闭系统后，起动系统以进入向燃料电池供应氢气和少量(作为参考流量)空气的系统起动运行，这对于使燃料电池进入可提取电能(powerextractable)的空闲状态是必要的，其中燃料电池可以用作向负载供应所需电能的电源。
在系统关闭相当长时间后的系统起动运行中，燃料电池可能具有相当大量的氢气泄漏并积累在供应少量空气的氧化剂电极侧上。结果，燃料电池在氧化剂电极侧上具有相当高氢气浓度的空气-氢气混合物，在其在从系统中排放之前，应该用空气充分地稀释。
增加安插在其间的固体聚合物电解质膜的厚度可以显著降低氢气从燃料电极侧向氧化剂电极侧上的泄漏，但是却伴随着燃料电池效率的同等降低。
鉴于前述几个方面，做出本发明。固此，本发明的一个目的是提供一种包括固体聚合物电解质燃料电池的燃料电池系统，其允许排放具有受控制的氢气浓度的废气并且维持了燃料电池的效率。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，燃料电池系统包括固体聚合物电解质燃料电池，其设置有燃料电极、氧化剂电极和插在其间的固体聚合物膜，所述燃料电池在燃料电池系统起动时工作，以进入燃料电池系统的起动运行，其中向燃料电极供应氢气并且以参考流量向氧化剂电极供应空气，使燃料电池进入可提取电能的状态，所述燃料电池系统包含用来估计起动时氧化剂电极中氢气量的氢气量估计器、用来根据所估计的氢气量决定对氧化剂电极的空气供应流量增量的流量增量判定器，以及在系统起动运行期间从向燃料电池供应空气开始的时间间隔内，将空气供应流量控制为参考流量与所决定的增量之和的空气流量控制器。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括固体聚合物电解质燃料电池，其设置有燃料电极、氧化剂电极和插在其间的固体聚合物电解质膜，所述燃料电池在燃料电池系统起动时工作，以进入燃料电池系统的起动运行，其中向燃料电极供应氢气并且以参考流量向氧化剂电极供应空气，使燃料电池进入可提取电能的空闲状态，所述控制方法包含估计起动时氧化剂电极中氢气的量、根据所估计的氢气量决定对氧化剂电极空气供应流量的增量，以及在系统起动运行期间从向燃料电池供应空气开始的时间间隔内，将空气供应流量控制为参考流量与所决定的增量之和。
附图说明
当结合附图阅读本发明时，从优选实施方案的详细说明，本发明的上述和其它目的、特征和优点将更加明显，附图中：
图1是根据本发明第一实施方案的燃料电池系统必要部分的方框图；
图2A是“从前次系统关闭开始”(其中“从...开始”在下文中有时简称作“从”)到当前系统起动消逝的时间与图1燃料电池系统燃料电池堆阴极侧存在的氢气量之间的关系图；
图2B是系统关闭中燃料电池堆温度与阴极侧氢气量之间的关系图；
图2C是从系统关闭至系统起动消逝的时间与系统关闭中燃料电池堆温度的关系图，同时描绘了阴极侧氢气量的不同区域；
图3是在图1燃料电池系统的系统起动运行中空气供应控制动作的流程图；
图4A是在系统起动中供应给阴极的空气流量临时变化图；
图4B是在系统起动运行中废氢浓度临时变化图，同时为了比较表示出了供应空气流量；
图5是用来根据本发明第二实施方案在燃料电池系统的系统起动运行期间控制空气流量的控制单元方框图；
图6A是在第二实施方案中阴极侧氢气量和为了稀释废氢至预设浓度下可允许范围内的空气流量增量之间的关系图；
图6B是在第二实施方案中空气流量增量和最优的增加流量供应时间之间的关系图；
图7是根据第二实施方案的燃料电池系统的系统关闭控制动作的流程图；
图8是根据第二实施方案燃料电池系统的系统起动运行中控制动作的流程图。
具体实施方式
参照附图，将详细地解释本发明优选的实施方案。
(第一实施方案)
图1以方框图表示根据本发明第一实施方案的燃料电池系统的必要部分。举例来说，所述燃料电池系统被设置成燃料电池车辆的发电系统，并且包括下列主要部件：用来产生电能的燃料电池堆1；及实用的供应管线，例如氢气供应管线、空气供应管线、以及冷却剂供应管线，分别向燃料电池堆1供应氢气作为气态燃料、供应空气作为气态氧化剂，以及供应冷却剂。
燃料电池堆1设置有多个混联连接的单元燃料电池(下文中有时简称作“单元电池”)，每个电池用作发电电池，具有供应氢气的燃料电极(阳极)1a，用供应空气的氧化剂电极(阴极)1b，以及插在其阀的固体聚合物电解质1c。注意燃料电池堆1中的各个燃料电极1a和与此相关的附近流体通道区有时统称作“燃料电极侧”，并且燃料电池堆1中的各个氧化剂电极1b和与此相关的附近流体通道区有时统称作“氧化剂电极侧”。
单元电池被多级堆叠。在燃料电池堆1的每个发电电池中，向燃料电极1a侧供应氢气，其中氢气经历催化反应，离解成氢离子和电子。氢离子通过电解质1c运动到阴极1b上，而电子借助外部电路传导，因而传输电能。在供应空气的阴极1b侧，在供应空气中的氧气、往那运动的氢离子和往那传导的电子之间发生化学反应，产生被排出系统外的产物水。
考虑到更高的能量密度、成本降低和重量降低，由固体聚合物膜形成电解质1c。固体聚合物膜是离子(质子)传输的聚合物膜，例如基于氟树脂的离子交换膜，其可以通过包括至饱和状态的水而用作离子可以运动的电解质。
氢气供应管线包括举例来说作为氢气源的氢气罐2，并且被设置成通过氢气供应管线3向燃料电池堆1的阳极1a侧供应包含在氢气罐2中的氢气。氢气供应管线3装备有氢气压力控制阀4和氢气压力传感器5。反馈氢气压力传感器5检测的值，以控制氢气压力控制阀4的打开，调节从氢气罐2向燃料电池堆1供应的氢气压力。在燃料电池堆1的阳极1a侧，供应的氢气没有被完全消耗，所以从燃料电池堆1的每个阳极1a上收集过量的氢气，借助氢气再循环管线6再循环。通过注射器7从氢气罐2注入氢气，混合再循环的氢气，再次供应给燃料电池堆1的阳极1a侧。
与燃料电池堆1的阳极1a出口侧连接的是度氢管线8，其在下游侧上(即在氢气再循环管线6分支部分处的下游位置)装有排气阀9。在以再循环方式使用氢气的燃料电池系统中，因为氢气的再循环会导致例如氮气和CO的杂质在氢气供应管线中积累，降低了氢气的分压，从而担心燃料电池堆1的效率降低。但是，例如在杂质深度增加时，通过打开排气阀9以排放供应管线内的杂质，与氢气一起向系统外侧排放，可以解决这个问题。注意通过这种氢气排放从氢气供应管线中排放掉的氢气是在举例来说通过稀释鼓风机10充分稀释后而被排放到系统的外面。
空气供应管线包括空气压缩机11作为空气源，并且被设置成通过空气压缩机11吸入外部的空气，并且通过空气供应管线12将其供应给燃料电池堆1的阴极1b侧。与燃料电池堆1的阴极1b出口侧连接的是空气排放管线13，并且通过空气排放管线13排放掉在燃料电池堆1的阴极1b和其它部件处没有消耗掉的氧气。
空气供应管线12和空气排放管线13分别装备有空气压力传感器14和空气压力控制阀15，并且反馈空气压力传感器14检测的值，以控制空气压力控制阀15的打开，从而调节从空气压缩机11向燃料电池堆1阴极1b侧供应的氢气压力。此外，在空气排放管线13的下游放置消声器16，并且从燃料电池堆1的阴极1b排放的空气从中通过，并且被消声器16消声，然后排放到系统的外面。
设置冷却剂供应管线，通过驱动冷却剂泵17，再循环冷却剂通过冷却剂再循环管线18而向燃料电池堆1供应通过举例来说混合例如乙二醇的防冻剂和水而制备的冷却剂。冷却剂再循环管线18装备有散热器19，并且在吸收了燃料电池堆1的热量后以高温状态流出燃料电池堆1的冷却剂在通过散热器19的过程中耗散热量，固此被冷却。
在燃料电池堆1的出口附近放置在冷却剂再循环管线18上的是温度传感器20，其检测从燃料电池堆1出口流出的冷却剂的温度。温度传感器20检测的冷却剂的温度反映了燃料电池堆1的温度。
通过控制单元21控制以上述方式设置的燃料电池系统的各部分操作。控制单元21被设置成微处理器，其包含CPU、RAM、ROM、外部设备接口等，并且CPU使用RAM作为工作区，从而执行存储在ROM中的各种控制程序，因而控制整个燃料电池系统的操作。具体地说，在燃料电池系统正常运行期间，控制单元21通过监测包括氢气压力传感器5、空气压力传感器14和温度传感器20的各种传感器检测的值来确定整个燃料电池系统，并且以允许燃料电池堆1产生系统所需电力的方式，控制包括氢气罐2、氢气压力控制阀4、空气压缩机11、空气压力控制阀15和冷却剂泵17的各部分的操作。
在系统起动期间，进行系统起动运行，在从燃料电池堆1实际提取电能之前，在控制单元21的控制下将燃料电池堆1带入可提取电能的状态。具体地说，在根据本发明的燃料电池系统中，控制单元21控制空气压缩机11的操作，从而在系统起动运行的初始阶段向燃料电池堆1的阴极1b供应其量大于将燃料电池堆1带入可提取电能状态所需的参考流量的空气。
下面将解释系统起动运行其间的操作控制。
尽管通过打开燃料电池车辆的启动器开关来起动用作燃料电池车辆驱动电源的燃料电池系统，但是在起动操作刚开始后燃料电池堆1仍没有进入能够发电的状态，所以如果在起动操作刚开始后就以重负载状态试图从燃料电池堆1提取电能，就可能会损害燃料电池堆1.因此，在这类燃料电池系统中，进行系统起动运行，在起动系统后从燃料电池堆1实际提取电能之前，通过分别向燃料电池堆1的阳极1a和阴极1b供应氢气和参考流量的空气而将燃料电池堆1带入可提取电能的状态。此外，在完成系统起动运行的阶段，系统转换成正常运行，从而随后从燃料电池堆1中提取电能。即，在从燃料电池系统起动，例如打开启动器开关到转换成实际从燃料电池堆1提取电能的正常运行期间，进行系统起动运行。此处，在系统起动运行中，设定用来将燃料电池堆1带入可提取电能状态的空气供应参考流量为例如燃料电池堆1使用最小负载时所需的空气流量。
顺便提及，在采用固体聚合物膜作为电解质1c的固体聚合物燃料电池堆1中，已经证实负载在阳极1a侧上的氢气在燃料电池系统关闭期间渗过包含固体聚合物膜的电解质1c，并且泄漏到阴极1b上的现象。此外，取决于燃料电池系统下一次起动的时间，氢气从阳极1a侧泄漏到阴极1b侧明显导致在系统起动时燃料电池堆1的燃料电池堆1侧面上存在大量氢气的状态。
如果以传统的系统起动方式进行系统起动，其中如上所述在燃料电池堆1的阴极1b侧上存在大量的氢气，则只向燃料电池堆1的阴极1b侧供应所需最小参考流量的空气，从而引起如下担忧：阴极1b侧上存在的大量氢气没有被供应给阴极1b的空气充分稀释，从而氢气以高浓度的状态被排放到系统外面。
因此，设置根据本发明的燃料电池系统，使控制单元21控制空气压缩机11，使得当通过打开启动器开关起动燃料电池系统时，在进行系统起动运行从向燃料电池堆1供应空气开始的预设期间，向燃料电池堆1的阴极1b供应流速大于参考流量的空气，从而阴极1b上存在的氢气被增加流量的空气供应充分稀释，然后排放到系统的外面。
即，在从向燃料电池堆1开始供应空气的预设期间，向燃料电池堆1的阴极1b供应增加流量的空气，使得在保证一定体积的部件例如燃料电池堆1、空气排放管线13和消声器16中，大流量供应的空气与阴极1b上存在的氢气混合，从而以降低的浓度将氢气排放到系统外面。
如图2A、2B和2C所示，系统起动期间燃料电池堆1阴极1b上存在的氢气量主要取决于从前次系统关闭到当前系统起动所消逝的时间，以及前次系统关闭时燃料电池堆1的温度。
即，固为氢气从燃料电池堆1的阳极1a侧泄漏到阴极1b侧随着时间的消逝而进行，所以阴极1b侧上存在的氢气量随着时间的消逝逐渐增加，直至系统关闭后一定阶段，并且在如图2A所示的特定阶段(例如在10分钟后)处达到峰值。此后，阴极1b上存在的氢气量例如通过阴极1b侧上的催化反应以及通过向外面的扩散而逐渐降低。
此外，因为在较高温度状态下操作的燃料电池堆1在系统关闭期间通过热耗散而逐渐冷却，所以系统关闭时燃料电池堆1的温度越高导致在系统关闭期间用作电解质1c的固体聚合物膜被随后置于高温下的时间越长。另外，固体聚合物膜在较高温度下趋向于具有较大的氢气渗透系数，使得系统关闭期间固体聚合物膜的温度越高导致从阳极1a侧到阴极1b侧泄漏的氢气量增加。因此，如图2B所示，系统关闭时燃料电池堆1的温度越高导致在下一次系统起动时燃料电池堆1的阴极1b侧存在的氢气量越大。
通过将在系统起动时燃料电池堆1的阴极1b侧上存在的氢气量分组成大、中和小三个等级，并且通过获得表示氢气量、从前次系统关闭到当前系统起动消逝的时间、以及在前次系统关闭时燃料电池堆1的温度之间关系的简单图而给出图2C。
在本实施方案中，例如通过考虑上述趋势采用实际系统或模拟计算的实验，预先获得在系统起动时可能在燃料电池堆1的阴极1b侧上存在的氢气的最大值，并且预先设置空气供应流量的增量和增加的空气流供应时间，从而甚至在阴极1b侧上存在最大量的氢气时，也能通过在系统起动运行期间的空气供应而允许阴极1b上存在的氢气被稀释至预设的允许排放浓度或更低。此外，设置控制单元21，控制空气压缩机11的操作，从而在从向燃料电池堆1供应空气开始的预设时间内，以通过参考流量加上预设的流量增量而提供的流速向阴极1b供应空气。
图3是在本实施方案燃料电池系统的系统起动时要执行的空气供应控制实例的流程图。
在本实施方案的燃料电池系统中，当系统起动时，进行系统起动运行，并且控制单元21首先在步骤S1控制空气压缩机11的操作，作为当前空气供应控制，使得以通过参考流量加上预设的流量增量而提供的流速向燃料电池堆1的阴极1b供应空气。继续供应如此增加流量的空气供应，直至预设的时间消逝。
当在步骤S2中判断出预设的时间已经消逝时，控制单元21控制空气压缩机11的操作，使得向燃料电池堆1的阴极1b供应参考流量的空气。注意向阴极1b供应的空气压力基本上与已经向之供应的增加流量的空气压力保持相同。继续所述参考流量的空气供应，直至系统起动运行完成。然后，当在步骤S4中判断出系统起动运行终止时，在步骤S5流量进入正常运行，并且终止系统起动运行期间的空气供应控制。
图4A和4B是与传统实例相比，在本实施方案燃料电池系统的起动期间，供应给燃料电池堆1的阴极1b的空气流速与要排放到系统外面的氢气浓度之间的关系图。在图4A中，实线表示在本实施方案的燃料电池系统起动时空气供应流量随时间的变化，并且虚线表示在传统实例中系统起动期间空气流量供应随时间的变化。在图4B中，实线表示在本实施方案的燃料电池系统起动时排放的氢气浓度随时阀的变化，并且虚线表示在传统实例中系统起动期间排放的氢气浓度随时间的变化。
在如图4A所示的传统实例中，从刚开始向燃料电池堆1的阴极1b供应空气后，继续以参考流量供应空气。相反，在本实施方案的燃料电池系统中，在开始向燃料电池堆1的阴极1b供应空气后的预设时间内，以通过向参考流量加上预设的流量增量而提供的流速供应空气。
结果，如图4B所示，尽管在传统的实例中，燃料电池堆1的阴极1b上存在的氢气被排放到系统外面而没有被充分地稀释，因此在开始供应空气后一定阶段中，废氢的浓度可能超过由该图中的允许排放浓度水平，但是在本实施方案的燃料电池系统中，可以采用增加流量的空气充分稀释燃料电池堆1的阴极1b上存在的氢气，从而限制废氢浓度的峰值至允许的排放浓度或者更低。
在如上所述的本实施方案燃料电池系统中，设置控制单元21，控制空气压缩机11的操作，使得在进行系统起动运行时，开始向燃料电池堆1的阴极1b供应空气后的预设时间内，以大于参考流量的流速向阴极1b供应空气。因此，甚至在系统关闭期间，氢气已经从燃料电池堆1的阳极1a泄漏到阴极1b侧，从而在系统起动期间，阴极1b上存在大量氢气的状态中，也可以用增加流量的空气稀释阴极1b上存在的氢气，并且以足够降低浓度的状态将氢气排放到外面。
此外，因为在系统起动期间，基于如上所述简单的空气控制稀释阴极1b上存在的氢气，而不会依赖增加用作燃料电池堆1电解质1c的固体聚合物膜的厚度的技术，所以可以有效地限制在系统起动期间从阴极1b排放高浓度氢气的缺点，而不会引起例如由于固体聚合物膜厚度的增加而降低燃料电池堆1效率的问题。
(第二实施方案)
下面解释根据本发明第二实施方案的燃料电池系统。本实施方案的燃料电池系统与第一实施方案具有相同的基本结构，并且其特征在于空气流量的增量和增加的空气流供应时间在进行系统起动运行时是可变的。即，在第一实施方案中，通过事先进行实验等，已经获得在系统起动期间可以在燃料电池堆1的阴极1b上存在的氢气的最大值，并且已经设定了空气供应流量的增量和增加的空气流供应时间，作为允许最大量的空气被稀释至预设的允许排放浓度或者更低的充分流速和时间。但是，在第二实施方案的燃料电池系统中，设置控制单元21，在需要时基于从前面系统关闭到当前系统起动的消逝时间以及在前次系统关闭时的电池堆温度，估计燃料电池堆1的阴极1b侧上存在的氢气量，并且设置空气供应流的增量和增加空气流的供应时间从而与估计的氢气量相称。
下文中，为了避免多余的描述，使用在第一实施方案中使用的参考数字来表示相同的元件，并且将主要解释在本实施方案特征的由控制单元21进行的过程。
在本实施方案的燃料电池系统中，在控制单元21中实现的起着在系统起动运行期间控制空气流量作用的是阴极侧氢气量估计器21a、空气流量增量/增加流量供应时间判定器21b和空气流量控制器21c，如图5所示。
设置阴极侧氢气量估计器21a，例如在举例来说通过打开启动器开关输入起动信号而起动燃料电池系统时，估计燃料电池堆1的阴极1b侧存在的氢气量。如上所述，燃料电池堆1的阴极1b侧上存在的氢气量取决于从前次系统关闭到当前系统起动的消逝时间，以及前次系统关闭时燃料电池堆1的温度。因此，设置阴极侧氢气量估计器21a，计算从前次系统关闭到当前系统起动的消逝时间，读出在前次系统关闭时燃料电池堆1温度的信息，并且基于所计算的消逝时间和读出的信息，估计系统起动时燃料电池堆1的阴极1b上存在的氢气量。
尽管可以想象各种方法来计算从前次系统关闭到当前系统起动的消逝时间，但是可以提供从燃料电池系统内部或外部输出的时间点信息的时钟，从而从系统关闭时的时钟获得系统关闭的时间点并且存储在存储器中，从系统起动时的时钟获得系统起动的时间点并且读出存储在存储器中的系统关闭的时间点，并且获得其间的差值，从而计算从前次系统关闭到当前系统起动的消逝时间。当然通过其它的方法来计算经过时间。
此外，尽管可以想象直接测量或估计燃料电池堆1自身的温度，从而获得燃料电池堆1的温度，但是此处采用放在燃料电池堆1出口附近的冷却剂再循环管线18上的温度传感器20检测的值，冷却剂再循环管线18用来向燃料电池堆1再循环地供应冷却剂。即，因为如上所述温度传感器20的冷却剂温度反映了燃料电池堆1的温度，所以在系统关闭期间获得温度传感器20的检测值并存储在存储器中，作为系统关闭期间电池堆的温度，并且在系统起动期间读出存储在存储器中的电池堆温度信息。
设置空气流量增量/增加流量供应时间的判定器21b，在系统起动运行的初始阶段确定空气供应流量的增量、增加空气流量的供应时间等以与阴极侧氢气量估计器21a估计的氢气量，即系统起动期间燃料电池堆1的阴极1b侧上存在的氢气量相称。
图6A表示系统起动期间，燃料电池堆1的阴极1b侧上存在的氢气量和稀释氢气至预设的允许排放浓度水平或更低所需的空气流量增量之间关系。如图6A所示，系统起动期间燃料电池堆1的阴极1b侧上存在的氢气量越大，在系统起动运行的初始阶段所需的空气流量增量越大。设置空气流量增量/增加流量供应时间的判定器21b，举例来说储存阴极侧氢气量和空气流量增量的关系作为关系图，并且当在系统起动期间通过阴极侧氢气量估计器21a估计时，参考所述关系图，确定与阴极侧氢气量同量的空气流量增量。
图6B表示系统起动运行初始阶段时空气供应流量增量与增加空气流量的供应时间之间的关系。如图6B所示，系统起动初始阶段所需的空气流量增量越大导致增加空气流量的供应时间越短，从而允许稀释阴极1b侧上存在的氢气至预设的允许排放浓度水平或更低，然后排放到系统的外面。即，空气流量增量越大，允许越大的空气流量瞬时供应给阴极1b侧，并且加速与阴极1b侧上存在的氢气混合，从而允许阴极1b侧上存在的氢气在空气开始后早期充分地稀释。设置空气流量增量/增加流量供应时间的判定器21b，储存例如空气流量增量和增加流量的供应时间之间的关系作为关系图，并且在决定了与阴极侧氢气量相应的空气流量增量后，参考所述关系图，确定与空气流量增量同量的增加流量的供应时间。
设置空气流量控制器21c，控制空气压缩机11的操作，从而控制在系统起动运行期间供应给燃料电池堆1的阴极1b的空气流量。即，空气流量控制器21c控制压缩机11的操作，使得在从空气供应开始到由空气流量增量/增加流量供应时间的判定器21b确定的增加流量供应时间过后的期间内，以通过空气流量增量/增加流量供应时间的判定器21b确定的空气流量增量加上将燃料电池堆1带入可提取电能状态所需的参考流量而提供的流速，向燃料电池堆1的阴极1b供应空气。在空气流量增量/增加流量供应时间的判定器21b确定的增加流量供应时间过后，控制空气压缩机11的操作，以参考流量向燃料电池堆1的阴极1b供应空气，直至系统起动运行结束。
图7表示在系统关闭期间执行过程的实例，并且图8表示在系统起动期间执行空气供应控制的实例，两者都是在本实施方案的燃料电池系统中。
如图7所示，在结束燃料电池堆1的发电，从而关闭本实施方案的燃料电池系统中，首先在步骤S11中停止向燃料电池堆1供应氢气和空气，并且在步骤S12中从燃料电池系统内部或外部提供的时钟获得此时的时间点信息(系统关闭时间点)TEND。接着，在步骤S13中获得温度传感器20检测的值N(系统关闭时电池堆温度)。然后，在步骤S14中，将步骤S12中获得的系统关闭的时间点TEND和步骤S13中获得的系统关闭期间电池堆温度N写入存储器，并且结束系统关闭期间的过程。
同时，在图8所示的系统起动期间，首先在步骤S21中从燃料电池系统内部或外部提供的时钟获得此时的时间点信息(系统起动时间点TSTART)，并且在步骤S22中从存储器中读出前次系统关闭期间写入存储器的系统关闭时间点TEND。在步骤S23中，获得系统起动时间点TSTART和系统关闭时间点TEND之间的差值，从而计算从前次系统关闭到当前系统起动的消逝时间(TSTART-TEND)。
接着，在步骤S24中，从存储器读出在前次系统关闭期间写入存储器的系统关闭期间的电池堆温度N。在步骤S25中，基于在步骤S23中计算的消逝时间(TSTART-TEND)和在步骤S24中从存储器读出的系统关闭期间的电池堆温度N，估计燃料电池堆1的阴极1b上存在的氢气量。
接着，在步骤S26中，确定与步骤S25中估计的阴极侧氢气量同量的在系统起动运行初始阶段中的空气供应流量增量F1.在步骤S27中，确定与步骤S26中确定的空气流量增量F1同量的增加空气流量的供应时间T1。在步骤S28中，控制空气压缩机11的操作，从而以通过将在步骤S26中确定的空气供应流量增量F1加上将燃料电池堆1带入可提取电能状态所需的参考流量而提供的流速，向燃料电池堆1的阴极1b供应空气。继续以如此增加的流量供应空气，直至在步骤S27中确定的增加流量供应时间T1消逝。
此外，当在步骤S29中判断出在步骤S27中确定的增加流量供应时间T1已经消逝时，然后在步骤S30中控制空气压缩机11的操作，使得以参考流量向燃料电池堆1的阴极1b供应空气。注意供应给阴极1b的空气压力基本上与已经以增加的流量向之供应的空气压力保持相同。继续以参考流量供应空气，直至完成系统起动运行。然后，当判断出在步骤S31中结束系统起动运行时，在步骤S32中流量正常运行，并且结束在系统起动运行期间的空气供应控制。
在如上所述的本实施方案燃料电池系统中，与第一实施方案相似，在进行系统起动运行下，向燃料电池堆1的阴极1b供应空气开始后的预设时间内，以大于参考流量的流速向阴极1b供应空气。因此，甚至在系统关闭期间氢气已经从阳极1a侧泄漏到阴极1b侧，使得在系统起动期间在阴极1b侧上存在大量氢气的状态中，也可以采用增加流量期间的空气稀释阴极1b上存在的氢气，并且将具有足够低浓度的氢气排放到外面。
具体地说，在第二实施方案的燃料电池系统中，确定系统起动期间燃料电池堆1的阴极1b侧上存在的估计量氢气，以及确定空气供应流量增量和增加空气流量的供应时间与估计量的氢气同量。这就允许用适当流量的空气有效地稀释阴极1b上存在的氢气，并且被排放到外面，而不需要不必要地驱动空气压缩机11。
在第二实施方案中，确定空气供应流量增量F1和增加流量的供应时间T1以与系统起动期间阴极侧氢气量的估计结果同量。但是，可以仅确定空气供应流量增量F1与阴极侧氢气量的估计结果同量，而采用与第一实施方案相似的预设为足够时间的固定值的增加流量的供应时间T1，从而在按上面的方式预设的增加流量供应时间内，以空气供应流量增量F1加上参考流量所提供的流速供应空气。
此外，在第二实施方案中，基于从前次系统关闭到当前系统起动的消逝时间以及前次系统关闭时燃料电池堆1的温度，估计系统起动期间的阴极侧氢气量。但是，甚至仅基于从前次系统关闭到当前系统起动的消逝时间，或者仅基于前次系统关闭时燃料电池堆1的温度，也可以在一定程度上估计阴极侧氢气量。由此，通过基于所估计的阴极侧氢气量，以微小的误差设置空气供应流量增量F1，使得在系统起动运行初始阶段，以增量F1加上参考流量所提供的流速向阴极1b供应空气，也可以获得与第一实施方案相同的作用。
根据本发明的燃料电池系统，在进行系统起动运行下，开始向燃料电池供应空气后的预设时间内，以大于参考流量的流速向燃料电池供应空气。因此，甚至在系统关闭期间氢气已经从燃料电池的燃料电极侧泄漏到燃料电池氧化剂电极侧，使得在系统起动期间在氧化剂电极侧上存在大量氢气的状态中，也可以用增加流量期间的空气稀释氧化剂电极上存在的氢气，并且将具有足够低浓度的氢气排放到外面。
详细地说，根据本发明的燃料电池系统，通过估计阴极上存在的氢气量、决定与所估计的氢气量同量的空气供应流量增量，并且控制空气供应流量，在进行系统起动运行时，开始向燃料电池供应空气后的预设时间内，以大于参考流量的流速向燃料电池供应空气，从而在系统起动运行期间，以决定的增量加上参考流量所提供的流速向阴极供应空气，从而允许有效地限制在系统起动运行期间排放高浓度氢气的缺点，并且不会降低燃料电池系统的效率。
在2004年3月26日递交给日本专利局的日本专利申请第2004-092564号的内容被引入本文作参考。
尽管已经基于实施方案说明了本发明，但是本发明并不局限于此，并且可以做出各种修改而不会背离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1、一种燃料电池系统，其包括：
固体聚合物电解质燃料电池，其设置有：
燃料电极，
氧化剂电极，及
插在其间的固体聚合物膜，
所述燃料电池在所述燃料电池系统起动时工作，以进入所述燃料电池系统的起动运行，其中
向所述燃料电极供应氢气，并且
以参考流量向所述氧化剂电极供应空气，使所述燃料电池进入可提取电能的状态，所述燃料电池系统包含：
氢气量估计器，被设置成估计在所述起动时所述氧化剂电极中氢气量；
流量增量判定器，被设置成根据所估计的氢气量，决定向所述氧化剂电极的空气供应流量增量，以及
空气流量控制器，被设置成在所述系统起动运行期间从向所述燃料电池供应空气开始的时间间隔内，将所述空气供应流量控制为所述参考流量与所决定的增量之和。
2、权利要求1中要求的燃料电池系统，其中所述流量增量判定器被设置成根据所决定的空气供应流量的增量确定从空气供应开始的所述时间间隔。
3、权利要求1中要求的燃料电池系统，其中所述氢气量估计器被设置成根据从前次关闭所述燃料电池系统开始到所述起动时的时间间隔，估计所述氧化剂电极中的氢气量。
4、权利要求1中要求的燃料电池系统，其中所述氢气量估计器被设置成根据在前次关闭所述燃料电池系统开始时所述燃料电池的温度，估计在所述起动时所述氧化剂电极中的氢气量。
5、权利要求1中要求的燃料电池系统，其中所述氢气量估计器被设置成根据从前次关闭所述燃料电池系统开始到所述起动时的时间间隔以及在前次关闭所述燃料电池系统开始时所述燃料电池的温度，估计所述氧化剂电极中的氢气量。
6、一种用于燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括：
固体聚合物电解质燃料电池，其设置有：
燃料电极，
氧化剂电极，及
插在其间的固体聚合物膜，
所述燃料电池在所述燃料电池系统起动时工作，以进入所述燃料电池系统的起动运行，其中
向所述燃料电极供应氢气，并且
以参考流量向所述氧化剂电极供应空气，使所述燃料电池进入可提取电能的状态，所述控制方法包含：
估计在所述起动时所述氧化剂电极中的氢气量；
根据所估计的氢气量，决定向所述氧化剂电极的空气供应流量增量，以及
在所述系统起动运行期间从向所述燃料电池供应空气开始的时间间隔内，将所述空气供应流量控制为所述参考流量与所决定的增量之和。
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