CN1706065A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

当氢气净化阀(purge valve)处于关闭状态时，控制单元计算源于氢气电极上燃料气体以外的杂质量累积的累积值(integration value)，该值根据氢气电极上的气压和燃料电池堆的温度而变化，并且当所述累积值变成等于或者大于阈值时，控制氢气净化阀处于打开状态。当氢气净化阀处于打开状态时，控制单元计算源于从氢气净化阀排放的气体流速累积的累积值，该值根据氢气电极上的气压和燃料气体的温度而变化，并且当所述累积值变成等于或者大于阈值时，控制氢气净化阀处于关闭状态。这就可能消除在燃料气体系统中积累的杂质，从而在大范围的工作负载下确保稳定的发电，并且使燃料排放量最小，从而提高燃料使用的效率。

Description

燃料电池系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，及其在向燃料电池堆供应燃料气体和氧化剂气体，从而产生电能，驱动车辆驱动马达时适当的控制方法。

背景技术

为车辆运动体产生传动力矩的燃料电池系统通过日本专利特许公开申请第2000-243417中公开的技术是公知的。这种燃料电池系统通常具有固体聚合物型燃料电池堆，其使用氢气作为燃料，并且通过供应比燃料电池堆消耗要多的氢气能够保证稳定的发电。

根据本发明该专利申请的燃料电池系统使用比消耗要多的氢气，并且通过向燃料电池堆的燃料入口面循环从燃料电池堆排放出的过量氢气而不丢弃过量的氢气。另外，也关注通过连续的操作，氢气以外的杂质气体在氢气系统中积累，这种燃料电池系统在发电程度降低时要除去氢气系统中积累的杂质。

发明内容

但是，上述燃料电池系统发电程度的降低取决于燃料电池堆的工作负载而不同，并且存在如下情况：即便在低负载区中发电程度几乎不降低，但是发电程度在高负载下总是降低至允许的范围以外，从而使燃料电池堆降级。因此，出现如下问题：当燃料电池系统被用于车辆，并且工作负载从非常低的负载改变至高负载时，不能确定除去杂质的最佳时间。

因此，为了解决上述问题，本发明已经建议并且旨向于提供一种高效的燃料电池系统及其控制方法，其可以消除燃料电池系统中积累的杂质，能够在大范围的工作负载下确保稳定的发电，并且使燃料排放量最小。

根据本发明的燃料电池系统包括具有彼此面向提供的且电解质膜夹于其间的燃料电极和氧化剂电极的燃料电池堆、向燃料电极供应燃料气体并向氧化剂电极供应氧化剂气体，从而使燃料电池堆发电的气体供应单元、具有用来向燃料电池堆的燃料气体入口端返回从燃料电池堆排放出的过量燃料气体的循环通道的循环单元，以及具有从循环通道排放燃料电极上存在的气体的开/关阀门的气体排放单元，并且通过控制单元控制开/关阀门的打开/关闭。

根据本发明的燃料电池系统通过如下方法克服了上述的问题：当所述开/关阀门处于关闭状态时，使控制单元计算源于供应给燃料电极的气体每单位时间值累积的累积值，该值根据氧化剂电极上的气压和燃料电池堆的温度而变化，并且当所述累积值变成等于或者大于累积阈值时，控制所述开/关阀门处于打开状态。

根据本发明的另一种燃料电池系统通过如下方法克服了上述的问题：当所述开/关阀门处于打开状态时，使控制单元计算源于从所述开/关阀门排放的气体流速累积的累积值，该值根据燃料电极上的气压和燃料气体的温度而变化，并且当所述累积值变成等于或者大于排放阈值时，控制所述开/关阀门处于关闭状态。

根据本发明的再另一种燃料电池系统通过如下方法克服了上述的问题：随着从开/关阀门的打开状态至关闭状态操作开/关阀门时燃料电池堆的温度变高，设置要在控制开/关阀门处于打开状态的情况中计算的累积初始值较低，并且计算源于供应给燃料电极的气体每单位时间值累积的累积值。

本发明的其它和进一步的特征、优点及利益将从下面结合附图的说明中变得明显。

附图说明

图1是表示根据本发明第一实施方案的燃料电池系统结构的方框图。

图2是表示氢气系统中氮气量、循环氢气流速和氢气温度之间关系的图。

图3是表示根据本发明第一实施方案的燃料电池系统净化阀控制过程程序的流程图。

图4是表示传输的氮气流速相对于空气压力和燃料电池堆温度的图。

图5是表示氢气温度和累积阈值之间关系的图。

图6是表示从氢气净化阀排放的气体流速相对于氢气压力和氢气温度的图。

图7是表示根据本发明第二实施方案的燃料电池系统净化阀控制过程程序的流程图。

图8是表示燃料电池堆温度和累积初始值之间关系的图。

图9是表示冷却剂温度和排放阈值之间关系的图。

图10是表示根据本发明第二实施方案，当氢气温度低时和氢气温度高时、通过燃料电池系统实施净化阀控制过程时的氮气量变化的图。

具体实施方式

下文将参照附图详细地解释根据本发明实施方案的燃料电池系统。

第一实施方案

本发明适用于结构如图1所示的根据本发明第一实施方案的燃料电池系统。

燃料电池系统的结构

如图1所示，该燃料电池系统具有当供应燃料气体和氧化剂气体时发电的燃料电池堆1。所述燃料电池堆1结构如下：一个燃料电池结构具有彼此面向提供的空气电极和氢气电极，其间用分隔板保持一片固体聚合物电解质膜，并且层叠大量的电池结构。在本实施方案中，燃料电池系统被描述为向氢气电极1a供应氢气作为燃料电池堆1的燃料气体，产生发电反应，并且向空气电极1b供应氧气作为氧化剂气体。

当使燃料电池堆1发电时，所述燃料电池系统向氢气电极1a供应潮湿的氢气，并且向空气电极1b供应潮湿的空气。空气由压缩机2压缩，并且通过空气供应通道L1供应给燃料电池堆1的空气电极1b。此时，燃料电池系统控制与压缩机2连接的压缩机马达的转数，并且控制在空气电极1b的空气排放面上提供的空气调节器3的打开程度，从而调节要供应给空气电极1b的空气流速和空气压力。

燃料电池系统从检测要供应给空气电极1b的空气压力的气动传感器4中读取检测信号，并且按照使其变成目标空气压力的方式控制空气压力调节器3。

氢气从保持在高压氢气钢瓶5中的状态经氢气供应通道L2，通过氢气压力调节器6和喷射泵7供应给氢气电极1a。从氢气电极1a排放出的未使用的氢气借助氢气循环通道L3返回喷射泵7，并且通过喷射泵7借助氢气供应通道L2循环回氢气电极1a。

此时，燃料电池系统控制氢气压力调节器6的打开程度，调节要供应给氢气电极1a的氢气压力。燃料电池系统还从检测要供应给氢气电极1a的氢气压力的氢气压力传感器9中读取检测信号，并且按照使其变成目标氢气压力的方式控制氢气压力调节器6。

在所述燃料电池系统中，在氢气电极1a的氢气排放侧提供氢气净化阀8。由燃料电池系统控制所述氢气净化阀8的打开/关闭行为，并且根据燃料电池堆1的状态来进行打开/关闭行为。当防止燃料电池堆1中发生水堵塞和由于从空气电极1b向氢气电极1a泄漏空气引起电力降低或者发电效率降低时，通过设置净化阀8处于打开状态，燃料电池系统临时从燃料电池堆1排放氢气电极1a或者氢气循环通道L3中的氢气。

此外，燃料电池系统具有用来在使燃料电池堆1发电时调节燃料电池堆1温度的冷却剂供应系统。所述冷却剂供应系统在冷却剂通道14中配置有散热器10和冷却剂泵11。按照如下方式来配置这种冷却剂供应系统：向燃料电池堆1中的冷却剂通道L4中进料从冷却剂泵11泵出的冷却剂，并且使从燃料电池堆1排放出的冷却剂流向散热器10并将其返回冷却剂泵11。在所述冷却剂供应系统中，在适当的位置提供冷却剂温度传感器12，检测冷却剂通道L4的供应从燃料电池堆1排放出的冷却剂的部分处的冷却剂温度。

此外，燃料电池系统具有控制如上配置的每个部分的控制单元13。控制单元13在内部存储控制每个部分的控制程序，并且通过执行所述控制程序，使燃料电池堆1发电并执行在后面讨论的净化阀控制过程。

此时，响应接收到的要燃料电池堆1发电的外部需求，控制单元13从气动传感器4和氢气压力传感器9中读取检测信号，并且检测供应给燃料电池堆1的空气压力和氢气压力。因此，为了使燃料电池堆1产生能够满足发电需求的电力，控制单元13通过调节压缩机2的驱动量和空气调节器3的打开程度，调节空气流速和空气压力，并且通过调节氢气压力调节器6的打开程度来调节氢气流速和氢气压力。此时，因为随着燃料电池堆1的发电而产生热量，控制单元13通过从冷却剂温度传感器12中读取检测信号而检测燃料电池堆1的温度，并且控制冷却剂泵11的驱动量和散热器10的冷却程度。

当以这种方式实施正常操作时，燃料电池系统保证了燃料电池堆1的稳定发电，并且通过借助氢气循环通道L3，将燃料电池堆1排放出的氢气返回到喷射泵7，并且按照使其返回至燃料电池堆1的方式，使喷射泵7循环氢气，从而提高了氢气系统的反应效率。

控制单元13通常控制氢气净化阀8处于关闭状态，并且当氮气从空气电极1b扩散并且累积在氢气系统中时，实施净化阀控制过程，使氢气净化阀8处于打开状态，向外部排放基本上包含氮气和氢气以外的其它气体的杂质。此处，控制单元13可以在检测氢气以外的含氮气杂质的积累时，以及积累了氮气的情况下，执行净化阀控制过程。

即，为了使燃料电池堆1在这种燃料电池系统中稳定地发电，需要根据燃料电池堆1要求的负载大约保证恒定的氢气循环量或者更多。此外，因为如图2所示，氢气系统中的氮气量和喷射泵7的循环氢气流速之间的关系为随着氢气系统中的氮气量增加，氢气密度降低并且氢气系统中气体分子的平均量增加，喷射循环的氢气流速变低。当氢气系统的气体温度高的时候，氢气系统中的蒸气分压上升，从而降低了循环的氢气流速，从而氢气系统中可允许的最大氮气量在高温情况下变小。因此，在所述燃料电池系统中，以相对于氢气流速，不增加氢气系统中氮气量的方式执行下面的净化阀控制过程。

燃料电池系统中净化阀控制过程

接着，参照图3的流程图，描述在以上述方式配置的燃料电池系统中，通过控制单元13执行净化阀控制过程，控制氢气净化阀8的打开/关闭行为。

当燃料电池系统激活时，控制单元13每隔预定时间在步骤S1中或者之后起动过程。首先，在步骤S1中，控制单元13通过从气动传感器4、氢气压力传感器9和冷却剂温度传感器12读取检测信号，检测空气压力和氢气压力及燃料电池堆1的温度，以及与氢气电极1a的气体温度相等的冷却剂温度，并且行进至步骤S2的过程。检测冷却剂温度的原因是因为冷却剂温度与氢气电极1a中氢气的温度和空气电极1b中的空气温度密切相关。

在步骤S2中，控制单元13检测氢气净化阀8当前的打开/关闭状态，并且确定氢气净化阀8是否处于关闭状态。当氢气净化阀8处于关闭状态时，控制单元13行进至步骤S3的过程，并且当氢气净化阀8处于打开状态时，行进至步骤S9的过程。

在步骤S3中，控制单元13从在步骤S1中检测的空气压力和冷却剂温度得到传输氮气的流速作为供应给燃料电极的气体的每单位时间的值。此时，控制单元13通过参照预存储的地图数据(map data)，根据从在步骤S1中检测的空气压力和冷却剂温度预测从空气电极1b向氢气电极1a扩散的传输氮气的流速，如图4所示，其描述了传输氮气的流速相对于空气压力和冷却剂温度(燃料电池堆1的温度)的关系。图4所示的地图中数据是通过实验已经获得的，并且描述了空气压力和燃料电池堆1的温度越高，传输氮气的流速变得越大。

在下一个步骤S4中，控制单元13将在先前净化阀控制过程的步骤S4中的计算的传输氮气的流速加上在当前步骤S3中预测的传输氮气的流速，从而计算氢气电极1a中传输氮气的当前流速(氮气量的累积值)。当作为直至上次传输氮气量的累积的传输氮气的流速加上传输氮气的当前流速时，控制单元13得到传输氮气流速的累积值。

在下一个步骤S5中，控制单元13从步骤S1中检测的冷却剂温度计算累积阈值，其是允许积累在氢气电极1a中的氮气量的值。此时，控制单元13通过参照预存储的地图数据，根据在步骤S1中检测的冷却剂温度预测向氢气电极1a扩散的累积阈值，如图5所示，该图描述了累积阈值相对于冷却剂温度(氢气温度)的关系。图5所示的地图数据是通过实验已经获得的，并且描述了冷却剂温度越高，累积阈值变得越小。

在下一个步骤S6中，控制单元13确定通过步骤S4中的累积获得的传输氮气的流速是否等于或者大于步骤S5中获得的累积阈值。当控制单元13确定通过累积获得的传输氮气的流速不等于或者大于累积阈值时，其终止所述过程；而当其确定通过累积获得的传输氮气的流速等于或者大于累积阈值时，其行进至步骤S7的过程。此处，在终止所述过程时，控制单元13保持在步骤S4中通过累积获得的传输氮气的流速，从而在下一个净化阀控制过程中的步骤S4中使用。

在步骤S7中，控制单元13根据步骤S6中的决定结果确定随着从空气电极1b向氢气电极1a传输的氮气量增加，可能发生循环的氢气流速降低并且燃料电池堆1不能稳定地操作，并且控制氢气净化阀8处于打开状态。因此，燃料电池系统将氢气电极1a和氮气循环通道L3中含有大量氮气的气体排放到外面。

在随后的步骤S8中，控制单元13重设在步骤S4中累积并保持的传输氮气流速，并且终止所述过程。

同时，在步骤S9中，例如通过执行上述步骤S1至S8的过程，在判定下一个净化阀控制过程的步骤S2中氢气净化阀8处于打开状态后，控制单元13从在步骤S1中检测的冷却剂温度和氢气压力计算净化流速，即从氢气电极1a排放出的气体量。此时，通过参照如图6所示的描述每单位时间净化流速对预存储的氢气压力和氢气温度的地图数据，控制单元13根据等于在步骤S1中检测的冷却剂温度的氢气温度，以及检测的氢气压力来预测净化流速。图6所示的地图数据是已经通过实验获得的，并且描述了氢气温度越高，通过增加蒸气分压做出的净化流速越小，并且氢气压力越高，净化流速变得越大。

在下一个步骤S10中，控制单元13将在前一净化阀控制过程的步骤S10中计算的净化流速加上在当前步骤S9中计算的净化流速，从而计算当前净化流速(累积值)。当净化流速，即直至上次的净化流速累积加上当前净化流速时，控制单元13获得净化流速的累积值。

在下一个步骤S11中，控制单元13通过确定通过步骤S10的累积获得的净化流速(排放气体流速的累积值)是否等于或者大于预设的排放阈值来确定氢气净化阀8是否处于关闭状态。此处，排放阈值是已经通过实验获得的，并且设置至少提供允许在氢气电极1a中积累的氮气量的净化流速。

当控制单元13判定通过累积获得的净化流速不等于或者大于排放阈值时，其终止所述过程，让氢气净化阀8处于打开状态。此处，控制单元13保持在步骤S10中通过累积获得的净化流速，从而在下一个净化阀控制过程的步骤S10中使用。同时，在步骤S12中，在确定通过累积获得的净化流速等于或者大于排放阈值后，控制单元13确定排放足够量的氮气，并且控制氢气净化阀8处于关闭状态，从而完成从氢气电极1a中排放含氮气的气体的操作。

在下一个步骤S13中，控制单元13重新设置在步骤S10中累积并保持的净化流速，并且终止所述过程。

如上述详细描述，根据本发明第一实施方案的燃料电池系统，通过使用图3所示的地图数据，通过作为要供应给燃料电极的气体每单位时间的值获得扩散氮气的流速并累积，控制单元13根据燃料电池堆1的工作状态预测氢气电极1a中累积的氮气量，并且当氮气量达到根据氢气温度设置的累积阈值的氮气量时，通过打开氢气净化阀8来排放氢气。因此，所述结构使设置氢气净化阀8为打开状态的频率最小，并且保证了循环的氢气量，从而可以在广泛的工作负载下稳定保持燃料电池堆1的发电。还可以高效地除去燃料电池堆1中积累的杂质，从而将燃料电池堆1的降级抑制至最小程度。

根据本发明所述燃料电池系统，当氢气净化阀8关闭时，控制单元13累积根据空气压力和燃料电池堆1温度预定的值(流入氢气电极1a的氮气量)，并且当累积值等于或者大于预定的累积阈值时，设置氢气净化阀8为打开状态。因此，使用这种结构，通过适当地确定设置氢气净化阀8为打开状态的时间，而不使用氢气密度传感器，就可以防止由于氢气电极1a中氮气的累积所引起的循环氢气量的短缺。还可以抑制在过度排放中与氮气一起浪费排放氢气，并且在广泛的工作负载下保证了燃料电池堆1的稳定操作。可以增加氢气使用的效率。

此外，根据本发明燃料电池系统，当燃料电池堆1的温度越高时，控制单元13设置传输氮气的流速越大，并且当空气压力变得越高时，设置所述流速越大。因此该结构可获得接近实际累积氮气量的值，并取可执行准确控制。

此外，根据本发明的燃料电池系统，随着相应于冷却剂温度的氢气温度变得越高，控制单元13在设置氢气净化阀8为打开状态时，使待使用的氮气量阈值越小。因此，这种结构使设置氢气净化阀8为打开状态的频率最小。

此外，根据本发明的燃料电池系统，控制单元13从冷却剂温度预测氢气温度和燃料电池堆1的温度。因此，所述结构可以在不使用各种温度传感器下控制氢气净化阀8的打开/关闭。

此外，根据本发明的燃料电池系统，控制单元13在氢气净化阀8打开时，累积相应于氢气压力和氢气温度的净化流速，并且当累积值变得等于或者大于预定的排放阈值时，关闭氢气净化阀8。因此，所述结构可以不使用氢气传感器而适当地确定设置氢气净化阀8为关闭状态的时间，从而保证了对氢气排放量的抑制和燃料电池堆1的稳定操作。

此外，根据本发明的燃料电池系统，随着氢气温度变得越高，控制单元13设置净化流速越小。因此，所述结构可以获得接近于实际净化流速的值，从而可以实施更准确地控制。

第二实施方案

接下来描述根据本发明第二实施方案的燃料电池系统。至于那些与上述第一实施方案相似的部分，以相同的参考符号给出，并且省略了它们的详细说明。因为根据第二实施方案的燃料电池系统的结构与第一实施方案的相同，所以省略了其说明。

根据第二实施方案的燃料电池系统其特征在于排放阈值根据燃料电池堆1的温度而改变。根据第二实施方案的燃料电池系统其特征还在于在氢气净化阀8从关闭状态改变成打开状态后，在第一次净化阀控制过程中使用累积初始值代替在步骤中使用的前述传输氮气流速(累积值)。

根据该燃料电池系统，如图7所示，在氢气净化阀8于前面的净化阀控制过程中已经从打开状态设置成关闭状态后，在第一次净化阀控制过程中，控制单元13按照上述相同的方式实施步骤S1至S3的过程，并且行进至步骤S21。

在下一个步骤S21中，控制单元13将累积初始值加上在当前步骤S3中预测的每单位时间传输氮气的流速，从而计算氢气电极1a中传输氮气的当前流速。此处，在净化流速已经在前一净化阀控制过程的步骤S13中被重设，从而在步骤S21中使用后，在步骤S23中由控制单元13设置所述累积初始值。

在所述步骤S23中，通过参考如图8所示的预存储的地图数据，控制单元13获得累积初始值，其中图8说明了累积初始值对燃料电池堆1温度的图。此时，控制单元13将冷却剂温度转化成燃料电池堆1的温度，并且随着燃料电池堆1的转化后温度变得越高，设置累积初始值越小。所述图8所示的地图数据是已经通过实验获得的，并且描述了随着燃料电池堆1的温度变得越高而变得越小的累积初始值。

因此，控制单元13按照与上述(步骤S5)相同的方式获得累积阈值，并且与通过累积阈值加上累积初始值(步骤S6)获得的氮气量(累积值)进行比较，并且确定是否需要设置氢气净化阀8为打开状态。

在燃料电池系统中，当确定传输氮气的流速累积值已经超过累积阈值并且同时重复步骤S1至S6时，控制单元13在步骤S7中设置氢气净化阀8为打开状态，并且开始下一净化阀控制过程。在所述净化阀控制过程中，燃料电池系统执行步骤S1和步骤S2的过程，以及步骤S9和步骤S10的过程，并且按照上述过程行进至步骤S22。

在步骤S22中，控制单元13根据在步骤S1中检测的氢气温度，获得相应于冷却剂温度的排放阈值，并且比较所述排放阈值与在步骤S10中获得的净化流速。此时，通过参考描述相应于冷却剂温度的排放阈值的图9所示的地图数据，控制单元13获得排放阈值。图9中所示的地图数据是已经通过实验获得的，并且描述了随着表示氢气温度的冷却剂温度变得越高而越高的排放阈值。

接着，控制单元13比较通过参考地图数据获得的排放阈值与所述净化流速，并且当净化流速低于排放阈值时，终止过程，而当净化流速等于或者大于排放阈值时，其实施步骤S12和S13及步骤S23的过程。

实施这种净化阀控制过程的燃料电池系统可以通过氢气温度，如图10所示改变氢气系统中的氮气量。

即，当燃料电池堆1或者冷却剂的温度低并且氢气温度也低时，相应于在氢气电极1a中流动的气体的氢气分压的蒸气分压低，从而通过参考如图5所示的地图数据，控制单元13可以设置累积阈值DN_LH，或者设置提供高氮气密度所允许的氮气量的累积值，并且可以参考如图8所示的地图数据，设置净化流速的低排放阈值。因此，在燃料电池系统中，当氢气净化阀8处于关闭状态时，氮气量变成累积阈值DN_LH时，控制单元13设置氢气净化阀8为打开状态，从而排放等于排放阈值的净化流速，并且当所述值变成低于累积阈值DN_LH的氮气量DN_LL时，控制单元13设置氢气净化阀8为关闭状态。因此，燃料电池系统可以在累积阈值DN_LH至氮气量DN_LL之间改变氮气量。

根据所述燃料电池系统，当燃料电池堆1或者冷却剂的温度高并且氢气温度高时，在向燃料电池堆1循环的氢气系统的气体中包括大量的蒸气，从而待循环气体中包括的氢气分压是低的。因此，在所述燃料电池系统中，为了保证足够的氢气循环量，参考如图5所示的地图数据，控制单元13应该将之设置为低于累积阈值DN_LH的累积阈值DN_HH。

在所述燃料电池系统中，当燃料电池堆1的温度高时，从空气电极1b向氢气电极1a传输的传输氮气流速增加，从而氮气量的增加速度变得越快，并且杂质，例如氮气的每单位时间净化流速变得越小，如图6所示，这使氮气量的降低速度变慢。因此，通过参考图8所示的地图数据，控制单元13设置降低氮气量至氮气量DN_HL的净化流速的排放阈值。因为氮气量的增加速度是快的，所以当氢气温度高时，排放阈值变成净化流速，其具有比从氢气温度低时的氢气量DN_LH降低至氮气量DN_LL的大小更大的降低量。

尽管控制单元13分别在低温和高温下设置净化至DN_LL和DN_HL结束时的氮气量，但是当直至氮气量变成DN_HL，氢气温度低时，它可以设置能将氢气净化阀8设置为打开状态的排放阈值。当设置这种排放阈值时，在净化结束后，氮气量从氮气量DN_HL增加至累积阈值DN_LH的时间变长，从而因此可以延长设置氢气净化阀8为打开状态的时间。但是，如果当氢气温度低时，净化结束时氮气的累积量被设置为DN_HL，与设置氮气量DN_LL的情况相比，设置氢气净化阀8为打开状态的时间变长，从而排放的氢气量增加，从而降低了氢气使用的效率。因此，可取地对于累积阈值DN_HL，燃料电池系统应该设置氮气量DN_LL，从而提供可以将氢气使用效率降低抑制至最小程度的氢气净化阀8的打开时间。

如上面详细描述，根据采用本发明的第二实施方案的燃料电池系统，随着冷却剂温度越高并且氢气系统中的气体温度越高，控制单元13设置排放阈值，即排放气体流速越高，并且当净化流速或者从氢气净化阀8排放的累积值变成排放阈值时，操作氢气净化阀8从打开状态改变成关闭状态。无论氢气系统的气体温度如何，所述结构可以设置使氢气净化阀8为打开状态的时间，以及以这种方式保持氢气净化阀8为打开状态的时间，从而抑制待排放的氢气量至最小。因此，所述燃料电池系统可以维持氢气系统中的杂质等于或者小于累积的阈值，并且抑制氢气使用效率的降低。

根据所述燃料电池系统，在操作氢气净化阀8从关闭状态至打开状态的净化阀控制过程中，随着燃料电池堆1的温度变高，控制单元13设置累积初始值越小。因此，所述结构可以设置氮气量至累积初始值，其可以通过根据排放阈值设置氢气净化阀8为打开状态来降低，并且可以执行操作氢气净化阀8从打开状态至关闭状态的第一次净化阀控制过程。因此，在操作氢气净化阀8为关闭状态的第一次净化阀控制过程中，燃料电池系统可以开始从累积初始值累积氮气量。甚至在根据燃料电池堆1的温度设置不同的排放阈值时，在下一个净化阀控制过程中可以获得准确的氮气实际累积量。因此，燃料电池系统可以更可靠地维持氢气系统中的杂质等于或者小于累积阈值。至于通过设置随着燃料电池堆1的温度而变化的累积初始值来执行下一个净化阀控制过程的过程，可以在接着的步骤S13中设置累积初始值，并且在下一步骤中使用累积初始值获得氮气量。

上面的实施方案仅是本发明的实例。因此，本发明并不受所述实施方案限制，并且除了上面所述外，可以在本发明的技术领域内对实施方案在设计方面做出许多修改。

即，尽管上述燃料电池系统的说明已经给出了使用喷射泵7来循环氢气的情况，但是可以使用泵或者吹风机来循环。即便在使用泵或者吹风机时，随着氮气密度和蒸气分压的升高，氢气分压降低，这使燃料电池堆1的氢气供应量不足，但是与喷射泵7的情况中相似，可以通过实施净化阀控制过程来证明上述情况中所述的结果。

当氢气压力和空气压力的检测位置在上述燃料电池系统中是燃料电池堆1氢气和空气的入口端时，它们可以在从燃料电池堆1排放空气和氢气的一侧，或者当冷却剂温度的检测位置是燃料电池堆1的冷却剂出口端时，它可以在入口侧，并且不用说也可以直接检测氢气和空气的温度。

2003年2月20日递交的专利申请TOKUGAN 2003-43096，以及2003年11月19日递交的专利申请TOKUGAN 2003-389253的全部内容因此被引入本文作参考。

尽管参考本发明特定的实施方案已经在上面说明了本发明，但是本发明并不局限于上述实施方案。本领域技术人员根据所述教导可以对上述实施方案做出修改和变化。本发明的范围参照下面的权利要求来定义。

工业应用性

本发明可以适用于向燃料电池堆供应燃料气体和氧化剂气体来发电，从而驱动车辆驱动马达的过程。

Claims (14)

1.一种燃料电池系统，其包括：

燃料电池堆，其具有彼此面向提供的、电解质膜夹于其间的燃料电极和氧化剂电极；

气体供应单元，其向燃料电极供应燃料气体并向氧化剂电极供应氧化剂气体，从而使燃料电池堆发电；

循环单元，其具有用来向燃料电池堆的燃料气体入口端返回从燃料电池堆排放出的过量燃料气体的循环通道；

气体排放单元，其具有从循环通道排放燃料电极上存在的气体的开/关阀门；以及

控制单元，当所述开/关阀门处于关闭状态时，其计算源于供应给燃料电极的气体每单位时间值累积的累积值，该值根据氧化剂电极上的气压和燃料电池堆的温度而变化，并且当所述累积值变成等于或者大于累积阈值时，控制所述开/关阀门处于打开状态。

2.权利要求1的燃料电池系统，其中所述控制单元通过随着燃料电池堆的温度变高，使供应给燃料电极的气体每单位时间的值更大来计算累积值。

3.权利要求1的燃料电池系统，其中所述控制单元通过随着氧化剂电极的气压变高，使供应给燃料电极的气体每单位时间的值更大来计算累积值。

4.权利要求1的燃料电池系统，其中所述控制单元通过随着燃料气体的温度变高，使累积阈值越小来控制开/关阀门。

5.权利要求4的燃料电池系统，其进一步包含：

向燃料电池堆供应冷却剂介质的冷却剂介质供应单元；及

检测所述冷却剂介质温度的冷却剂介质温度检测单元，

其中，所述控制单元基于冷却剂介质温度检测单元检测的所述冷却剂介质温度来预测燃料电池堆温度或者燃料气体温度，并且改变累积阈值。

6.一种燃料电池系统，其包括：

燃料电池堆，其具有彼此面向提供的、电解质膜夹于其间的燃料电极和氧化剂电极；

气体供应单元，其向燃料电极供应燃料气体并向氧化剂电极供应氧化剂气体，从而使燃料电池堆发电；

循环单元，其具有用来向燃料电池堆的燃料气体入口端返回从燃料电池堆排放出的过量燃料气体的循环通道；

气体排放单元，其具有从循环通道排放燃料电极上存在的气体的开/关阀门；以及

控制单元，当所述开/关阀门处于打开状态时，其计算源于从所述开/关阀门排放的气体流速累积的累积值，该值根据燃料电极上的气压和燃料气体的温度而变化，并且当所述累积值变成等于或者大于排放阈值时，控制所述开/关阀门处于关闭状态。

7.权利要求6的燃料电池系统，其中所述控制单元通过随着从开/关阀门排放的燃料气体的温度变高，使从所述开/关阀门排放的气体流速更小来计算累积值。

8.权利要求6的燃料电池系统，其中所述控制单元通过随着燃料电极的气压变低，使从所述开/关阀门排放的气体流速更小来计算累积值。

9.权利要求6的燃料电池系统，其中所述控制单元通过随着燃料电极的燃料气体温度变高，使排放阈值越大。

10.权利要求9的燃料电池系统，其进一步包含：

向燃料电池堆供应冷却剂介质的冷却剂介质供应单元；及

检测所述冷却剂介质温度的冷却剂介质温度检测单元，

其中，所述控制单元基于冷却剂介质温度检测单元检测的所述冷却剂介质温度来预测燃料气体的温度，并且计算累积值。

11.一种燃料电池系统，其包括：

燃料电池堆，其具有彼此面向提供的、其间夹有电解质膜的燃料电极和氧化剂电极；

气体供应单元，其向燃料电极供应燃料气体并向氧化剂电极供应氧化剂气体，从而使燃料电池堆发电；

循环单元，其具有用来向燃料电池堆的燃料气体入口端返回从燃料电池堆排放出的过量燃料气体的循环通道；

气体排放单元，其具有从循环通道排放燃料电极上存在的气体的开/关阀门；以及

控制所述开/关阀门开/关状态的控制单元，

其中，当所述开/关阀门处于关闭状态时，所述控制单元计算源于供应给燃料电极的气体每单位时间值累积的累积值，该值根据氧化剂电极上的气压和燃料电池堆的温度而变化，并且当所述累积值变成等于或者大于累积阈值时，控制所述开/关阀门处于打开状态，并且

当所述开/关阀门处于打开状态时，计算源于从所述开/关阀门排放的气体流速累积的累积值，该值根据燃料电极上的气压和燃料气体的温度而变化，当所述累积值变成等于或者大于排放阈值时，控制所述开/关阀门处于关闭状态，并且随着操作开/关阀门使之从打开状态至关闭状态时燃料电池堆的温度变高，将控制所述开/关阀门为打开状态的情况下，待计算的累积值的初始值设置得越小。

12.一种控制燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括具有彼此面向提供的、其间夹有电解质膜的燃料电极和氧化剂电极的燃料电池堆；向燃料电极供应燃料气体并向氧化剂电极供应氧化剂气体，从而使燃料电池堆发电的气体供应单元；具有用来向燃料电池堆的燃料气体入口端返回从燃料电池堆排放出的过量燃料气体的循环通道的循环单元；以及具有从循环通道排放燃料电极上存在的气体的开/关阀门的气体排放单元，所述方法包括下列步骤：

当所述开/关阀门处于关闭状态时，计算源于供应给燃料电极的气体每单位时间值累积的累积值，该值根据氧化剂电极上的气压和燃料电池堆的温度而变化；及

当所述累积值变成等于或者大于累积阈值时，控制所述开/关阀门处于打开状态。

13.一种控制燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括具有彼此面向提供的、其间夹有电解质膜的燃料电极和氧化剂电极的燃料电池堆；向燃料电极供应燃料气体并向氧化剂电极供应氧化剂气体，从而使燃料电池堆发电的气体供应单元；具有用来向燃料电池堆的燃料气体入口端返回从燃料电池堆排放出的过量燃料气体的循环通道的循环单元；以及具有从循环通道排放燃料电极上存在的气体的开/关阀门的气体排放单元，所述方法包括下列步骤：

当所述开/关阀门处于打开状态时，计算源于从所述开/关阀门排放的气体流速累积的累积值，该值根据燃料电极上的气压和燃料气体的温度而变化；及

当所述累积值变成等于或者大于排放阈值时，控制所述开/关阀门处于关闭状态。

14.一种控制燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括具有彼此面向提供的、其间夹有电解质膜的燃料电极和氧化剂电极的燃料电池堆；向燃料电极供应燃料气体并向氧化剂电极供应氧化剂气体，从而使燃料电池堆发电的气体供应单元；具有用来向燃料电池堆的燃料气体入口端返回从燃料电池堆排放出的过量燃料气体的循环通道的循环单元；以及具有从循环通道排放燃料电极上存在的气体的开/关阀门的气体排放单元，所述方法包括下列步骤：

当所述开/关阀门处于关闭状态时，计算源于供应给燃料电极的气体每单位时间值累积的累积值，该值根据氧化剂电极上的气压和燃料电池堆的温度而变化；

当所述累积值变成等于或者大于累积阈值时，控制所述开/关阀门处于打开状态；

当所述开/关阀门处于打开状态时，计算源于从所述开/关阀门排放的气体流速累积的累积值，该值根据燃料电极上的气压和燃料气体的温度而变化；

当所述累积值变成等于或者大于排放阈值时，控制所述开/关阀门处于关闭状态；以及

随着操作开/关阀门使之从打开状态至关闭状态时燃料电池堆的温度变高，将控制所述开/关阀门为打开状态的情况中待计算的累积值的初始值设置得越小。

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