CN1860634A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种氢循环装置(4)，将燃料电池(1)的氢电极(1a)的出口排出的未使用的氢气经由氢气循环通道(3)循环至氢电极(1a)的进口。如果由负载检测器(7)检测出的氢循环装置(4)的负载超过给定值，净化阀控制器(8)判别出在氢循环路径(1a，3，4)中积聚的氮量超过了给定值，打开净化阀，而在氢循环装置(4)的负载降低到给定值以下时判断出氮的净化终止，关闭净化阀(6)。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及装配有用于再循环从氢电极排放的未使用氢气的氢循环系统的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池具有电解质，向该电解质提供燃料气体如氢气和含氧的氧化剂气体，从而引起电化学反应的发生，直接从在电解质的两个表面上形成的电极中取出电能。尤其是，采用固体聚合物电解质的固体聚合物燃料电池工作温度低并且易于操作，因此作为电动汽车用电源备受公众注目。由燃料电池供电的车辆是最清洁的车辆，最终仅形成水作为排放物质，储氢单元如高压氢罐、液氢罐和吸氢合金安装在车辆上以向燃料电池提供氢气，含氧的空气也输送到燃料电池中，从而发生反应，从燃料电池中取出电能，驱动连接到驱动轮的马达。
为了加湿氢气或提高发电功率性能，根据具有其中氢气用作燃料的固体聚合物燃料电池的常规系统，该系统包括氢循环系统，在该氢循环系统中，为了产生电能而被消耗的氢气按过剩量提供给氢电极进口，从氢电极出口排放的未使用氢气重新循环到氢电极进口。
利用装配有这种氢循环系统的燃料电池，在所供应的氢气中所含的杂质以及在从氧化剂电极经过电解质泄漏的空气中所含的氮气积聚在氢循环系统中。在这种情况中，如果在氢循环系统中积聚的氢量过度增加，燃料电池就会被损坏，因此进行净化以将在氢循环系统中积聚的杂质如氮气排放到系统外部。
日本专利特开2002-231293(第5页，以及图1)表示常规的净化技术。根据这种技术，控制净化阀使其以预定时间间隔打开。
然而，由于在不取决于在氢循环系统中积聚的氮气量的条件下以给定时间间隔进行净化操作，因此上述相关技术遇到了以下问题：发生了氢气从氢循环系统中不希望的排放，从而造成燃料电池的燃料保存性能的恶化。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种燃料电池系统，该系统包括：燃料电池主体，该燃料电池主体具有分别提供有氢气和氧化剂气体的氢电极和氧化剂电极，用于产生电能；向氢电极的进口提供氢气的氢供应通道；将从氢电极的出口排出的废氢气循环至氢电极进口的氢循环通道；废氢经由其循环的氢循环装置；将从氢电极出口和氢循环通道的至少一个排出的废氢气排放到外部的净化通道；打开或关闭净化通道的净化阀；和净化阀控制器，控制成根据氢循环装置的负载和旋转速度的至少一个打开或关闭净化阀。
附图说明
图1是说明本发明第一实施例的燃料电池系统结构的系统结构图。
图2是说明在第一实施例中如何进行控制的流程图。
图3A是说明在第一实施例中，在氢循环路径中积聚的氢量和氢循环装置的负载之间的示图。
图3B是说明在第一实施例中，在氢循环路径中积聚的氮量和其以恒定功率输出的燃料电池电压之间关系的示图。
图4是说明在第一实施例中，在负载氢循环装置和以恒定功率输出的燃料电池电压之间关系的示图。
图5是说明在第一实施例中，积聚的氮量随着净化阀将被关闭的持续时间变化的示图。
图6是说明本发明第二实施例的燃料电池系统结构的系统结构图。
图7是说明在第二实施例中如何进行控制的主要流程图。
图8是说明在第二实施例中如何进行控制的具体流程图。
图9是说明在第二实施例中如何进行控制的具体流程图。
图10是说明在第二实施例中用于判别是否进行净化开始或净化结束的给定值的示图。
图11是说明本发明第三实施例的燃料电池系统结构的系统结构图。
图12是说明在第三实施例中如何进行控制的具体流程图。
图13是说明在第三实施例中所采用的氮量估算表的示图。
图14是说明在第三实施例中如何进行控制的具体流程图。
图15是说明在第三实施例中的氮量判断值的示图。
图16是说明本发明第四实施例的燃料电池系统结构的系统结构图。
图17是说明在第四实施例中如何进行控制的流程图。
图18是说明在第四实施例中如何进行控制的时间图。
图19是说明本发明第五实施例的燃料电池系统结构的系统结构图。
图20是说明在第五实施例中，在目标旋转速度和燃料电池功率输出量之间关系的示图。
图21是说明在第五实施例中如何进行控制的流程图。
图22是说明在第五实施例中，在目标旋转速度和目标负载之间关系的示图。
图23是说明在第五实施例中如何进行控制的流程图。
图24是说明在第五实施例中如何进行控制的流程图。
图25是说明在第五实施例中用于负载判断中的给定值的示图。
图26是说明本发明第六实施例的燃料电池系统结构的系统结构图。
图27是说明在第六实施例中如何进行控制的示意性流程图。
图28是说明在第六实施例中如何进行控制的流程图。
图29是说明在第六实施例中如何进行控制的时间图。
图30是说明用于第六实施例中的获知区域表的示图。
图31是说明用于第六实施例的控制的堆电压表的示图。
图32是说明用于第六实施例的控制的负载随区域增加获知值表的示图。
图33是说明表示在第六实施例中氢循环装置的负载如何获知的情况的示图。
图34是说明在第六实施例中如何进行控制的流程图。
图35是说明在第六实施例中如何进行控制的流程图。
图36是说明在第六实施例中如何进行控制的流程图。
图37是说明在第六实施例中参照下限值的方法的示图。
图38是说明在第六实施例中如何进行控制的流程图。
图39是说明本发明第七实施例的燃料电池系统结构的系统结构图。
图40是说明在第七实施例中如何进行控制的流程图。
图41是说明本发明第八实施例的燃料电池系统结构的系统结构图。
图42是说明在第八实施例中如何进行控制的流程图。
图43是说明本发明第九实施例的燃料电池系统结构的系统结构图。
图44是说明在第九实施例中在氢供应压力和氢循环路径内压之间关系的示图。
图45是说明在第九实施例中在氢循环装置内压和氢循环装置负载之间关系的示图。
图46是说明本发明第十实施例的燃料电池系统结构的系统结构图。
图47是说明在第十实施例中在环境温度和蒸汽分压之间关系的示图。
图48是说明在第十实施例中在蒸汽分压和氢循环装置负载之间关系的示图。
具体实施方式
参照附图，详细介绍本发明的实施方式。
[第一实施例]
参照图1，下面介绍根据本发明第一实施例的燃料电池系统100。如图1所示，燃料电池系统100由下述部分构成：具有氢电极1a和氧化剂电极1b的燃料电池1；氢气供应通道2，氢气通过该通道2供应给氢电极1a；氢气循环通道3，该通道3形成了使氢气从氢电极1a的出口循环至其进口的路径；包括泵的氢循环装置4，该装置4将氢气从氢电极1a的出口经过氢循环通道3循环至其进口；净化通道5，氢气循环通道3经由净化通道5与外界相连；打开或关闭净化通道5的净化阀6；检测氢循环装置4的负载的负载检测器7；和控制打开或关闭净化阀6的净化阀控制器8。
负载检测器7根据由扭矩传感器检测的扭矩以及氢循环装置4的电功率消耗和电流消耗检测氢循环装置4的负载，将检测值输出给净化阀控制器8。
尽管控制器8有许多结构，但例如在本实施例中，净化阀控制器8由包括CPU、存储程序和控制常数的ROM、用于处理的RAM和I/O界面的微处理器构成。此外，负载检测器7(输入单元)和净化阀6(输出单元)相应连接到控制器8。
参照图2-5，详细介绍净化阀控制器8的操作。
在图2中，在步骤(以下将该步骤简称为S)1中，将由负载检测器7检测出的氢循环装置4的负载输入到净化阀控制器8。在下一步骤S2，进行判断以查明氢循环装置4的检测负载是否以超过给定值的固定速度旋转。尤其是，将构成氢循环装置4的氢循环设备(例如泵)控制成以固定速度旋转。由于氢比氮更轻，因此如果在氢循环通道3中氢量大于氮量，那么氢循环装置4以该固定速度旋转下的负载小，相反，如果氮量大于氢量，那么氢循环装置4以该固定速度旋转下的负载大。因此，测量氢循环装置4的负载能够估算在氢循环装置4中存在的氢量和氮量。
如果氢循环装置4的负载超过给定值，那么就判断出在氢循环系统中积聚的氮量已经达到了需要净化的量，操作进行至S3，打开净化阀6。在S2的判断中，如果负载低于给定值，操作则进行至S4，净化阀6保持关闭。
这里，以下述方式获得用于在S2中判断的给定值。如图3A所示，存在这样一种趋势：随着在氢电极1a、氢循环通道3和氢循环装置4中(这些组成部件组合在一起称作氢循环系统)氮量(每单位体积的质量大)的增加，对于以特定速度旋转以循环气体的氢循环装置4所需的工作(负载)量增加。
相反，如图3B所示，随着在氢电极1a和氢循环通道3中积聚的氮量增加，一般来说，在提供给氢电极1a的电解质膜的氢量上出现短缺，则造成燃料电池输出电压的下降。
上述关系与图4中所示出的一致。正如从此图中看出的那样，当在氢循环装置4上的负载超过特定值时(负载判断值)，燃料电池的输出电压迅速下降。通过将积聚的氮量处于最小值的氢循环装置4的负载用作参考值，确定在本实施例的操作中可允许的最小燃料电池电压。随后，鉴于图4中所示的关系，进行操作以获得与燃料电池的所得电压值有关的氢循环装置4的负载，将氢循环装置4的所得负载设定为S2中的给定值(负载判断给定值)。
同样，如图5所示，一般来说，当净化阀6保持关闭的条件下连续进行燃料电池1的操作以产生电能时，氮连续积聚在氢电极1a中。为此，在净化阀6保持关闭的情况下所记录的燃料电池电压和氢循环装置4负载可获得图4中所示的关系。
利用本实施例，由于根据在氢循环通道3内积聚的氮量进行净化，因此减少了所不希望的净化进行次数，可防止由氢气构成的燃料的无用排放，使燃料电池具有改善的节约燃料性能。
[第二实施例]
参照图6，介绍根据本发明第二实施例的燃料电池系统100A。如图6所示，燃料电池系统100A由下述部分构成：具有氢电极1a和氧化剂电极1b的燃料电池1；氢气供应通道2，氢气通过该通道2供应给氢电极1a；氢气循环通道3，该通道3形成了使氢气从氢电极1a的出口循环至其进口的路径；包括泵的氢循环装置4，该装置4将氢气从氢电极1a的出口经过氢循环通道3循环至其进口；净化通道5，氢气循环通道3经由净化通道5与外界相连；打开或关闭净化通道5的净化阀6；检测氢循环装置4的负载的负载检测器7；和控制打开或关闭净化阀6的净化阀控制器8A。
负载检测器7根据由扭矩传感器检测的扭矩以及氢循环装置4的电功率消耗和电流消耗检测氢循环装置4的负载，将检测值输出给净化阀控制器8A。
净化阀控制器8A由以下部分构成：净化开始控制部分9，该部分9控制打开净化阀6的时间；净化结束控制部分10，该部分10控制关闭净化阀6的时间；和指令选择器部分11，该部分11选择起动的净化开始控制部分9或净化结束控制部分10中哪一个去控制净化阀6。
尽管控制器8有许多结构，但例如在本实施例中，净化阀控制器8A由包括CPU、存储程序和控制常数的ROM、用于处理的RAM和I/O界面的微处理器构成。此外，负载检测器7(输入单元)和净化阀6(输出单元)相应连接到控制器8A。
接下来，参照图7至10，介绍本实施例的净化阀控制器8A的操作。
参照图7，在S7中指令选择器部分11操作以判断净化阀6是否打开，如果净化阀6关闭，操作进行至S8，起动净化开始控制部分9s，而如果在S7中判断出净化阀6打开，操作进行至S9，起动净化结束控制部分10。
在如图8所示开始净化的情况下，在S11中净化开始控制部分9进行工作以向净化阀控制器8A输入在S7中由负载检测器7检测的氢循环装置4的负载。在随后的S12中，进行判断以查明控制成以固定速度旋转的氢循环装置4的检测负载是否超过了下述给定值1。如果检测负载超过给定值1，那么就判断出在氢循环系统中积聚的氮量已经达到了需要进行净化的量，操作进行至S13，打开净化阀6。
并且，如果在S12的判断中，所检测的负载低于给定值，操作进行至S14，净化阀6保持关闭。
此外，如果如图9所示终止净化，净化结束控制部分10向净化阀控制器8A输入在S16中由负载检测器7检测的氢循环装置4的负载。在下一步骤S17中，进行判断以查明控制成以固定速度旋转的氢循环装置4的检测负载是否低于下述给定值2。如果检测负载低于给定值2，那么净化结束控制部分10就判断出氢循环系统的净化结束，操作进行至S18，关闭净化阀6。如果在S17中判断出检测负载超过给定值2，操作就进行至S19，净化结束控制部分10操作以使净化阀6持续地保持打开。
并且，在第二实施例中，在氢循环装置4的负载与给定值1和给定值2之间的关系与图3A、3B和图4中所示的原则类似。
在图10中表示出用于设定给定值1和2的技术的举例。给定值1表示氢循环装置4的负载上限，这时当氢循环装置4的负载提高时引起的燃料电池电压的下降余量是不成问题的，给定值2表示在积聚的氮量在最小值时氢循环装置4的负载。
对于前述第一实施例，为了进行判断以查明是否打开或关闭净化阀6，仅采用一个给定值来判断氢循环装置4的负载。然而，如果仅采用用来判别氢循环装置4的负载的一个判断值，当氢循环装置4的负载处于接近判断值的值时，在净化阀6的打开或关闭控制过程中可能会发生振荡现象，从而在净化阀6的工作中出现噪音，在净化阀6中出现损坏。
将第二实施例的净化阀控制器8A构造成在判断过程中具有滞后现象，从而根据在氢循环装置4的负载值(给定值1)和氢循环装置4的负载值(给定值2，给定值2＜给定值1)之间的差值弄清是否打开或关闭净化阀6，根据所述给定值1进行判断以打开净化阀6，根据所述给定值2进行判断以关闭净化阀6。因此，第二实施例可以避免在净化阀6的打开和关闭控制过程中的振荡现象，降低净化阀6的工作噪音，同时能够防止净化阀6损坏，延长其寿命。
[第三实施例]
参照图11，介绍根据本发明第三实施例的燃料电池系统100B。如图11所示，燃料电池系统100B由下述部分构成：具有氢电极1a和氧化剂电极1b的燃料电池1；氢气供应通道2，氢气通过该通道2供应给氢电极1a；氢气循环通道3，该通道3形成了使氢气从氢电极1a的出口循环至其进口的路径；包括泵的氢循环装置4，该装置4将氢气从氢电极1a的出口经过氢循环通道3循环至其进口；净化通道5，氢气循环通道3经由净化通道5与外界相连；打开或关闭净化通道5的净化阀6；检测氢循环装置4的负载的负载检测器7；和控制打开或关闭净化阀6的净化阀控制器8B。
负载检测器7根据由扭矩传感器检测的扭矩以及氢循环装置4的电功率消耗和电流消耗检测氢循环装置4的负载，将检测值输出给净化阀控制器8B。
净化阀控制器8B由以下部分构成：氮量估算部分12，根据由负载检测器7检测的氢循环装置4的负载估算在氢循环系统中存在的氮量；和净化操作计算部分13，根据氮量估算部分12的估算结果控制是否打开或关闭净化阀8。
尽管控制器8B有许多结构，但例如在本实施例中，净化阀控制器8B由包括CPU、存储程序和控制常数的ROM、用于处理的RAM和I/O界面的微处理器构成。此外，负载检测器7(输入单元)和净化阀6(输出单元)相应连接到控制器8B。
参见图12至15，介绍本实施例的净化阀控制器8B的操作。
在图12中，在S21中将由负载检测器7检测的氢循环装置4的所得负载输入到氮量估算部分12，在S22中，估算相应于氢循环装置4的检测负载的积聚氮量。特别是，氮量估算部分12可以由曲线(参见图13)获得积聚氮量的估算值，在所述曲线中根据积聚氮量绘出由预先试验得到的负载。氮量估算部分12将估算氮量值存储在给定存储区域，以允许净化操作计算部分13在S23中参照积聚氮量的估算值。
接下来，净化操作计算部分13按照图14所示的流程、根据从氮量估算部分12得到的估算氮量进行净化操作。首先，在S26中，进行判别以查明净化阀6是否打开或关闭。如果净化阀6关闭，那么判断出净化操作保持在停止状态，操作进行至S27。如果净化阀6打开，那么操作进行至S31。
在S27中，进行判别以查明从氮量估算部分12得到的估算氮量值是否超过给定值3。如果发现估算氮量值超过给定值3，那么操作进行至S28，打开净化阀6。如果在S27的判断中，发现估算氮量值低于给定值3，操作进行至S29，净化阀6保持关闭状态。
另一方面，在S31中进行判别以查明从氮量估算部分12得到的估算氮量值是否低于给定值4(给定值4＜给定值3)，如果估算氮量低于给定值4，那么操作进行至S32，关闭净化阀6以终止净化操作。如果在S31的判断中，发现估算氮量值超过给定值4，操作进行至S33，净化阀6保持打开状态以继续净化操作。
在图15中表示出设定给定值3和4的例子。鉴于氮量和燃料电池电压之间的关系，在燃料电池电压下降了不会引起问题的幅度内，将氮量的上限设定为给定值3；将在正常使用范围内存在的氮量的平均值设定为给定值4。
利用本实施例，由于根据估算氮量值进行净化操作，因此优点在于容易设定进行净化的时间。
[第四实施例]
参照图16，介绍根据本发明第四实施例的燃料电池系统100C。如图16所示，燃料电池系统100C由下述部分构成：具有氢电极1a和氧化剂电极1b的燃料电池1；氢气供应通道2，氢气通过该通道2供应给氢电极1a；氢气循环通道3，该通道3形成了使氢气从氢电极1a的出口循环至其进口的路径；包括泵的氢循环装置4，该装置4将氢气从氢电极1a的出口经过氢循环通道3循环至其进口；净化通道5，氢气循环通道3经由净化通道5与外界相连；打开或关闭净化通道5的净化阀6；检测氢循环装置4的负载的负载检测器7；控制打开或关闭净化阀6的净化阀控制器8C；和检测在净化阀6的下游的氢浓度的氢浓度检测器14。
负载检测器7根据由扭矩传感器检测的扭矩以及氢循环装置4的电功率消耗和电流消耗检测氢循环装置4的负载，将检测值输出给净化阀控制器8C。
净化阀控制器8C由以下部分构成：净化开始控制部分9，该部分9根据由负载检测器7检测的氢循环装置4的负载控制净化的开始；净化结束控制部分15，该部分15根据氢浓度检测器14的检测结果控制净化的结束；和指令选择器部分11。净化开始控制部分9和指令选择器部分11与图6所示的第二实施例的组成部件相同。
尽管控制器8C有许多结构，但例如在本实施例中，净化阀控制器8C由包括CPU、存储程序和控制常数的ROM、用于处理的RAM和I/O界面的微处理器构成。此外，负载检测器7(输入单元)和净化阀6(输出单元)相应连接到控制器8C。
参见图17和18，介绍本实施例的净化阀控制器8C的操作。
并且，在本实施例中，净化开始控制部分9和指令选择器部分11以与第二实施例相同的方式工作，因此在此省略了对这些组成元件的描述，只描述与第二实施例不同的氢浓度检测器14和净化结束控制部分15。
参见图17，在S30中将由氢浓度检测器14检测出的氢浓度输入到净化结束控制部分15。在随后的S31中，进行判别以查明在S31中输入的氢浓度值是否超过了给定值5。如果在S31的判断中，氢浓度值超过了给定值5，那么就判断出已经终止了从氢循环系统杂质的排放，操作进行至S32，关闭净化阀6以终止净化。并且，如果在S31的判断中，氢浓度值低于给定值5，那么净化结束控制部分15继续从氢循环系统中排放出杂质，操作进行至S33，净化阀6保持打开以继续净化。
并且，如图18所示，在开始净化之后、在氢到达氢浓度检测器14的位置之前出现了几十毫秒[ms]到几秒[s]的延迟，在氢浓度值达到给定值5时终止净化。并且，表示氮浓度的图18的曲线代表由测出的氢浓度估算的氮浓度的过渡变化。该曲线表明，在净化之前持续增加的氮浓度在开始净化之后逐渐地降低，当估算出氮浓度达到给定浓度时终止净化。
并且，在预先试验时，记录下与由净化引起的氢外流浓度有关的氮浓度变化，预先发现可允许的氮浓度。因此，利用本实施例，将上述的与可允许的氮浓度有关的氢浓度值设定为给定值5。
利用本实施例，由于根据由净化操作引起的实际外流氢的量关闭净化阀6，因此有利效果在于，即使当氢的外流量随着环境变化而变化，也可以在可靠地进行净化的同时使氢外流的量最小化。
[第五实施例]
参照由燃料电池堆产生的电功率输出(以下称作堆功率输出)是恒定值的例子描述上述第一至第四实施例。实际上，随着情况的变化，与堆功率输出有关的目标负载是不同的。以下，结合将这些情况考虑在内的例子介绍第五实施例。
参照图19，介绍本发明第五实施例的燃料电池系统100D。如图19所示，燃料电池系统100D由下述部分构成：具有氢电极1a和氧化剂电极1b的燃料电池1；氢气供应通道2，氢气通过该通道2供应给氢电极1a；氢气循环通道3，该通道3形成了使氢气从氢电极1a的出口循环至其进口的路径；包括泵的氢循环装置4，该装置4将氢气从氢电极1a的出口经过氢循环通道3循环至其进口；净化通道5，氢气循环通道3经由净化通道5与外界相连；打开或关闭净化通道5的净化阀6；检测氢循环装置4的负载的负载检测器7；计算由燃料电池1产生的电功率输出的堆功率输出计算部分16；根据所计算的电功率输出计算氢循环装置4的目标旋转速度的氢循环装置目标旋转速度计算部分17；根据所计算的电功率输出计算氢循环装置4的目标负载的氢循环装置目标负载计算部分18；和根据氢循环单元4的目标负载和由负载检测器7检测的氢循环单元4的负载控制净化阀6打开或关闭的净化阀控制器19。
负载检测器7根据由扭矩传感器检测的扭矩以及氢循环装置4的电功率消耗和电流消耗检测氢循环装置4的负载，将检测值输出给净化阀控制器19。
尽管在本实施例中没有特别限制，但是堆功率输出计算部分16、氢循环装置目标旋转速度计算部分17、氢循环装置目标负载计算部分18和净化阀控制器19由包括CPU、存储程序和控制常数的ROM、用于处理的RAM和I/O界面的微处理器构成。并且，用作输入单元的负载检测器7和用作输出单元的净化阀6分别连接到微处理器。
图19所示的堆功率输出计算部分16用作计算由电池堆当前产生的电功率输出的计算部分。将由燃料电池1产生的电功率输出的电流值和电压值提供给堆功率输出计算部分16，通过部分16将这些分量相乘，计算出堆功率输出。
如图20所示，根据实验预先发现在由燃料电池1产生的电功率输出量和目标旋转速度之间的关系，并将这种关系预先存储在存储器中。
如图21所示，通过参照图20的曲线，氢循环装置目标旋转速度计算部分18确定与由上述计算算出的堆功率输出值有关的目标旋转速度。
并且如图22所示，对于各堆功率输出根据实验预先发现在目标旋转速度和目标负载之间的关系。
接下来，如图22所示，氢循环装置目标负载计算部分17参照图22的曲线确定与在S37中得到的目标旋转速度有关的目标负载。虽然已经提及了这些操作，但是对于各堆功率输出获得了与由燃料电池1产生的电功率输出的电流量有关的目标负载。
接下来，根据图24中所示的净化阀控制器19的流程图控制净化阀6的打开和关闭状态。在S44中，进行判别以查明净化阀6的打开和关闭状态，如果发现净化阀6打开，就判断出正在进行净化操作，操作进行至S48。如果净化阀6关闭，就判断出净化中止，操作进行至S45。
在S45中，进行判别以查明由负载检测器7检测的氢循环装置4的负载是否超过了目标负载+给定值6的值。如果检测的负载超过了目标负载+给定值6的值，操作就进行至S46，净化阀6打开，如果没有超过，操作进行至S47，净化阀6关闭。
在S48中，进行判别以查明由负载检测器7检测的氢循环装置4的负载是否超过了目标负载+给定值7的值。如果检测的负载超过了目标负载+给定值7的值，操作就进行至S49，净化阀6关闭，如果没有超过，操作进行至S50，净化阀6打开。
图25表示在给定值6和给定值7之间的关系。给定值6表示相对于在S40中确定的目标负载下燃料电池电压的参考值，与降低了可允许的下降余量的燃料电池电压有关的负载。并且，给定值7确定为在目标负载和氢循环装置负载之间的有限差，目标负载就是在S40中确定的目标负载，根据氢循环装置的负载，通过实验确定终止净化的时间。
并且，在S40中确定的目标负载表现出的氮量接近于零，实际上，如图25所示，在达到目标负载之前终止了净化。当持续进行净化直至达到目标负载时，担心会由于结合第一实施例描述的各种情况如氢循环系统的常数引起振荡现象。因此，在达到S40中确定的目标负载之前给定值7设置为用于终止净化的参数。
利用本实施例，即使在根据堆功率输出改变氢循环装置的旋转速度的情况下，由于可以根据旋转速度改变净化时间，因此得到了使对产生电功率无效的废氢量减少的有利效果。
[第六实施例]
参见图26，介绍本发明第六实施例的燃料电池系统100E。本实施例的结构的特点在于，提供了氢循环装置负载获知计算部分20，该部分20附加地提供给图19中所示的第五实施例的结构，以便获知由于在氢循环装置4中出现的恶化导致的氢循环装置4的稳恒负载的增加的存在。
其它结构与第五实施例的结构相同，因此，相同的组成部件采用相同的参考标记，省略了重复描述。
参见图27，介绍形成本实施例的必要组成部分的氢循环装置负载获知计算部分20。在第六实施例中的“获知”表示当产生电功率的燃料电池1的状态处于可用于进行获知的稳定状态时，计算氢循环装置4的平均负载值，如果所计算出的负载值大于已经获知并存储的负载获知值，就利用所计算出的负载值修改获知值。
参见图27所示的主要流程图，在S53中的获知许可判别器部分(其细节将在下面描述)判别以查明是否进行获知，并根据所得到的判别结果，设定获知许可判别标识和获知值改变许可标识的值。在随后的S54中，判别获知许可判别标识的值，如果获知许可判别标识的值等于1，操作进行至在S55中的获知计算部分。如果在S54的判别中，获知许可判别标识的值等于0，就不允许获知，操作进行至在S58中的后获知目标负载计算部分。
在S55中的获知计算部分中，获知氢循环装置4的负载(以下面具体描述的方式)，在随后的S56中，判别获知值改变允许标识的值。如果获知值改变允许标识的值等于1，操作进行至S57，改变获知值，操作进行至S58。如果在S56的判别中，获知值改变允许标识的值等于0，不允许改变获知值，操作进行至S58。在S58中，按下述方式计算随后进行获知操作的氢循环装置4的目标负载。
参见图28，描述获知许可判别器部分的内容。为了在S60中进行判别以查明堆功率产生状态是否保持稳定，进行判别以查明对于给定的时间间隔T1，电功率输出P1的波动幅度是否连续经常性地保持在E1[kW]值。如果波动幅度保持在E1[kW]内，那么就判断出允许进行获知，操作进行至S61。
此外，如果T1设定得长，获知值具有改善的精确度，使进行获知的频率次数降低，因此，考虑到相对于参数E1的平衡，需要将T1设定为适当值。另一方面，E1可以选择为在使影响获知计算的波动幅度不会引起问题的范围内的最大值。
图29表示在进行判别的过程中(在S60中)，在堆功率输出电压(P1)时的过渡变化。如果在S60的判别中，电功率输出的波动幅度超过了E1[kW]，就判别出没有稳定情况保持在电功率产生状态，对于获知氢循环装置4的负载存在着不利的情况，操作进行至S62，将获知许可判别器标识设定为0，于是在S66中，将获知值改变许可标识设定为0，操作返回。在存在着对于获知负载不利的情况下，进行操作，最终利用已经完成获知的结果计算目标负载。
如果在S60中判别出允许获知，操作进行至S61，获知许可标识设定为1，操作进行至S63。在S63中，进行判别以查明对于形成获知阶段的给定时间间隔T2，堆功率输出的波动幅度是否保持在给定范围内即在±E2[kW]的值内。如果波动幅度落在±E2[kW]的值内，操作进行至S64，进行判别以查明相对于考虑到预先存储的电功率输出量的堆电压值，堆功率输出电压是否保持在±E3[V]的值。如果在S64的判别中，堆功率输出电压保持在给定范围内，操作进行至S65，将获知值改变许可标识设定为1，操作返回。如果在S63和S64的任一判别中，波动幅度都不在给定值，操作进行至S62，不执行氢循环装置4的负载获知。
考虑到用于S64的判断中的电功率输出量而执行操作以存储堆电压的例子包括图31中所示的获知-使用堆电压曲线。
E2和E3可分别设置成最大值，该最大值落入使电功率输出量和功率输出电压的波动幅度处于对于获知精度不成问题的范围内。
接下来，结合图34的流程描述在S55中获知计算部分的具体内容。首先，在S69中检测氢循环装置4的负载R[kW]，执行操作以计算重复操作的次数，以在从S70到S72的过程中从获知开始起检测负载，从而执行在S73中的平均化操作。在随后的S74中，计算获知值，操作返回。
图35是描述在S73中平均化操作的细节的流程图。首先，当获得在S77至S79的操作过程中N次负载的平均时，将由在前的氢循环装置负载平均值RAz和目前氢循环装置负载R得到的乘积(N-1∶1加权平均)设定为氢循环装置平均值RA。
同样，在S80至S82的操作中，获得目标负载的平均值。并且，在S83中进行操作以计算在氢循环装置负载平均值RA和目标负载平均值RT之间的有限差分DR，由此终止平均化操作。
图36是用于说明在S74中的获知值计算部分的工作内容的流程图。本实施例采取了如下情形：随着负载的增加氢循环装置4恶化，在获知操作后当氢循环装置4的负载降低时，获知值没有改变。
如果在S86中已经完成了由获知操作得到的值，即，在负载随区域增加获知值表中存储的获知值大于在目前的获知计算中算出的值DR，那么就不对在以上列出的负载随区域增加获知值表进行改变。当这种情况发生时，操作进行至S88，在没有改变获知值的情况下终止操作。
相反，如果获知值大于值DR，则在S87中进行操作以改变负载随区域增加获知值表(参见图32)，操作终止。在图27的S57中进行计算的前几个步骤终止，操作进行至S58。
图37是其中在横座标上绘出了图30中所示的获知表的各值、在纵坐标上绘出了图32所示的负载随区域增加的获知值表的各值的曲线，由此通过插值法获得各点A1和A2。
接下来，参照图38，描述在S58中由后获知目标负载计算部分执行的计算内容。在S58中进行操作以根据负载随区域增加获知值表计算氢循环装置4的目标负载值，在所述获知值表中反映出由上述获知计算得到的获知值。在91中进行操作以参照以图37所示的曲线为基础的堆功率输出计算负载随区域增加值。也就是说，在图37中，通过利用在横座标上绘出的图30中所示的获知区域表的第一值P1至P10和在纵坐标上绘出的图32中所示的负载随区域增加获知值表的第二值L1至L10得到了负载随区域增加获知值A1至A10，由此通过插值法将值A1至A10相连，从而形成图37所示的曲线。从图37中所示的曲线，可获得根据任意堆功率输出Pn的增加负载获知值Ln。
随后，操作进行至S92，执行操作以通过将负载增加值加入到在图26中算出的目标负载的方式获得后获知目标负载。上述步骤使图26的氢循环装置负载获知计算部分20的计算得以终止，并执行操作以将后获知目标负载传送到净化阀控制器19。并且，净化阀控制器19操作以与第五实施例相同的方式进行计算。
在本实施例中，即使由于氢循环装置的恶化引起了氢循环装置负载的波动，从而导致了在负载和氮量之间的关系上发生变化，这种关系也能够修正，因此，可以获得使废氢量减少的效果。
[第七实施例]
参照图39，介绍根据本发明第七实施例的燃料电池系统100F。如图39所示，燃料电池系统100F由下述部分构成：具有氢电极1a和氧化剂电极1b的燃料电池1；氢气供应通道2，氢气通过该通道2供应给氢电极1a；氢气循环通道3，该通道3形成了使氢气从氢电极1a的出口循环至其进口的路径；包括泵的氢循环装置4，该装置4将氢气从氢电极1a的出口经过氢循环通道3循环至其进口；净化通道5，氢气循环通道3经由净化通道5与外界相连；打开或关闭净化通道5的净化阀6；检测氢循环装置4的旋转速度的旋转速度检测器21；和控制打开或关闭净化阀6的净化阀控制器22。
旋转速度检测器21利用旋转编码器或拾取线圈检测氢循环装置4的旋转次数(旋转速度)，并将检测值输出给净化阀控制器22。
尽管在本实施例中没有特别限制，但是净化阀控制器22由包括CPU、存储程序和控制常数的ROM、用于处理的RAM和I/O界面的微处理器构成。并且，旋转速度检测器21(输入单元)和净化阀6(输出单元)相应连接到净化阀控制器22。
图39中所示的旋转速度检测器21检测以恒定负载操作的氢循环装置4的旋转速度，利用净化阀控制器22控制净化。
图40是用于说明净化阀控制器22的控制操作的流程图。
首先，在S94中，读取由旋转速度检测器21检测的氢循环装置4的旋转速度，在S95中进行判别以查明氢循环装置4的旋转速度是否超过给定值7。
如果旋转速度超过给定值8，就判断出已经终止了杂质从氢循环路径中的排放以及气体量减少，操作进行至S96，净化阀6关闭。如果在S95的判断中，旋转速度低于给定值8，则判断出在氢循环路径中的氮量增加，操作进行至S97，净化阀6打开。并且，给定值8可以设定为包括当在氢循环装置4中的氮量增加时，由电池堆产生的电功率输出开始下降时氢循环装置4的旋转速度。
根据本实施例，燃料电池系统100F甚至装配有以恒定负载操作的氢循环装置4，可以减少所不希望的重复进行净化的次数。
[第八实施例]
参照图41，介绍根据本发明第八实施例的燃料电池系统100G。如图41所示，燃料电池系统100G由下述部分构成：具有氢电极1a和氧化剂电极1b的燃料电池1；氢气供应通道2，氢气通过该通道2供应给氢电极1a；氢气循环通道3，该通道3形成了使氢气从氢电极1a的出口循环至其进口的路径；包括泵的氢循环装置4，该装置4将氢气从氢电极1a的出口经过氢循环通道3循环至其进口；净化通道5，氢气循环通道3经由净化通道5与外界相连；打开或关闭净化通道5的净化阀6；检测在氢循环装置4的前区域和后区域中的压力差的压力检测器23；和控制以打开或关闭净化阀6的净化阀控制器24。
压力检测器23包括例如半导体压力传感器或薄膜压力传感器，这些传感器可以电检测隔膜的变形并将其转化为压力。
尽管在本实施例中没有特别限制，但是净化阀控制器24由包括CPU、存储程序和控制常数的ROM、用于处理的RAM和I/O界面的微处理器构成。并且，将用于检测在氢循环装置4的前区域和后区域的压力差的压力传感器23(输入单元)和净化阀6(输出单元)分别连接到净化阀控制器24。
图42是用于说明净化阀控制器24的控制操作的流程图。首先，读取由压力检测器23在S99中检测的氢循环装置4的在前和在后压力差。随后，在S100中进行判别以查明氢循环装置4的在前和在后压力差是否超过给定值9。
如果在前和在后压力差超过了给定值9，则判断出在氢循环路径中的氮增加，操作进行至S102，打开净化阀6。如果压力差低于给定值9，操作进行至S101，关闭净化阀6。并且，可将给定值9设定为包括氢循环装置的在前和在后压差，此时，当使在氢循环装置4中的氮量增加时，由电池堆产生的电功率输出下降。
利用本实施例，有利效果在于，仅仅附加地配置了能够容易安装的压力检测器23，使将被检测的氢循环装置4的负载便于进行净化控制。
[第九实施例]
参照图43，介绍根据本发明第九实施例的燃料电池系统100H。参见图43，燃料电池系统100H由下述部分构成：具有氢电极1a和氧化剂电极1b的燃料电池1；氢气供应通道2，氢气通过该通道2供应给氢电极1a；氢气循环通道3，该通道3形成了使氢气从氢电极1a的出口循环至其进口的路径；包括泵的氢循环装置4，该装置4将氢气从氢电极1a的出口经过氢循环通道3循环至其进口；净化通道5，氢气循环通道3经由净化通道5与外界相连；打开或关闭净化通道5的净化阀6；检测氢循环装置4的负载的负载检测器7；检测在氢气供应通道2中的压力的压力检测器25；和控制打开或关闭净化阀6的净化阀控制器8H。
负载检测器7根据由扭矩传感器检测的扭矩以及氢循环装置4的电功率消耗和电流消耗检测氢循环装置4的负载，并将检测值输出给净化阀控制器8H。
压力传感器25包括例如半导体传感器或薄膜压力传感器，由此电检测隔膜的变形以将其转化为压力。
尽管在本实施例中没有特别限制，但是净化阀控制器8H由包括CPU、存储程序和控制常数的ROM、用于处理的RAM和I/O界面的微处理器构成。并且，将负载检测器7和压力检测器25(二者用作输入单元)以及净化阀6(输出单元)相应连接到净化阀控制器8H。
本实施例用于这样工作：压力检测器25检测会影响氢循环路径的内压的氢气供应通道2中的压力，并采用检测出的压力来修正在氢循环路径中的压力，由此在修正压力之后根据在氢循环路径中的压力修正用于判别是否打开或终止净化的氢循环装置4的给定负载值。
图44是说明在表示氢供应通道2中的氢供应压力和表示氢循环通道3的输出压力的循环路径中的内压之间关系的示图。如图44所示，随着氢供应压力的增加，在氢循环通道3出口处的压力增加。这造成氢循环装置4的出口压力的增加，因此，经由氢循环装置4循环的氢气的密度增加，结果使氢循环装置4的负载增加。因此，在氢循环装置4的负载和其出口压力之间的关系按照图45所示变化。
因此，在本实施例中，将如图45所示的修正分量(偏移量)过剩地加入到用于判别氢循环装置4的负载的给定值。该给定值表示用于以图2的S2中所示的方式判别是否打开或关闭净化阀6的给定值。这能够进行控制以通过排除由氢供应压力的变化引起的氢循环装置4的负载的波动造成的影响的方式来执行净化阀6的打开或关闭。
利用本实施例，可以减少重复进行净化操作的次数，即使在根据操作条件改变氢供应压力的燃料电池系统中也是如此。
[第十实施例]
参照图46，介绍根据本发明第十实施例的燃料电池系统100I。参见图46，燃料电池系统100I由下述部分构成：具有氢电极1a和氧化剂电极1b的燃料电池1；氢气供应通道2，氢气通过该通道2供应给氢电极1a；氢气循环通道3，该通道3形成了使氢气从氢电极1a的出口循环至其进口的路径；包括泵的氢循环装置4，该装置4将氢气从氢电极1a的出口经过氢循环通道3循环至其进口；净化通道5，氢气循环通道3经由净化通道5与外界相连；打开或关闭净化通道5的净化阀6；检测氢循环装置4的负载的负载检测器7；检测氢气循环通道3的温度或环境温度的温度检测器26；和控制打开或关闭净化阀6的净化阀控制器8I。
负载检测器7根据由扭矩传感器检测的扭矩以及氢循环装置4的电功率消耗和电流消耗检测氢循环装置4的负载，并将检测值输出给净化阀控制器8I。
尽管在本实施例中没有特别限制，但是净化阀控制器8I由包括CPU、存储程序和控制常数的ROM、用于处理的RAM和I/O界面的微处理器构成。并且，将负载检测器7和温度检测器26(二者用作输入单元)以及用作输出单元的净化阀6相应连接到阀控制器8I。
本实施例用于这样操作：将随氢气循环通道的温度而波动的、在氢循环路径中的蒸汽分压考虑在内，检测氢气循环通道的温度或环境温度，所得到的检测结果用于修正用于判别氢循环装置4的负载的给定值。
如图47所示，随着环境温度的增加，在氢电极1a中加湿的废氢中的蒸汽分压增加。这造成氢循环路径的气体密度或压力的增加，因此，由氢循环装置4进行的工作量增加。因此，在氢循环装置4的负载和蒸汽分压之间的关系如图48所示变化。为了排除在净化阀6控制过程中由温度变化引起的蒸汽分压上的波动造成的影响，将图48所示的剩余修正分量(偏差量)加入到用于判断的给定值。并且，通过利用所修正的给定值，进行操作以判别是否以图2中的S2所示的方式进行净化控制。
利用本实施例，由于将在供应氢的温度和在氢循环路径中的蒸汽分压之间的关系考虑在内，并且通过修正可以排除在氢循环装置4负载上的波动，因此可以使重复净化的次数最佳化。
工业实用性
根据本发明，由于根据在氢循环路径中积聚的氮量进行净化，因此有益效果在于，能够减少重复净化的次数，由此防止氢气燃料浪费地排出，从而提供改善的燃料电池的燃料保存性能。

Claims (13)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池主体，具有分别提供有氢气和氧化剂气体的氢电极和氧化剂电极，用于产生电功率；
向氢电极的进口提供氢气的氢供应通道；
将从氢电极的出口排出的废氢气循环至氢电极进口的氢循环通道；
废氢经由其循环的氢循环装置；
将从氢电极出口和氢循环通道的至少一个排出的废氢气排放到外部的净化通道；
打开或关闭净化通道的净化阀；和
净化阀控制器，控制成根据氢循环装置的负载和旋转速度的至少一个打开或关闭净化阀。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，进一步包括：
检测氢循环装置的负载的负载检测器；和
其中，净化阀控制器根据氢循环装置在其非过渡态的稳定操作过程中由负载检测器检测的工作负载控制净化阀。
3.根据权利要求2的燃料电池系统，其中净化阀控制器包括：
净化开始控制部分，该部分这样进行控制：当由负载检测器检测出的工作负载超过第一给定值时，判别为氢循环通道中的氮浓度增加，由此打开净化阀；
净化结束控制部分，该部分这样进行控制：当由负载检测器检测出的工作负载降低到小于第一给定值的第二给定值之下时，关闭净化阀。
4.根据权利要求2的燃料电池系统，其中净化阀控制器根据负载检测器的检测结果估算在氢循环通道中存在的氮量，根据估算的氮量打开或关闭净化阀。
5.根据权利要求1的燃料电池系统，进一步包括：
氢浓度检测器，检测紧靠净化通道出口的氢浓度；和
其中净化阀控制器根据由氢浓度检测器检测出的氢浓度计算关闭净化阀的时间。
6.根据权利要求1的燃料电池系统，其中净化阀控制器包括：
功率输出计算部分，计算由燃料电池主体产生的电功率输出；
氢循环装置目标旋转速度计算部分，根据由功率输出计算部分计算出的所得功率输出计算氢循环装置的目标旋转速度；和
氢循环装置目标负载计算部分，根据由功率输出计算部分计算出的所得功率输出计算氢循环装置的目标负载。
7.根据权利要求5的燃料电池系统，其中净化阀控制器包括：
负载获知计算部分，获知由在氢循环装置中长期变化所导致的稳定负载的增加的存在；
氢循环装置目标负载计算部分，根据获知的稳定负载和由燃料电池主体产生的功率输出计算氢循环装置的目标负载。
8.根据权利要求1的燃料电池系统，进一步包括：
检测氢循环装置的旋转速度的旋转检测器；和
其中净化阀控制器根据在恒定负载下操作的氢循环装置的由旋转检测器检测的旋转速度控制净化阀。
9.根据权利要求1的燃料电池系统，其中净化阀控制器根据在氢循环装置的在前和在后区域之间的压力差控制净化阀。
10.根据权利要求1的燃料电池系统，其中净化阀控制器根据在供应氢压上的变化修正净化阀的打开时间和关闭时间的至少一种。
11.根据权利要求1的燃料电池系统，其中净化阀控制器根据在供应氢的温度和环境温度的至少一个修正净化阀的打开时间和关闭时间的至少一种。
12.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池主体，具有分别提供有氢气和氧化剂气体的氢电极和氧化剂电极，用于产生电功率；
向氢电极的进口提供氢气的氢供应通道；
将从氢电极的出口排出的废氢气循环至氢电极进口的氢循环通道；
废氢经由其循环的氢循环装置；
将从氢电极出口和氢循环装置的至少一个排出的废氢气排放到外部的净化通道；
打开或关闭净化通道的净化阀；和
净化阀控制装置，控制成根据氢循环装置的负载和旋转速度的至少一种打开或关闭净化阀。
13.一种在燃料电池系统中控制净化阀的方法，其中废氢在氢循环装置中循环，并且氢气从净化阀排出；
该方法包括：
检测氢循环装置的负载和旋转速度的至少一种；
根据所检测的负载和速度的至少一种控制净化阀的打开和关闭。
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