CN1934740A - 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种气/液分离装置与排出阀相连，排出阀能将燃料气体与积聚在气/液分离装置中的水一道排出到燃料电池系统的外部。检测或估计由于排出阀的打开操作而发生的排出阀上游部分的压力变化，和通过从排出阀打开时开始关于时间求压力变化量的积分来获得积分值，或获得与所述积分值相应的参数值。积分值代表由于排出阀的打开操作而排出的燃料气体量，因而能通过基于积分值或与积分值相应的参数值决定排出阀关闭的关闭时间，来可靠地排出所需数量的燃料气体。

Description

燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，其构形成使得能从设在废气通道中的气/液分离装置的排出阀排出积聚的水和燃料气体，和一种燃料电池系统的控制方法，更特别地，本发明涉及一种控制通过排出阀排出到燃料电池系统外部的燃料气体量的技术。
背景技术
燃料电池具有一种结构，其中电解质膜如高分子电解质膜置于阳极和阴极之间。在燃料电池中，当包含氢的燃料气体接触阳极和包含氧的氧化气体如空气接触阴极时，在两个电极的每一个处都发生电化学反应，藉此产生电动势。在通过这种燃料电池获得电力的燃料电池系统中，就节能而言，将用作燃料的氢的不必要消耗减到最少是重要的，因而，在传统的燃料电池系统中，使用于燃料电池中的燃料气体的废气在燃料电池中再循环，藉此促进残留在废气中的氢的有效利用。
在燃料电池中，在阴极处的电化学反应产生水，即，从阳极侧透过电解质膜的氢离子与包含在氧化气体中的氧的反应产生水。尽管由该反应产生的水的较大部分包含在氧化气体的废气中且然后被释放到大气中，但一部分产生的水透过电解质膜并移动到阳极侧。尽管移动到阳极侧的产生的水包含在燃料气体的废气中且然后从燃料电池排出，但废气作为燃料气体在燃料电池中再循环，因而，水积聚在燃料气体在其中循环的燃料气体循环系统中。水在循环系统中的积聚阻止氢向阳极的供应，引起燃料电池发电性能的劣化。
为了解决该问题，日本专利申请JP-A-2002-313403披露了一种技术，其中排水装置(气/液分离装置)设在燃料气体通道中，且通过排水装置收集包含在燃料气体中的水，阀(排出阀)设在排水装置的积聚部的下部中，能通过打开阀将积聚在积聚部中的水排出到燃料电池系统的外部。在该技术中，积聚在积聚部中的水的水位由水位传感器测量，且基于测量值打开/关闭该阀。
如在日本专利申请JP-A-2002-216812和日本专利申请JP-A-2002-289237中的每一个中所披露的，已知一种系统，其中放气阀设在燃料气体循环系统中，和能将积聚在循环系统中的氮与燃料气体一道排出到燃料电池系统的外部，氮是供给到阴极的氧化气体的主要成分。当一部分氧化气体从阴极侧透过电解质膜到阳极侧时，氮积聚在循环系统中。燃料气体中氮浓度的增加使氢浓度减小，从而降低了燃料电池的发电性能。因而，在日本专利申请JP-A-2002-216812等等披露的系统中，当满足预定条件时，通过打开放气阀将氮与燃料气体一道排出到燃料电池系统的外部。
在日本专利申请JP-A-2002-313403披露的系统中，就维持燃料电池的发电性能而言，重要的是能从燃料气体循环系统中排出氮，因而，在日本专利申请JP-A-2002-313403披露的系统中提供放气阀也是优选的。在这种情况下，也希望通过使排水装置的阀具有放气阀的功能，即通过用排水装置的阀既排出积聚的水又排出燃料气体，来简化系统的结构。
然而，在将排水装置的阀也用作放气阀方面，在日本专利申请JP-A-2002-313403中披露的系统具有问题。在日本专利申请JP-A-2002-313403披露的系统中，能用水位传感器测量排出水的数量，然而，当也排出燃料气体时，不能测量排出的燃料气体量，如果不能获得排出的燃料气体量，则不可能充分地恢复燃料气体中的氢浓度，或可能不必要地将氢排出。
在排出积聚的水方面，在日本专利申请JP-A-2002-313403中披露的系统也具有问题。当在日本专利申请JP-A-2002-313403中披露的系统是用于电动车等等的车内系统时，积聚部中的水的液位由于车辆的倾斜、振动等等而改变，因而，水位传感器不能精确地测量水位。如果不能精确地测量水位，就难以可靠地排出积聚的水。
发明内容
本发明的第一目标是提供一种燃料电池系统，其能用与气/液分离装置相连的排出阀将所需数量的燃料气体与积聚的水一道可靠地排出，和一种燃料电池系统的控制方法。
本发明的第二目标是提供一种燃料电池系统，其能用与气/液分离装置相连的排出阀可靠地排出所需数量的积聚的水，和一种燃料电池系统的控制方法。
当使第一目标与第二目标结合时，作出本发明以便从燃料气体的废气通道排出所需数量的多余物质。
本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统，其包括通过被供以氢和氧而产生电力的燃料电池；废气通道，从燃料电池排出的燃料气体通过废气通道；设在燃料废气通道中的气/液分离装置，其将水从燃料气体中分离出来并将水积聚起来；与气/液分离装置相连的排出阀，其能将燃料气体与积聚在气/液分离装置中的水一道排出到燃料电池系统的外部；和用于控制排出阀的打开/关闭操作的控制装置。控制装置检测或估计由于排出阀的打开操作而发生的在排出阀上游部分的压力变化，和基于积分值或与所述积分值相应的参数值决定排出阀关闭的关闭时间(在下文中，称为“排出阀的关闭时间”)，其中通过从排出阀打开时开始关于时间求排出阀上游部分的压力变化量的积分来获得所述积分值。
在根据第一方面的燃料电池系统中，当通过控制装置打开排出阀时，首先，将积聚在气/液分离装置中的水排出到燃料电池系统的外部，然后从废气通道排出燃料气体。当从废气通道排出燃料气体时，排出阀上游部分的压力(例如，气/液分离装置中的压力)依据排出的燃料气体量而减小，这时，通过从排出阀打开时开始关于时间求排出阀上游部分的压力变化量的积分而获得的值代表由于排出阀的打开操作而排出到燃料电池系统外部的燃料气体量。在该燃料电池系统的情况下，能通过基于积分值或与积分值相应的参数值决定排出阀的关闭时间，来以所需数量可靠地排出燃料气体。
本发明的第二方面涉及一种燃料电池系统，其包括通过被供以氢和氧而产生电力的燃料电池；废气通道，从燃料电池排出的燃料气体通过废气通道；设在燃料废气通道中的气/液分离装置，其将水从燃料气体中分离出来并将水积聚起来；与气/液分离装置相连的排出阀，其能将燃料气体与积聚在气/液分离装置中的水一道排出到燃料电池系统的外部；和用于控制排出阀的打开/关闭操作的控制装置。控制装置基于在燃料电池中产生的水量估计积聚在气/液分离装置中的水量，并基于估计的积聚水量决定排出阀的关闭时间，其中基于燃料电池产生的电力量计算在燃料电池中产生的水量。
在根据第二方面的燃料电池系统中，燃料电池中的电化学反应产生燃料电池系统中的水，因而能通过基于燃料电池产生的电力量来计算产生的水量和然后基于产生的水量来估计积聚在气/液分离装置中的水量，在不使用水位传感器的情况下获得积聚的水的精确数量。而且，与使用水位传感器的情况不同，能在不受外部原因如车辆的倾斜和振动影响的情况下获得积聚的水的精确数量。根据本发明第二方面，通过基于这种精确估计的积聚水量决定排出阀的关闭时间，能以所需数量排出积聚在气/液分离装置中的水。
燃料电池系统还可以包括上游部分压力检测装置，用于检测排出阀打开之前在排出阀上游部分的压力；和修正装置，用于基于检测到的排出阀上游部分的压力修正排出阀的关闭时间。
排出的燃料气体量根据排出阀上游部分和排出阀下游部分之间的压差而变化。在该燃料电池系统的情况下，基于排出阀打开之前在排出阀上游部分的压力来修正排出阀的关闭时间，因而能排出所需数量的燃料气体。
而且，排出的积聚水量根据排出阀上游部分和排出阀下游部分之间的压差而变化。在该燃料电池系统的情况下，基于排出阀打开之前在排出阀上游部分的压力来修正排出阀的关闭时间，因而能排出所需数量的水。
控制装置可以基于估计的积聚水量决定排出阀打开的打开时间(在下文中，称为“排出阀的打开时间”)。
燃料电池系统还可以包括下游部分压力检测装置，用于检测排出阀打开之前在排出阀下游部分的压力。修正装置可以基于排出阀上游部分的压力和排出阀下游部分的压力修正排出阀的关闭时间。
在该燃料电池系统的情况下，基于排出阀打开之前在排出阀上游部分的压力和排出阀下游部分的压力来修正排出阀的关闭时间，因而能更可靠地排出所需数量的燃料气体。而且，基于排出阀打开之前在排出阀上游部分的压力和排出阀下游部分的压力来修正排出阀的关闭时间，因而能更可靠地排出所需数量的水。
在根据第一方面的燃料电池系统中，排出阀可以包括串联地设置的上游侧排出阀和下游侧排出阀，而且，当下游侧排出阀在上游侧排出阀打开之后打开时，控制装置可以基于上游侧排出阀和下游侧排出阀之间的通道中的压力变化估计排出阀上游部分的压力变化。控制装置可以获得在下游侧排出阀打开后、自所述通道中的压力减小到预定值以后经过的时间，并将该时间作为与积分值相应的参数值。
在排出阀包括串联地设置的上游侧排出阀和下游侧排出阀的情况下，如果下游侧排出阀在上游侧排出阀打开后打开，则当从下游侧排出阀排出积聚的水时，上游侧排出阀和下游侧排出阀之间的通道中的压力逐渐减小。在该期间，上游侧排出阀上游部分的压力变化如此的小以致能忽略该变化。当积聚的水完全排出和开始从下游侧排出阀排出燃料气体时，通道中的压力变得基本上恒定，且上游侧排出阀上游部分的压力依据排出的燃料气体量而减小。如到目前为止所述的，上游侧排出阀和下游侧排出阀之间的通道中的压力变化与上游侧排出阀上游部分的压力变化相关联，因而能基于上游侧排出阀和下游侧排出阀之间的通道中的压力变化估计上游侧排出阀上游部分的压力变化。当排出燃料气体时，上游侧排出阀上游部分的压力以基本上恒定的速度变化，因而能基于自上游侧排出阀和下游侧排出阀之间的通道中的压力变成基本上恒定的值以后经过的时间，来精确地估计积分值。在该燃料电池系统的情况下，通过获得在下游侧排出阀打开后、自上游侧排出阀和下游侧排出阀之间的通道中的压力减小到预定值以后经过的时间，并将该时间作为与积分值相应的参数值，能在不执行积分的情况下精确地估计排出的燃料气体量。
燃料电池系统还可以包括故障确定装置，用于当上游侧排出阀和下游侧排出阀在不同时间关闭时，基于通道中的压力怎样变化，确定是否在上游侧排出阀和下游侧排出阀的至少一个中发生故障。
在排出阀包括串联地设置的上游侧排出阀和下游侧排出阀的情况下，当上游侧排出阀和下游侧排出阀在不同时间关闭时，通道中的压力怎样变化在上游侧排出阀和下游侧排出阀的至少一个中发生故障的情况和在这些排出阀中没有故障的情况之间是不同的。在该燃料电池系统的情况下，通过基于通道中的压力怎样变化确定是否在上游侧排出阀和下游侧排出阀的至少一个中发生故障，能容易且精确地确定是否在排出阀中发生故障。
在燃料电池系统中，在下游侧排出阀在上游侧排出阀关闭后关闭的情况下，当通道中压力的增加量等于或大于预定值时，故障确定装置可以确定在上游侧排出阀的关闭中发生故障。
特别地，当下游侧排出阀在上游侧排出阀关闭后关闭时，如果上游侧排出阀和下游侧排出阀都正在正确地工作，则通道中的压力基本上是恒定的，然而，如果发生故障，如从上游侧排出阀漏气，则通道中的压力逐渐增加。因而，如在该燃料电池系统的情况下那样，如果通道中压力的增加量等于或大于预定值，则通过确定在上游侧排出阀的关闭中发生故障，能容易且精确地确定是否在上游侧排出阀的关闭中发生故障。
在燃料电池系统中，在上游侧排出阀在下游侧排出阀关闭后关闭的情况下，当通道中压力的减小量等于或大于预定值时，故障确定装置可以确定在下游侧排出阀的关闭中发生故障。
当上游侧排出阀在下游侧排出阀关闭后关闭时，如果上游侧排出阀和下游侧排出阀都正在正确地工作，则通道中的压力基本上是恒定的，然而，如果发生故障，如从下游侧排出阀漏气，则通道中的压力逐渐减小。因而，如在该燃料电池系统的情况下那样，如果通道中压力的减小量等于或大于预定值，则通过确定在下游侧排出阀的关闭中发生故障，能容易且精确地确定是否在下游侧排出阀的关闭中发生故障。
在燃料电池系统中，在上游侧排出阀在下游侧排出阀关闭之前关闭的情况下，当通道中压力的减小量等于或小于预定值时，故障确定装置可以确定在下游侧排出阀的打开中发生故障。
当上游侧排出阀在下游侧排出阀关闭之前关闭时，如果上游侧排出阀和下游侧排出阀都正在正确地工作，则当上游侧排出阀关闭时，通道中的压力减小，然而，如果在下游侧排出阀的打开中发生故障，则通道中压力的减小量变小。因而，如在该燃料电池系统的情况下那样，当通道中压力的减小量等于或小于预定值时，通过确定在下游侧排出阀的打开中发生故障，能容易且精确地确定是否在下游侧排出阀的打开中发生故障。
在燃料电池系统中，在下游侧排出阀在上游侧排出阀关闭之前关闭的情况下，当通道中压力的增加量等于或小于预定值时，故障确定装置可以确定在上游侧排出阀的打开中发生故障。
当下游侧排出阀在上游侧排出阀关闭之前关闭时，如果上游侧排出阀和下游侧排出阀都正在正确地工作，则当下游侧排出阀关闭时，通道中的压力增加，然而，如果在上游侧排出阀的打开中发生故障，则通道中压力的增加量变小。因而，如在该燃料电池系统的情况下那样，当通道中的压力的增加量等于或小于预定值时，通过确定在上游侧排出阀的打开中发生故障，能容易且精确地确定是否在上游侧排出阀的打开中发生故障。
本发明的第三方面涉及一种燃料电池系统的控制方法，燃料电池系统包括设在废气通道中的气/液分离装置，废气通道是从燃料电池排出的燃料气体经过的通道，和气/液分离装置将水从燃料气体中分离出来并将水积聚起来；和与气/液分离装置相连的排出阀，其能将燃料气体与积聚在气/液分离装置中的水一道排出到燃料电池系统的外部。该控制方法包括下列步骤：获得排出阀上游部分的压力变化量，所述压力变化是由于排出阀的打开操作而发生；和基于积分值或与所述积分值相应的参数值决定排出阀的关闭时间，其中通过从排出阀打开时开始关于时间求排出阀上游部分的压力变化量的积分来获得所述积分值。
本发明的第四方面涉及一种燃料电池系统的控制方法，燃料电池系统包括设在废气通道中的气/液分离装置，废气通道是从燃料电池排出的燃料气体经过的通道，和气/液分离装置将水从燃料气体中分离出来并将水积聚起来；和与气/液分离装置相连的排出阀，其能将燃料气体与积聚在气/液分离装置中的水一道排出到燃料电池系统的外部。该控制方法包括下列步骤：基于在燃料电池中产生的水量估计积聚在气/液分离装置中的水量，其中基于燃料电池产生的电力量计算在燃料电池中产生的水量；和基于估计的积聚水量决定排出阀的关闭时间。
本发明的第五方面涉及一种燃料电池系统，其包括通过被供以氢和氧而产生电力的燃料电池；废气通道，从燃料电池排出的燃料气体通过废气通道；设在燃料废气通道中的气/液分离装置，其将水从燃料气体中分离出来并将水积聚起来；与气/液分离装置相连的排出阀，其能将燃料气体与积聚在气/液分离装置中的水一道排出到燃料电池系统的外部；和控制排出阀的打开/关闭操作的控制器。控制器检测或估计由于排出阀的打开操作而发生的在排出阀上游部分的压力变化，和基于一积分值或与该积分值相应的参数值决定关闭排出阀的关闭时间(在下文中，称为“排出阀的关闭时间”)，其中通过从排出阀打开时开始关于时间求排出阀上游部分的压力变化量的积分来获得所述积分值。
本发明的第六方面涉及一种燃料电池系统，其包括通过被供以氢和氧而产生电力的燃料电池；废气通道，从燃料电池排出的燃料气体通过废气通道；设在燃料废气通道中的气/液分离装置，其将水从燃料气体中分离出来并将水积聚起来；与气/液分离装置相连的排出阀，其能将燃料气体与积聚在气/液分离装置中的水一道排出到燃料电池系统的外部；和控制排出阀的打开/关闭操作的控制器。控制器基于在燃料电池中产生的水量估计积聚在气/液分离装置中的水量，并基于估计的积聚水量决定排出阀的关闭时间，其中基于燃料电池产生的电力量计算在燃料电池中产生的水量。
附图说明
从下面参考附图对优选实施例的说明，本发明的上述和更多的目标、特征与优点将变得明显，其中用同样的附图标记表示同样的元件和其中：
图1是示意性地表示根据本发明第一实施例的燃料电池系统的结构的图；
图2是时间图，用于说明根据本发明第一实施例的估计排出的燃料气体量的方法；
图3是图表，表示通过从排出阀打开时开始关于时间求压力减小量的积分而获得的积分值与排出的燃料气体量之间的关系，该关系通过试验获得；
图4是流程图，表示在本发明第一实施例中执行的排出阀的打开/关闭控制程序；
图5是流程图，表示在本发明第二实施例中执行的积聚水量的估计程序；
图6是流程图，表示在本发明第二实施例中执行的排出阀的打开/关闭控制程序；
图7是流程图，表示在本发明第三实施例中执行的排出阀的打开/关闭控制程序；
图8是示意性地表示根据本发明第四实施例的燃料电池系统的结构的图；
图9是时间图，用于说明根据本发明第四实施例的估计排出的燃料气体量的方法；
图10是时间图，用于说明根据本发明第四实施例的确定在排出阀的关闭中是否发生故障的方法；
图11是时间图，用于说明根据本发明第五实施例的确定在排出阀的关闭中是否发生故障的方法；
图12是时间图，用于说明根据本发明第六实施例的确定在排出阀的关闭中是否发生故障的方法；
图13是示意性地表示根据本发明第七实施例的燃料电池系统的结构的图；
图14是时间图，用于说明根据本发明第七实施例的确定在排出阀的关闭中是否发生故障的方法；和
图15是时间图，用于说明根据本发明第八实施例的确定在排出阀的关闭中是否发生故障的方法。
具体实施方式
下面，将参考图1到4说明本发明第一实施例。根据本发明的燃料电池系统例如能应用于安装在车辆中的用于车辆的燃料电池系统，注意，根据本发明的燃料电池系统能应用于别的用途的燃料电池系统。
图1是示意性地表示根据本发明第一实施例的燃料电池系统的结构的图。如图1中所示，燃料电池系统包括作为电源的燃料电池2，燃料电池2具有一种结构，其中电解质膜如高分子电解质膜置于阳极和阴极之间，阳极和阴极是催化电极(电解质膜、阳极和阴极在图1中未示出)。当将包含氢的燃料气体供给到阳极和将包含氧的氧化气体如空气供给到阴极时，燃料电池2产生电力。
燃料气体通道4与燃料电池2的阳极入口相连，燃料气体供给装置如氢储箱或重整器(未示出)在燃料气体通道4的上游侧上与燃料气体通道4相连，从燃料气体供给装置将燃料气体供给到燃料电池2。压力调节阀6设在燃料气体通道4中，压力调节阀6减小从燃料气体供给装置供应的燃料气体的压力以便将其调节到所需压力，并将具有所需压力的燃料气体供给到燃料电池2。而且，在压力调节阀6下游的位置，喷射器10设在燃料气体通道4中。
用于排出燃料气体的废气的阳极废气通道8与燃料电池2的阳极出口相连，阳极废气通道8在下游侧上的端部通过喷射器10与燃料气体通道4相连。阳极废气通道8中的燃料气体由于从喷射器10的喷嘴喷出的燃料气体的吸气作用而被吸入到喷射器10中，且被重新供给到燃料气体通道4。这样，在燃料电池系统中，当燃料电池2工作时，燃料气体通过燃料气体通道4和阳极废气通道8循环。
气/液分离装置12设在阳极废气通道8中。气/液分离装置12将水从燃料气体的废气中分离出来，并包括水积聚箱12a，从废气中分离出来的水积聚在水积聚箱12a中。在燃料电池系统中，由于燃料电池2的发电而产生的水从阴极侧透过电解质膜，并漏到阳极侧。移动到阳极侧的水与燃料气体的废气一道排出到阳极废气通道8，并被收集在气/液分离装置12中。
允许与燃料电池系统外部连通的排出通道14与气/液分离装置12的水积聚箱12a的底部相连，排出阀16设在排出通道14中，排出阀16通常是关闭的，且当输入来自后述的ECU(电控单元)20的控制信号时按照要求打开。采用能控制排出状态的阀例如断流阀或流量调节阀作为排出阀16，在实施例中，用断流阀作为排出阀16。排出阀16充当排水阀，其将积聚在气/液分离装置12中的水排出到燃料电池系统的外部。
用于供应氧化气体的氧化气体通道与燃料电池2的阴极入口相连，用于排出氧化气体的废气的阴极废气通道与阴极出口相连，由于这些部分不是燃料电池系统的特征部分，所以在图1中没有将它们示出。
在燃料电池2中，由于燃料电池2的工作，阴极侧上的氧化气体透过电解质膜并漏到阳极侧，因而，在其中有燃料气体循环的系统中，如根据实施例的燃料电池系统，包含在氧化气体中的氮逐渐积聚在循环系统中。循环系统中氮浓度的增加降低了燃料电池2的发电性能，因而，必需周期性地或当满足预定条件时将氮与燃料气体一道从循环系统排出到燃料电池系统的外部，以便减小循环系统中的氮浓度。在燃料电池系统中，用排出阀16从循环系统排出燃料气体，除了如上所述充当排水阀之外，排出阀16也充当用于将燃料气体排出到燃料电池系统外部的排气阀。
当用排出阀16作为排气阀时，必需精确地控制排出的燃料气体量。当排出的燃料气体量小于所需值时，不能充分恢复燃料气体中的氢浓度。另一方面，当排出的燃料气体量超过所需值时，会不必要地消耗掉额外数量的燃料气体，这导致燃料效率的劣化。因而，在燃料电池系统中，为了可靠而精确地排出所需数量的燃料气体，估计由于排出阀16的打开操作而排出的燃料气体量，并基于估计的排出燃料气体量控制排出阀16的操作。下面，将详细说明根据实施例的估计排出的燃料气体量的方法和控制排出阀16的方法。
首先，将说明估计排出的燃料气体量的方法。燃料电池系统包括作为用于控制排出阀16的控制单元的ECU20，提供给气/液分离装置12的压力传感器22在ECU20的输入侧上与ECU20相连，压力传感器22检测气/液分离装置12中的压力。ECU20根据下面的方法基于来自压力传感器22的检测信号估计排出的燃料气体量。
图2是时间图，表示排出阀16的操作状态和气/液分离装置12中的压力变化之间的关系。如图2中所示，气/液分离装置12中的压力变化不是在排出阀16打开后立即发生，变化是在排出阀16打开后经过若干时间才开始。从排出阀16打开时(时间t11)开始直到气/液分离装置12中的压力开始变化时(t12)为止的时间延迟表明在时间延迟期间积聚的水从气/液分离装置12中排出。气/液分离装置12中的压力实际上甚至在积聚的水正在排出时也发生变化，然而，积聚的水量相对于循环系统中气体的全部数量是非常小的，因而与由燃料气体的排出引起的压力变化相比，由积聚的水的排出引起的压力变化是如此小以致由积聚的水的排出引起的变化可以被忽略。在水已经完全从排出通道14排出和允许气/液分离装置12的内部与大气之间的连通之后，气/液分离装置12中的压力急剧变化。
当水完全从排出通道14排出和允许气/液分离装置12的内部与大气之间的连通时，气/液分离装置12中的压力由于燃料气体通过排出通道14排出而逐渐减小，在这时从循环系统排出到燃料电池系统外部的燃料气体量由积分值表示，其中通过从排出阀16打开时开始关于时间求气/液分离装置12中的压力减小量的积分来获得该积分值。排出的燃料气体的最终数量由在从排出阀16打开时(时间t11)开始直到排出阀16关闭时(时间t13)为止的积分期间获得的积分值表示(图2中阴影区域的面积)。图3是图表，表示通过从排出阀16打开时开始关于时间求气/液分离装置12中的压力减小量的积分而获得的积分值(在下文中，在适当的场合称为“压力减小积分值”)和排出的燃料气体量(在下文中，在合适的场合称为“燃料气体排出量”)之间的关系，该关系通过试验获得。该图表表明压力减小积分值和燃料气体排出量成比例关系，且能通过获得压力减小积分值来精确地估计燃料气体排出量。另外，该图表表明压力减小积分值和燃料气体排出量之间的比例关系是不变的，与积聚在气/液分离装置12中的水量无关。在燃料电池系统中，获得一个值，该值表明从排出阀16打开时开始在气/液分离装置中的压力减小量，和基于通过从排出阀16打开时开始关于时间求压力减小量的积分而获得的积分值，估计排出的燃料气体量。
根据实施例的估计排出的燃料气体量的方法，能在不受积聚在气/液分离装置12中的水量影响的情况下，精确地估计从排出阀16打开时开始排出的燃料气体量。另外，能在不使用昂贵的传感器如流量传感器的情况下精确地估计排出的燃料气体量。ECU20根据上述估计排出的燃料气体量的方法控制排出阀16的操作。
接着，将说明控制排出阀16的方法。图4是流程图，用于说明在实施例中由ECU20执行的排出阀16的打开/关闭控制的一系列操作。在图4所示的程序中，首先，在步骤S100中确定燃料电池系统在当前时间是否正在工作，这是由于在系统的工作期间排出积聚的水和包含氮的燃料气体。当确定燃料电池系统在当前时间正在工作时，执行步骤S102和下面的步骤。
在步骤S102中，确定是否到达排出阀16的打开时间。排出阀16的打开时间的设置不受特别限制，当满足预定的阀打开条件时，例如在自先前的操作达到预定值以后经过的时间，打开排出阀16。当在步骤S102中确定已经到达排出阀16的打开时间时，在步骤S104中通过压力传感器22检测气/液分离装置12中的压力，然后在步骤S106中打开排出阀16。将在步骤S104中检测的气/液分离装置12中的压力存储在ECU20的存储器中作为初始压力。
在排出阀16打开后，在步骤S108中通过压力传感器22读出气/液分离装置12中的压力，然后，在步骤S110中计算存储在存储器中的初始压力和当前时间在气/液分离装置12中的压力之间的差值，即压力减小值。然后，在步骤S112中，通过关于时间求在步骤S110中获得的压力减小值的积分来计算压力减小积分值。
在步骤S112中获得的压力减小积分值代表到当前时间为止已经从循环系统排出的燃料气体量，如上所述。在步骤S114中，为了确定到当前时间为止已经排出的燃料气体量是否达到所需值，将在步骤S112中获得的压力减小积分值与预定参考值进行比较，基于所需燃料气体排出量决定参考值。所需燃料气体排出量可以是预先设定的固定值，或可以基于燃料电池系统的工作状态设定。当在步骤S114中确定压力减小积分值没有达到参考值时，再次执行步骤S108，和重复执行步骤S108到S112直到在步骤S114中作出肯定的确定为止。
当在步骤S114中确定压力减小积分值达到参考值时，在步骤S116中关闭排出阀16，这样，燃料气体停止从循环系统排出到燃料电池系统的外部，并确定排出的燃料气体的最终数量。
当执行上述程序时，将积聚在气/液分离装置12中的水可靠地排出，能通过压力减小积分值的增加来检查积聚的水是否被可靠地排出。而且，最终燃料气体排出量是压力减小积分值达到参考值时的燃料气体排出量，且基于所需燃料气体排出量决定参考值。因而，当在步骤S114中作出肯定的确定和执行步骤S116时，以所需数量可靠地排出燃料气体。
在上述程序中，可以基于在步骤S104中获得的初始压力设定在步骤S114的确定中使用的参考值，例如，从用初始压力作为参数值的图中读出参考值。燃料气体排出量依据排出阀16上游部分和排出阀16下游部分之间的压差而变化，因而，基于初始压力设定参考值使得能精确地估计燃料气体排出量，和更可靠地以所需数量排出燃料气体。
当压力传感器也设在排出阀16的下游时，可以在考虑到排出阀16打开之前在排出阀16下游部分的压力的情况下，设定在步骤S114的确定中使用的参考值，例如，从用排出阀16上游部分的压力和排出阀16下游部分的压力作为参数值的图中，或从用排出阀16上游部分的压力和排出阀16下游部分的压力之间的压差作为参数值的图中读出参考值。燃料气体排出量依据排出阀16上游部分的压力和排出阀16下游部分的压力之间的压差而变化，因而，基于压差设定参考值使得能更精确地估计燃料气体排出量，和更可靠地以所需数量排出燃料气体。
下面，将参考图5和6说明本发明的第二实施例。
除了ECU20执行图5和6中的程序而不是图4中的程序之外，根据第二实施例的燃料电池系统与根据第一实施例的燃料电池系统相同。根据第一实施例的燃料电池系统基于估计的排出燃料气体量控制排出阀16的操作，然而，根据第二实施例的燃料电池系统基于估计的积聚水量精确地估计积聚在气/液分离装置12中的水量和控制排出阀16的操作。下面，将详细说明根据第二实施例的估计积聚水量的方法和控制排出阀16的方法。
首先，将说明估计积聚水量的方法。燃料电池系统中的水主要由于阴极处的电化学反应而产生，通过电化学反应获得水和电力，且产生的水量和产生的电力量是成比例的关系，因而，当获得由燃料电池2产生的电力量时，能基于产生的电力量获得在阴极处产生的水量。而且，能在下面的假设下估计积聚在气/液分离装置12中的水量，即假设在阴极处产生的水中的恒定比例漏到阳极侧。
图5是流程图，用于说明在第二实施例中由ECU20执行的一系列用于估计积聚水量的操作。在图5所示的程序中，首先，在步骤S200中确定燃料电池系统在当前时间是否正在工作，这是因为会由于系统的工作而产生燃料电池系统中的水。当在步骤S200中确定燃料电池系统在当前时间正在工作时，在步骤S202中确定排出阀16是否关闭。由于气/液分离装置12中的水在排出阀16打开时排出到燃料电池系统的外部，所以需要将排出阀16关闭以便使水积聚在气/液分离装置12中。当确定排出阀16关闭时，执行步骤S204和下面的步骤。
在步骤S204中，根据燃料电池2产生的电流(电力量)计算在单位时间(程序的一个循环)中产生的水量。燃料电池2产生的电力量由电流表(未示出)测量，从电流表向ECU20提供电流值信号。在步骤S206中，通过利用预定的关系式或预定的图，基于在步骤S204中获得的产生的水量计算在单位时间中积聚的水量。在步骤S208中，通过求在步骤S204中获得的在单位时间中积聚的水量的积分来获得一积分值，该积分值与排出阀16关闭后积聚的水的总量相应。重复执行步骤S204到S208直到排出阀16打开为止，这样，在排出阀16关闭时不断地计算最新的积聚水量。将获得的积聚水量存储在ECU20的存储器中，并在每次执行计算时将其更新到最新值。
当执行上述程序时，能在不提供水位传感器的情况下估计积聚在气/液分离装置12中的水量。而且，与使用水位传感器的情况不同，能在不受外部原因如系统的倾斜和振动影响的情况下不断地精确估计积聚水量。ECU20基于在上述程序中算出的积聚在气/液分离装置12中的水量控制排出阀16的操作。
在上述程序中，优选地，当基于产生的水量计算积聚水量时，基于燃料电池2的温度决定产生的水量和积聚水量之间的关系。电解质膜的透水特性根据其温度而变化，因而，基于燃料电池2的温度决定产生的水量和积聚水量之间的关系使得能更精确地估计积聚水量。
接着，将说明控制排出阀16的方法。图6是流程图，用于说明在第二实施例中由ECU20执行的排出阀16的打开/关闭控制的一系列操作。ECU20与图5中所示的程序同时地执行图6中所示的程序。在图6所示的程序中，首先，在步骤S300中确定燃料电池系统在当前时间是否正在工作，这是由于在系统的工作期间排出积聚的水和包含氮的燃料气体。当在步骤S300中确定燃料电池系统在当前时间正在工作时，执行步骤S302和下面的步骤。
在步骤S302中，确定是否满足预定的阀打开条件，例如自先前的操作达到预定值以后经过的时间。当在步骤S302中确定已经到达排出阀16的打开时间时，在步骤S304中，基于当前时间积聚在气/液分离装置12中的水量和所需燃料气体排出量，设定排出阀16打开的时间的参考值(在下文中，称为“排出阀16的阀打开时间”)。将在图5的程序中获得的最新值读出作为积聚水量，所需燃料气体排出量可以是预先设定的固定值，或可以基于燃料电池系统的工作状态设定。
根据用积聚水量和所需燃料气体排出量作为参数值的关系式或图计算排出阀16的阀打开时间的参考值。在图2的时间图中，将排出阀16的阀打开时间分成排水时期和燃料气体排出时期，基于积聚水量决定排水时期，和基于燃料气体排出量决定燃料气体排出时期。因而，如果通过试验等等预先获得排水时期与积聚水量之间的关系以及燃料气体排出时期与燃料气体排出量之间的关系，则当决定积聚水量和所需燃料气体排出量时，能唯一地决定排出积聚的水和所需燃料气体量所需要的阀打开时间。
在设定阀打开时间的参考值后，在步骤S306中，打开排出阀16并开始测量自排出阀16打开以后经过的时间。然后，在步骤S308中确定到当前时间为止的阀打开时间是否达到在步骤S304中设定的参考值。在步骤S308中作出肯定的确定之前，排出阀16保持打开，排出积聚在气/液分离装置12中的水，和排出循环系统中的燃料气体。
当在步骤S308中确定排出阀16的阀打开时间达到参考值时，即，当完成排水时，在步骤S310中将在图5的程序中获得的积聚水量积分值重新设定成零，然后在步骤S312中关闭排出阀16。这样，燃料气体停止从循环系统排出到燃料电池系统的外部，并确定最终燃料气体排出量。在图5的程序中，积聚水量的计算(积分)重新从零开始。
如第一实施例的情况中那样，当执行上述程序时，将积聚在气/液分离装置12中的水可靠地排出，并以所需数量可靠地排出燃料气体。
下面，将参考图7说明本发明的第三实施例。
除了ECU20执行图7中的程序而不是图4中的程序之外，根据第三实施例的燃料电池系统与根据第一实施例的燃料电池系统相同。如根据第二实施例的系统的情况那样，根据第三实施例的燃料电池系统基于估计的积聚水量精确地估计积聚在气/液分离装置12中的水量和控制排出阀16的操作。根据第二实施例的系统基于积聚水量决定排出阀16的关闭时间，然而，根据第三实施例的燃料电池系统不仅基于积聚水量决定排出阀16的关闭时间，而且还决定排出阀16的打开时间。下面，将详细说明根据第三实施例的控制排出阀16的方法。注意，在第三实施例中估计积聚水量的方法与第二实施例中的相同，因而，这里将不进行详细说明。
将说明控制排出阀16的方法。图7是流程图，用于说明在第三实施例中由ECU20执行的排出阀16的打开/关闭控制的一系列操作。在图7所示的程序中，首先，在步骤S400中确定燃料电池系统在当前时间是否正在工作。当确定燃料电池系统正在工作时，在步骤S402中确定排出阀16是否关闭。当确定排出阀16关闭时，执行步骤S404和下面的步骤。
在步骤S404中，基于燃料电池2产生的电力量计算在单位时间(程序的一个循环)中产生的水量。在步骤S406中，通过利用预定的关系式或预定的图，基于在步骤S404中获得的产生的水量计算在单位时间中积聚的水量。这时，优选地，因为电解质膜的透水特性根据电解质膜的温度而变化，所以基于燃料电池2的温度决定产生的水量和积聚水量之间的关系。在步骤S408中，通过求在步骤S404中算出的在单位时间中积聚的水量的积分而获得积分值，即，自排出阀16关闭以后积聚的水的总量。
在步骤S410中，将在步骤S408中算出的积聚水量积分值与用于积聚水量的预定参考值(在下文中，称为“阀打开参考值”)进行比较，其中排出阀16在该预定参考值打开。在根据第二实施例的系统中，排出阀16周期性地打开，然而，在根据第三实施例的燃料电池系统中，排出阀16在积聚水量达到阀打开参考值时打开。在燃料电池系统中，基于积聚在气/液分离装置12中的水量决定排出阀16的打开时间。重复执行步骤S404到S408直到积聚水量达到阀打开参考值为止。
当在步骤S410中确定积聚水量达到阀打开参考值时，在步骤S412中打开排出阀16并开始测量自排出阀16打开以后经过的时间。在步骤S414中，确定到当前时间为止的阀打开时间是否达到参考值。通过用关系式或图计算排出阀16的阀打开时间的参考值，所述关系式或图用在步骤S410中使用的阀打开参考值和所需燃料气体排出量作为参数值。基于阀打开参考值决定排水时期，基于所需燃料气体排出量决定燃料气体排出时期，和将使排水时期与燃料气体排出时期相加而获得的时期用作阀打开时间的参考值。
当在步骤S414中确定排出阀16的阀打开时间达到参考值时，即，当完成排水时，在步骤S416中将在步骤S408中获得的积聚水量积分值重新设定成零，和在步骤S418中关闭排出阀16。这样，燃料气体停止从循环系统排出到燃料电池系统的外部，并获得最终燃料气体排出量。
当执行上述程序时，如第一实施例和第二实施例的情况中那样，将积聚在气/液分离装置12中的水可靠地排出，并以所需数量可靠地减少燃料气体。而且，根据燃料电池系统，能调节积聚在气/液分离装置12中的水量以便其不超过所需上限值(阀打开参考值)。
将参考图8到10说明本发明第四实施例。
图8是示意性地表示根据本发明第四实施例的燃料电池系统的结构的图。在图8中，与第一实施例中相同的元件由相同的附图标记表示，这里将不对这些元件进行说明，将详细说明与根据第一实施例的系统的结构不同的结构。
将说明燃料电池系统的结构。除了气/液分离装置12的排出系统的结构之外，根据第四实施例的燃料电池系统与根据第一实施例的系统相同。在根据第四实施例的燃料电池系统中，两个排出阀18A和18B串联地设在与气/液分离装置12相连的排出通道14中，当两个排出阀18A和18B都打开时，循环系统中的燃料气体排出到燃料电池系统的外部。由于提供了两个排出阀18A和18B，所以即使在这两个排出阀18A和18B之一中出现故障，也能防止氢的泄露。
ECU20彼此无关地执行排出阀18A的打开/关闭控制和排出阀18B的打开/关闭控制。在第四实施例中同样，为了精确且可靠地排出所需数量的燃料气体，ECU20估计由于排出阀18A和18B的打开操作而排出的燃料气体量，并基于估计的排出量控制排出阀18A和18B的操作。下面，将详细说明根据第四实施例的估计燃料气体排出量的方法和控制排出阀18A和18B的方法。
压力传感器24在排出通道14中设在排出阀18A和18B之间的位置，和压力传感器26在排出通道14中设在上游侧排出阀18A上游的位置，压力传感器24和26中的每一个都在ECU20的输入侧上与ECU20相连，并将与检测到的压力相应的信号输入到ECU20中。在第一实施例中，基于气/液分离装置12中的压力估计从循环系统排出的燃料气体量，然而，在根据第四实施例的燃料电池系统中，基于由压力传感器24和26之一检测的在排出阀18A和18B之间部分的压力来估计从循环系统排出的燃料气体量。
图9是时间图，表示排出阀18A和18B的操作、和排出阀18A和18B之间部分的压力变化(在下文中，称为“中间压力”)与上游侧排出阀18A上游部分的压力变化(在下文中，称为“上游部分压力”)之间的关系。如图9中所示，ECU20最初打开上游侧排出阀18A(时间t21)。上游侧排出阀18A的阀打开时间不受特别限制，例如，当满足预定的阀打开条件时，例如在自先前的操作达到预定值以后经过的时间，打开上游侧排出阀18A。当自上游侧排出阀18A打开以后经过预定时间时，ECU20然后打开下游侧排出阀18B(时间t22)，从上游侧排出阀18A打开时开始直到下游侧排出阀18B打开时为止的时间延迟是一个足够的时间，在该时间期间，中间压力增加到一基本上等于上游部分压力的值。
在下游侧排出阀18B打开后，当积聚在气/液分离装置12中的水通过下游侧排出阀18B排出时，中间压力逐渐减小。如第一实施例中所述，在积聚的水排出时上游部分压力的变化是如此小以致能将该变化忽略。当积聚的水完全排出和允许上游侧排出阀18A上游部分与燃料电池系统外部之间的连通时，中间压力变成基本上恒定的值(等于外部压力)，当燃料气体开始从下游侧排出阀18B排出时，上游部分压力按照燃料气体排出量而减小。如到目前为止所述，中间压力的变化与上游部分压力的变化相关联，和能基于中间压力的变化估计上游部分压力的变化。
如第一实施例中所述，由于排出阀18A和18B的打开操作而排出的燃料气体量能由积分值表示，通过从下游侧排出阀18B打开时开始求气/液分离装置12中的压力减小值的积分来获得该积分值。气/液分离装置12中的压力等于排出通道14中的上游侧排出阀18A上游部分的压力，因而，能根据第一实施例中所述的方法基于压力传感器26检测到的压力的变化估计排出的燃料气体量。基于压力传感器26检测到的压力估计燃料气体排出量的方法与第一实施例中的相同，因而，这里将不进行说明。下面，将说明基于压力传感器24检测到的中间压力估计燃料气体排出量的方法。
当利用压力传感器26检测到的压力时，获得实际的压力减小值且能基于压力减小值计算积分值。然而，在该估计方法中，使用另一个值代替积分值。更具体地，将在下游侧排出阀18B打开后自中间压力减小到基本上恒定的值以后经过的时间用作燃料气体排出量的代表值，考虑到当排出燃料气体时上游部分压力变化的特性曲线基本上不变(在图9中，变化速度基本上不变)，因而，如果能获得自上游部分压力开始减小以后经过的时间，则通过试验等等预先获得变化的特性曲线使得能容易地获得积分值。上游部分压力开始减小的时间与中间压力减小到基本上恒定的值的时间(时间t23)相符。
因而，测量自中间压力减小到基本上恒定的值(时间t23)以后经过的时间使得能估计积分值和估计燃料气体排出量。根据这种估计方法，能在不执行积分的情况下以与第一实施例中相同的精度估计燃料气体排出量。而且，能通过检查中间压力是否减小到基本上恒定的压力来确定是否可靠地排出了积聚在气/液分离装置12中的水。
能基于从中间压力减小到基本上恒定的值时(时间t23)开始直到下游侧排出阀18B关闭时(时间t24)为止经过的时间估计最终燃料气体排出量。当中间压力减小到预定值时(时间t23)，ECU20测量自时间t23以后经过的时间，当经过的时间达到预定参考值时，ECU20关闭下游侧排出阀18B，基于所需燃料气体排出量决定参考值。最终燃料气体排出量是在下游侧排出阀18B关闭以前排出的燃料气体量，且基于所需燃料气体排出量决定下游侧排出阀18B的关闭时间，因而，能以所需数量可靠地排出燃料气体。
上游侧排出阀18A的关闭时间与下游侧排出阀18B的关闭时间是同时的或在其之后，在这种情况下，下游侧排出阀18B在上游侧排出阀18A关闭之前关闭。然而，上游侧排出阀18A可以在下游侧排出阀18B关闭之前关闭，或上游侧排出阀18A和下游侧排出阀18B可以同时关闭。在这些情况的任一个中，都基于较早关闭的阀的关闭时间决定最终燃料气体排出量。
将说明确定在排出阀中是否发生故障的方法。在燃料电池系统中，由于提供了两个排出阀18A和18B，所以即使由于阀的关闭故障而发生排出阀18A和18B之一的漏气，也能防止氢的流出。然而，如果任由故障存在，则会在系统的工作中出现问题，因而，需要迅速检测到漏气的发生。在燃料电池系统中，ECU20具有检测排出阀18A和18B的漏气的漏气检测功能。下面，将说明由ECU20执行的检测排出阀18A和18B漏气的方法。
ECU20在不同时间操作两个排出阀18A和18B，并基于压力传感器24检测到的排出阀18A和18B之间的中间压力检测漏气。图10是时间图，表示排出阀18A和18B的操作、中间压力的变化和燃料气体排出量的变化之间的关系。如图10中所示，ECU20最初打开上游侧排出阀18A(时间t31)，然后打开下游侧排出阀18B(时间t32)，当上游侧排出阀18A打开时，中间压力暂时增加，当下游侧排出阀18B打开时，排出积聚的水，然后，开始排出燃料气体，且中间压力逐渐减小。图10表示水没有积聚在气/液分离装置12中且燃料气体在下游侧排出阀18B打开后立即开始排出的情况。
当自下游侧排出阀18B打开以后经过预定时间时，ECU20关闭下游侧排出阀18B(时间t33)。当自时间t33以后进一步经过预定时间时，ECU20关闭上游侧排出阀18A(时间t34)。从下游侧排出阀18B打开时开始直到它关闭时为止的预定时间必需足够长，以便如果水积聚在气/液分离装置12中，则该预定时间长得足以使积聚在气/液分离装置12中的水完全排出。从下游侧排出阀18B关闭时开始直到上游侧排出阀18A关闭时为止的预定时间必需足够长，以便足以使中间压力增加到上游侧排出阀18A上游部分处的压力(在下文中，称为“上游侧压力”)或接近上游侧压力的压力。
在上游侧排出阀18A关闭后，ECU20确定下游侧排出阀18B是否发生漏气。能基于上游侧排出阀18A关闭后在预定时间(t35)的中间压力和自时间t35以后经过预定时间时(时间t36)的中间压力之间的差值确定下游侧排出阀18B是否发生漏气。在图10中，在上游侧排出阀18A关闭后经过若干时间开始所述确定，然而，可以在上游侧排出阀18A关闭后立即开始所述确定。在图10中，实线表示在没有发生漏气的正常状态中中间压力的变化，而虚线表示发生漏气时中间压力的变化。当下游侧排出阀18B发生漏气时，高压燃料气体从排出阀18A和18B之间的部分流到下游侧排出阀18B的下游侧，因而，中间压力逐渐减小。在上游侧排出阀18A关闭后，ECU20比较时间t35的中间压力和时间t36的中间压力，如果压差(减小值)等于或大于预定值，则ECU20确定下游侧排出阀18B发生漏气。
接着，ECU20在保持上游侧排出阀18A关闭的同时(时间t41)打开下游侧排出阀18B，当自时间t41经过预定时间时，ECU20再次关闭下游侧排出阀18B(时间t42)。从下游侧排出阀18B打开时开始直到它关闭时为止的预定时间必需足够长，以便足以使中间压力减小到下游侧排出阀18B下游部分处的压力(在下文中，称为“下游侧压力”)或接近下游侧压力的压力。
在下游侧排出阀18B关闭后，ECU20确定上游侧排出阀18A是否发生漏气。能基于下游侧排出阀18B关闭后在预定时间(t43)的中间压力和自时间t43以后经过预定时间时(时间t44)的中间压力之间的差值确定上游侧排出阀18A是否发生漏气。在图10中，在下游侧排出阀18B关闭后经过若干时间开始所述确定，然而，可以在下游侧排出阀18B关闭后立即开始所述确定。在图10中，实线表示在没有发生漏气的正常状态中中间压力的变化，而虚线表示发生漏气时中间压力的变化。当上游侧排出阀18A发生漏气时，高压燃料气体从上游侧排出阀18A的上游侧流到排出阀18A和18B之间的部分，因而，中间压力逐渐增加。在下游侧排出阀18B关闭后，ECU20将时间t43的中间压力与时间t44的中间压力进行比较，当压差(增加值)等于或大于预定值时，ECU20确定上游侧排出阀18A发生漏气。
当检测到与燃料电池系统2的循环系统相连的阀漏气时，传统地，需要在燃料电池2的入口和出口中的每一个处提供断流阀以使得燃料电池2与循环系统分开。能基于封闭区域中的压力减小确定是否发生漏气，然而，燃料电池2的电解质膜是气体可透过的膜，因而，如果燃料电池2与循环系统相连，则不能形成封闭区域，从而不能作出正确的确定。然而，在本发明的燃料电池系统的情况下，在两个排出阀18A和18B之间形成封闭区域，和能基于封闭区域中的压力变化确定排出阀18A和18B是否发生漏气，因而，不必在燃料电池2的入口和出口的每一个中提供断流阀。此外，不必停止向燃料电池2供应燃料气体，因而即使在燃料电池系统工作期间也能确定是否发生漏气。
下面，将参考图11说明本发明的第五实施例。
除了执行在图11中所示的确定在阀的关闭中是否发生故障的方法而不是在图10中所示的确定在阀的关闭中是否发生故障的方法之外，根据第五实施例的燃料电池系统与根据第四实施例的燃料电池系统相同。根据第五实施例的燃料电池系统仅仅在确定在排出阀18A和18B的关闭中是否发生故障的方法上不同于根据第四实施例的燃料电池系统。
将说明确定在排出阀18A和18B中是否发生故障的方法。图11是时间图，表示排出阀18A和18B的操作与中间压力的变化之间的关系。如图11中所示，ECU20最初打开上游侧排出阀18A(时间t51)，然后打开下游侧排出阀18B(时间t52)。当上游侧排出阀18A打开时，中间压力暂时增加，当下游侧排出阀18B打开时，排出积聚的水，然后开始排出燃料气体，结果，中间压力逐渐减小。图11表示水没有积聚在气/液分离装置12中且燃料气体在下游侧排出阀18B打开后立即开始排出的情况。
当自下游侧排出阀18B打开以后经过预定时间时，ECU20关闭下游侧排出阀18B(时间t53)。当自时间t53以后进一步经过预定时间时，ECU20关闭上游侧排出阀18A(时间t54)。从下游侧排出阀18B打开时开始直到它关闭时为止的预定时间必需足够长，以便如果水积聚在气/液分离装置12中，则该预定时间长得足以使积聚在气/液分离装置12中的水完全排出。根据第五实施例的燃料电池系统特征在于从下游侧排出阀18B关闭时开始直到上游侧排出阀18A关闭时为止的预定时间的设定方法，在第五实施例中，设定该预定时间以使得中间压力变成上游侧压力(上游侧排出阀18A上游部分的压力)和下游侧压力(下游侧排出阀18B下游部分的压力)之间的压力。
在第五实施例中，在上游侧排出阀18A关闭后，同时执行关于下游侧排出阀18B是否发生漏气的确定(在下文中，称为“下游侧排出阀18B的漏气确定”)和关于上游侧排出阀18A是否发生漏气的确定(在下文中，称为“上游侧排出阀18A的漏气确定”)。更具体地，ECU20基于上游侧排出阀18A关闭时(时间t54)的中间压力和自时间t54以后经过预定时间时(时间t55)的中间压力之间的差值确定是否发生漏气。当下游侧排出阀18B发生漏气时，燃料气体从排出阀18A和18B之间的部分流到下游侧排出阀18B的下游侧，结果，中间压力逐渐减小。同时，当上游侧排出阀18A发生漏气时，高压燃料气体从上游侧排出阀18A的上游侧流到排出阀18A和18B之间的部分，结果，中间压力逐渐增加。
ECU20将时间t54的中间压力与时间t55的中间压力进行比较，在中间压力减小的情况下，如果减小值等于或大于预定值，则ECU20确定下游侧排出阀18B发生漏气。另一方面，在中间压力增加的情况下，如果增加值等于或大于预定值，则ECU20确定上游侧排出阀18A发生漏气。根据第五实施例中的方法，能同时执行排出阀18A的漏气确定和排出阀18B的漏气确定，因而，与根据第四实施例的方法相比，能有效地执行确定。
下面，将参考图12说明本发明的第六实施例。
除了执行在图12中所示的确定在阀的关闭中是否发生故障的方法而不是在图10中所示的确定在阀的关闭中是否发生故障的方法之外，根据第六实施例的燃料电池系统与根据第四实施例的燃料电池系统相同。根据第六实施例的燃料电池系统仅仅在确定在排出阀18A和18B的关闭中是否发生故障的方法上不同于根据第四实施例的燃料电池系统。
将说明确定在排出阀18A和18B中是否发生故障的方法。在第四和第五实施例的每一个中，相继或同时执行排出阀18A的漏气确定和排出阀18B的漏气确定，然而，在第六实施例中，在系统工作期间仅仅不断地执行上游侧排出阀18A的漏气确定，而仅仅在启动/停止系统时执行下游侧排出阀18B的漏气确定。确定下游侧排出阀18B是否发生漏气的方法与第四实施例中的相同，因而，这里将不进行说明。
图12是时间图，表示排出阀18A和18B的操作与中间压力的变化之间的关系。如图12中所示，ECU20最初打开下游侧排出阀18B(时间t61)，然后打开上游侧排出阀18A(时间t62)。当上游侧排出阀18A打开时，中间压力暂时增加，然后逐渐减小。
当自上游侧排出阀18A打开以后经过预定时间时，ECU20关闭上游侧排出阀18A(时间t63)。当自时间t63以后进一步经过预定时间时，ECU20关闭下游侧排出阀18B(时间t64)。从上游侧排出阀18A打开时开始直到它关闭时为止的预定时间必需足够长，以便如果水积聚在气/液分离装置12中，则该预定时间长得足以使积聚在气/液分离装置12中的水完全排出。同样，从上游侧排出阀18A关闭时开始直到下游侧排出阀18B关闭时为止的预定时间必需足够长，以便足以使中间压力减小到下游侧压力(下游侧排出阀18B下游部分的压力)或接近下游侧压力的值。
在下游侧排出阀18B关闭后，ECU20执行上游侧排出阀18A的漏气确定。ECU20基于下游侧排出阀18B关闭时(时间t64)的中间压力和自时间t64以后经过预定时间时(时间t65)的中间压力之间的差值执行漏气确定。当确定上游侧排出阀18A发生漏气时，高压燃料气体从上游侧排出阀18A的上游侧流到排出阀18A和18B之间的部分，结果，中间压力逐渐增加。ECU20将时间t64的中间压力与时间t65的中间压力进行比较，当压差(增加值)等于或大于预定值时，ECU20确定上游侧排出阀18A发生漏气。
下面，将参考图13和14说明本发明的第七实施例。
图13是表示根据本发明第七实施例的燃料电池系统的主要部分的图。除了采用图13中所示的结构作为与气/液分离装置12相连的排出系统的结构和ECU20执行图14中所示的确定在阀的关闭中是否发生故障的方法而不是图10中所示的方法之外，根据第七实施例的燃料电池系统与根据第四实施例的燃料电池系统相同。
将说明燃料电池系统的结构。除了在上游侧排出阀18A和下游侧排出阀18B之间提供缓冲罐30之外，根据第七实施例的燃料电池系统的结构与根据第四实施例的燃料系统的结构相同。提供压力传感器24以便检测缓冲罐30中的压力。除了图13中所示的部分之外，根据第七实施例的燃料电池系统的结构与根据第四实施例的燃料系统的结构相同，因而，这里将不进行说明。
将说明确定在排出阀18A和18B中是否发生故障的方法。图14是时间图，表示排出阀18A和18B的操作与中间压力的变化之间的关系。由于缓冲罐30设在排出阀18A和18B之间，所以与第四实施例相比，由排出阀18A和18B的操作引起的中间压力的变化是温和的，因而，当上游侧排出阀18A在下游侧排出阀18B保持关闭的同时打开时，中间压力由于高压燃料气体从上游侧的流入而增加。然而，能通过上游侧排出阀18A的阀打开时间调节增加值。在保持下游侧排出阀18B关闭的同时，ECU20打开上游侧排出阀18A(时间t71)，当自时间t71以后经过预定时间时(时间t72)，ECU20关闭上游侧排出阀18A，设定该预定时间以使得中间压力变成上游侧压力(上游侧排出阀18A上游部分的压力)和下游侧压力(下游侧排出阀18B下游部分的压力)之间的压力。将中间压力调节成上游侧压力和下游侧压力之间的值使得能同时执行下游侧排出阀18B的漏气确定和上游侧排出阀18A的漏气确定，如同第五实施例中那样。
在经过用于两个排出阀18A和18B的漏气确定的时间(时间t73)之后，在保持下游侧排出阀18B关闭的同时，ECU20打开上游侧排出阀18A。当自时间t73以后经过预定时间时(时间t74)，ECU20关闭上游侧排出阀18A，该预定时间必需足够长，以便足以使中间压力增加到上游侧压力(上游侧排出阀18A上游部分的压力)或接近上游侧压力的压力。将中间压力调节成接近上游侧压力的压力使得能以与第四实施例相同的方式执行下游侧排出阀18B的漏气确定。
在经过用于下游侧排出阀18B的漏气确定的时间(时间t75)之后，在保持上游侧排出阀18A关闭的同时，ECU20打开下游侧排出阀18B。当自时间t75以后经过预定时间时(时间t76)，ECU20关闭下游侧排出阀18B，将该预定时间设定成足够长的值，以便足以使中间压力减小到下游侧压力(下游侧排出阀18B下游部分的压力)或接近下游侧压力的压力。将中间压力调节成接近下游侧压力的压力使得能以与第四实施例相同的方式执行上游侧排出阀18A的漏气确定。
在根据第七实施例的燃料电池系统的情况下，由于缓冲罐30设在排出阀18A和18B之间，所以能容易地将中间压力调节成所需值，结果，能在各种压力水平执行漏气确定，如上所述。
下面，将参考图15说明本发明第八实施例。
除了用在较低压力(例如，大约10kPa的阀打开压力)下打开的安全阀作为下游侧排出阀18B和ECU20执行图15中所示的确定在阀的关闭中是否发生故障的方法而不是图10中所示的方法之外，根据第八实施例的燃料电池系统与根据第四实施例的燃料电池系统相同。
将说明确定在排出阀18A和18B中是否发生故障的方法。图15是时间图，表示排出阀18A和18B的操作与中间压力的变化之间的关系。注意，在第八实施例中仅仅能直接控制上游侧排出阀18A的操作。如图15中所示，当ECU20打开上游侧排出阀18A时(时间t81)，中间压力由于上游侧排出阀18A打开而增加，当中间压力达到下游侧排出阀18B的阀打开压力时，下游侧排出阀18B打开(时间t82)。甚至在下游侧排出阀18B打开之后，中间压力也由于排出阀18A和18B之间流量的差别而保持增加。当自时间t82以后经过预定时间时(时间t83)，上游侧排出阀18A关闭，因而中间压力逐渐减小。当中间压力变得低于下游侧排出阀18B的阀打开压力时(时间t84)，下游侧排出阀18B也关闭。
在下游侧排出阀18B关闭后，如果下游侧排出阀18B发生漏气，则燃料气体从排出阀18A和18B之间的部分流到下游侧排出阀18B的下游侧，结果，中间压力从下游侧排出阀18B的阀打开压力逐渐减小。另一方面，当上游侧排出阀18A发生漏气时，高压燃料气体从上游侧排出阀18A的上游侧流到排出阀18A和18B之间的部分，结果，中间压力逐渐增加。在这种情况下，当中间压力增加到预定的阀打开压力时，下游侧排出阀18B再次打开。
ECU20将下游侧排出阀18B关闭时(时间t84)的中间压力与自时间t84以后经过预定时间时(时间t85)的中间压力进行比较，在中间压力减小的情况下，当减小值等于或大于预定值时，ECU20确定下游侧排出阀18B发生漏气。另一方面，在中间压力增加的情况下，当增加值等于或大于预定值时，ECU20确定上游侧排出阀18A发生漏气。根据第八实施例中的方法，如第四实施例中那样，能同时执行排出阀18A的漏气确定和排出阀18B的漏气确定。此外，不必执行下游侧排出阀18B的控制。
尽管已经参考优选实施例详细说明了本发明，但本发明不局限于上述实施例，在本发明的范围内能以各种其它实施例实现本发明，例如，以下面的改进实施例实现本发明。
能将根据第二实施例和第三实施例的估计积聚水量的方法用于积聚在气/液分离装置12中的水量的控制。例如，当需要将预定量的水留在气/液分离装置12中时，例如当燃料电池系统停止时，根据上述方法估计积聚水量，和基于估计的积聚水量与预定水量之间的差值设定排出阀16的阀打开时间，因而能在不使用水位传感器的情况下将积聚水量可靠地调节到所需值。
而且，在第四到第八实施例中，说明了确定在排出阀18A和18B中是否发生故障(漏气)的方法。在图8中所示的燃料电池系统的情况下，也能基于排出阀18A和18B之间的中间压力确定在排出阀18A和18B的打开中是否发生故障(堵塞等等)。当上游侧阀18A在下游侧阀18B关闭之前关闭时，如果两个排出阀18A和18B正在正确地工作，则当上游侧阀18A关闭时，中间压力减小。然而，当在下游侧阀18B的打开中发生故障时，中间压力的减小量变得小于正常时的减小量，因而，能通过将中间压力的减小量与预定值进行比较来确定在下游侧阀18B的打开中是否发生故障。
另一方面，当下游侧阀18B在上游侧阀18A关闭之前关闭时，如果两个排出阀18A和18B正在正确地工作，则当下游侧阀18B关闭时，中间压力增加。然而，当在上游侧阀18A的打开中发生故障时，中间压力的增加量变得小于正常时的增加量，因而，能通过将中间压力的增加量与预定值进行比较来确定在上游侧阀18A的打开中是否发生故障。
在上述实施例中，本发明应用于在燃料气体循环时工作的燃料电池系统，然而，本发明能应用于所谓阳极死端(anode dead end)类型的燃料电池系统，在阳极死端类型的燃料电池系统中，通常，燃料电池在排出阀关闭的情况下工作，且在阳极出口附近几乎没有燃料气体的流动，因而，从阴极侧透过电解质膜的氮和由于电化学反应而产生的水积聚在阳极出口，并最终积聚在燃料废气通道中。
因而，在阳极死端类型的燃料电池系统中，同样必需通过周期性地打开排出阀将积聚在燃料电池阳极的水和氮排出到燃料电池系统的外部。这时，根据在上述实施例中说明的方法估计排出的燃料气体量或积聚水量和基于估计的结果控制排出阀的操作使得能可靠地排出所需数量的燃料气体和积聚的水。

Claims (19)

1.一种燃料电池系统，包括：
通过被供以氢和氧而产生电力的燃料电池；
废气通道，从所述燃料电池排出的燃料气体通过所述废气通道；
设在所述燃料废气通道中的气/液分离装置，其将水从所述燃料气体中分离出来并将水积聚起来；
与所述气/液分离装置相连的排出阀，其能将所述燃料气体与积聚在所述气/液分离装置中的水一道排出到燃料电池系统的外部；和
用于控制所述排出阀的打开/关闭操作的控制装置，其中
所述控制装置检测或估计由于所述排出阀的打开操作而发生的在所述排出阀上游部分的压力变化，和基于积分值或与所述积分值相应的参数值决定排出阀关闭的关闭时间，其中通过从所述排出阀打开时开始关于时间求排出阀上游部分的压力变化量的积分来获得所述积分值。
2.一种燃料电池系统，包括：
通过被供以氢和氧而产生电力的燃料电池；
废气通道，从所述燃料电池排出的燃料气体通过所述废气通道；
设在所述燃料废气通道中的气/液分离装置，其将水从所述燃料气体中分离出来并将水积聚起来；
与所述气/液分离装置相连的排出阀，其能将所述燃料气体与积聚在所述气/液分离装置中的水一道排出到燃料电池系统的外部；和
用于控制所述排出阀的打开/关闭操作的控制装置，其中
所述控制装置基于在所述燃料电池中产生的水量估计积聚在所述气/液分离装置中的水量，并基于估计的积聚水量决定排出阀关闭的关闭时间，其中基于所述燃料电池产生的电力量计算在燃料电池中产生的水量。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于
所述控制装置基于估计的积聚水量决定排出阀打开的打开时间。
4.如权利要求1到3中任一个所述的燃料电池系统，还包括：
上游部分压力检测装置，用于检测所述排出阀打开之前在排出阀上游部分的压力；和
修正装置，用于基于检测到的所述排出阀上游部分的压力修正排出阀关闭的关闭时间。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，还包括：
下游部分压力检测装置，用于检测所述排出阀打开之前在排出阀下游部分的压力，其中
所述修正装置基于检测到的所述排出阀上游部分的压力和检测到的所述排出阀下游部分的压力修正排出阀关闭的关闭时间。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于
所述排出阀包括串联地设置的上游侧排出阀和下游侧排出阀，
当下游侧排出阀在上游侧排出阀打开之后打开时，所述控制装置基于所述上游侧排出阀和所述下游侧排出阀之间的通道中的压力变化估计所述排出阀上游部分的压力变化，和所述控制装置获得在下游侧排出阀打开后、自所述通道中的压力减小到预定值以后经过的时间，并将该时间作为与所述积分值相应的所述参数值。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，还包括：
故障确定装置，用于当所述上游侧排出阀和下游侧排出阀在不同时间关闭时，基于所述通道中的压力怎样变化，确定是否在所述上游侧排出阀和下游侧排出阀的至少一个中发生故障。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于
在所述下游侧排出阀在上游侧排出阀关闭后关闭的情况下，当所述通道中压力的增加量等于或大于预定值时，所述故障确定装置确定在所述上游侧排出阀的关闭中发生故障。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于
在所述燃料电池的启动时间和停止时间中的至少一个时确定在所述上游侧排出阀的关闭中是否发生故障。
10.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于
在所述上游侧排出阀在下游侧排出阀关闭后关闭的情况下，当所述通道中压力的减小量等于或大于预定值时，所述故障确定装置确定在所述下游侧排出阀的关闭中发生故障。
11.如权利要求7到10中任一个所述的燃料电池系统，其特征在于
通过控制所述上游侧排出阀和下游侧排出阀，所述故障确定装置使在所述上游侧排出阀和下游侧排出阀之间的通道中的压力成为在上游侧排出阀上游侧上的压力和下游侧排出阀下游侧上的压力之间的压力，和
通过在所述上游侧排出阀和下游侧排出阀保持关闭的情况下测量所述上游侧排出阀和下游侧排出阀之间的通道中的压力，所述故障确定装置确定在所述上游侧排出阀和下游侧排出阀中的至少一个的关闭中是否发生故障。
12.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于
在所述上游侧排出阀在下游侧排出阀关闭之前关闭的情况下，当所述通道中压力的减小量等于或小于预定值时，所述故障确定装置确定在所述下游侧排出阀的打开中发生故障。
13.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于
在所述下游侧排出阀在上游侧排出阀关闭之前关闭的情况下，当所述通道中压力的增加量等于或小于预定值时，所述故障确定装置确定在所述上游侧排出阀的打开中发生故障。
14.如权利要求6到13中任一个所述的燃料电池系统，还包括：
设在所述上游侧排出阀和下游侧排出阀之间且具有预定容量的罐；和
用于检测所述罐中的压力的罐部分压力检测装置。
15.如权利要求6或7所述的燃料电池系统，其特征在于
所述下游侧排出阀是安全阀。
16.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括设在废气通道中的气/液分离装置，所述废气通道是从燃料电池排出的燃料气体经过的通道，和所述气/液分离装置将水从所述燃料气体中分离出来并将水积聚起来；和与所述气/液分离装置相连的排出阀，其能将所述燃料气体与积聚在所述气/液分离装置中的水一道排出到燃料电池系统的外部，该控制方法包括下列步骤：
获得排出阀上游部分的压力变化量，所述压力变化是由于所述排出阀的打开操作而发生；和
基于积分值或与所述积分值相应的参数值决定排出阀关闭的关闭时间，其中通过从所述排出阀打开时开始关于时间求所述压力变化量的积分来获得所述积分值。
17.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括设在废气通道中的气/液分离装置，所述废气通道是从燃料电池排出的燃料气体经过的通道，和所述气/液分离装置将水从所述燃料气体中分离出来并将水积聚起来；和与所述气/液分离装置相连的排出阀，其能将所述燃料气体与积聚在所述气/液分离装置中的水一道排出到燃料电池系统的外部，该控制方法包括下列步骤：
基于在所述燃料电池中产生的水量估计积聚在所述气/液分离装置中的水量，其中基于所述燃料电池产生的电力量计算在所述燃料电池中产生的水量；和
基于估计的积聚水量决定排出阀关闭的关闭时间。
18.一种燃料电池系统，包括：
通过被供以氢和氧而产生电力的燃料电池；
废气通道，从所述燃料电池排出的燃料气体通过所述废气通道；
设在所述燃料废气通道中的气/液分离装置，其将水从所述燃料气体中分离出来并将水积聚起来；
与所述气/液分离装置相连的排出阀，其能将所述燃料气体与积聚在所述气/液分离装置中的水一道排出到燃料电池系统的外部；和
控制所述排出阀的打开/关闭操作的控制器，其中
所述控制器检测或估计由于所述排出阀的打开操作而发生的在所述排出阀上游部分的压力变化，和基于积分值或与所述积分值相应的参数值决定排出阀关闭的关闭时间，其中通过从所述排出阀打开时开始关于时间求排出阀上游部分的压力变化量的积分来获得所述积分值。
19.一种燃料电池系统，包括：
通过被供以氢和氧而产生电力的燃料电池；
废气通道，从所述燃料电池排出的燃料气体通过所述废气通道；
设在所述燃料废气通道中的气/液分离装置，其将水从所述燃料气体中分离出来并将水积聚起来；
与所述气/液分离装置相连的排出阀，其能将所述燃料气体与积聚在所述气/液分离装置中的水一道排出到燃料电池系统的外部；和
控制所述排出阀的打开/关闭操作的控制器，其中
所述控制器基于在所述燃料电池中产生的水量估计积聚在所述气/液分离装置中的水量，并基于该估计的积聚水量决定排出阀关闭的关闭时间，其中基于所述燃料电池产生的电力量计算在燃料电池中产生的水量。
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