專利名稱：氧傳感器控制器和氧傳感器控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧傳感器控制器和氧傳感器控制方法。
背景技術(shù)：
氧傳感器用于檢測大氣中的氧濃度。當(dāng)氧傳感器異常時，難以準確地檢測氧濃度。 由此，公開了這樣一種技術(shù)，當(dāng)氧傳感器暴露于空氣時，基于傳感器輸出來修正氧傳感器的輸出值(例如，見日本專利申請公布No. 5-172329 (JP-A-5-172329))。在高溫范圍中，氧傳感器具有高響應(yīng)和寬氧濃度檢測范圍。因此，期望的是在高溫范圍中使用氧傳感器。然而，當(dāng)氧傳感器維持在高溫時，可能發(fā)生劣化。當(dāng)氧傳感器用作汽車的A/F傳感器等時，如果認為固定燃料電池的使用壽命是十年，并且考慮到汽車的使用方式——也就是說——汽車很少被連續(xù)使用24小時的事實，則氧傳感器所需的使用壽命被推定為固定燃料電池的使用壽命的一小部分或更低。在這種情況下，即便當(dāng)氧傳感器維持在高溫時，氧傳感器的劣化也不是大問題。但是，當(dāng)氧傳感器被用于要求使用壽命約為十萬小時的固定燃料電池時，由于高溫而造成的氧傳感器劣化變成了大問題。那么，可以設(shè)想的是當(dāng)使用氧傳感器時將氧傳感器的溫度維持在低溫。但是，在低溫范圍中，氧傳感器具有低響應(yīng)和窄氧濃度檢測范圍。因此，在低溫范圍中，當(dāng)校準氧傳感器輸出時，校準精度降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種氧傳感器控制器和氧傳感器控制方法，該氧傳感器控制器和氧傳感器控制方法可以在抑制氧傳感器劣化的同時以高精度校準氧傳感器的輸出。本發(fā)明的第一方面涉及氧傳感器控制器。該氧傳感器控制器包括氧傳感器，其對來自燃燒燃料電池的陽極尾氣的燃燒室的排氣中的氧濃度進行檢測；溫度控制單元，其將氧傳感器溫度調(diào)整到目標溫度；以及校準單元，其校準氧傳感器的輸出。溫度控制單元具有多個目標溫度，當(dāng)校準單元校準氧傳感器的輸出時，從多個目標溫度之中選擇高于或等于第一預(yù)定溫度的校準目標溫度，并在燃料電池的發(fā)電期間，從多個目標溫度之中選擇低于校準目標溫度的目標溫度。在氧傳感器控制器中，在正常發(fā)電期間氧傳感器的目標溫度低， 所以氧傳感器的劣化被抑制。此外，當(dāng)校準單元校準氧傳感器的輸出時，氧傳感器的目標溫度高，所以可以以高精度校準氧傳感器的輸出。從以上描述，可以在抑制氧傳感器劣化的同時以高精度校準氧傳感器的輸出。在氧傳感器控制器中，基于暴露于空氣的氧傳感器的輸出，校準單元可以校準氧傳感器的輸出。氧傳感器控制器可以進一步包括空氣供應(yīng)單元，其將空氣供應(yīng)給燃燒室； 以及掃氣控制單元，其執(zhí)行控制使得當(dāng)校準氧傳感器的輸出時，空氣供應(yīng)單元將空氣供應(yīng)給燃燒室。校準單元可以獲得由氧傳感器檢測的空氣中的氧濃度以及氧傳感器的溫度，并且溫度控制單元可以基于由校準單元獲得的空氣中氧濃度和氧傳感器溫度之間的關(guān)系將第一預(yù)定溫度設(shè)定到最小溫度，在該最小溫度或之上氧傳感器可以檢測空氣中的氧濃度。在這種情況下，氧傳感器的目標溫度可以設(shè)定得低。因此，可以抑制氧傳感器的劣化。在氧傳感器控制器中，溫度控制單元可以將校準目標溫度設(shè)定到第一預(yù)定溫度。在氧傳感器控制器中，基于更新的校準目標溫度，在燃料電池發(fā)電期間，溫度控制單元可以修正目標溫度。在這種情況下，可以基于氧傳感器劣化的狀態(tài)來更新目標溫度。氧傳感器控制器可以進一步包括報警單元，該報警單元在由溫度控制單元更新的校準目標溫度高于或等于第二預(yù)定溫度時向用戶報警，其中第二預(yù)定溫度高于第一預(yù)定溫度。氧傳感器控制器可以進一步包括暖機確定單元，其確定氧傳感器的暖機是否完成，其中第一預(yù)定溫度可以是暖機確定單元確定氧傳感器的暖機完成的暖機完成溫度。在氧傳感器控制器中，當(dāng)在氧傳感器的輸出增加或減小收斂至預(yù)定范圍內(nèi)時，暖機確定單元可以確定氧傳感器的暖機完成。在氧傳感器控制器中，當(dāng)在燃料電池啟動時刻燃燒室被掃氣時，校準單元可以校準氧傳感器的輸出。在氧傳感器控制器中，當(dāng)在燃料電池的操作停止時刻燃燒室被掃氣時，校準單元可以校準氧傳感器的輸出。在氧傳感器控制器中，當(dāng)燃料電池上的負載低于或等于預(yù)定值時，校準單元可以校準氧傳感器的輸出。在氧傳感器控制器中，當(dāng)從前次校準氧傳感器的輸出起已經(jīng)流逝了預(yù)定時間段時，校準單元可以停止燃料電池的操作， 并校準氧傳感器的輸出。本發(fā)明的第二方面涉及一種氧傳感器控制方法。該氧傳感器控制方法包括將氧傳感器的溫度調(diào)整到目標溫度，其中所述氧傳感器對來自燃燒燃料電池的陽極尾氣的燃燒室的排氣中的氧濃度進行檢測；以及校準氧傳感器的輸出，其中，當(dāng)氧傳感器溫度被調(diào)整到目標溫度時，多個目標溫度被設(shè)定，當(dāng)校準氧傳感器的輸出時，從多個目標溫度之中選擇高于或等于第一預(yù)定溫度的校準目標溫度，并且在燃料電池發(fā)電期間，從多個目標溫度之中選擇低于校準目標溫度的目標溫度。在氧傳感器控制方法中，在正常發(fā)電期間氧傳感器的目標溫度低，所以氧傳感器的劣化被抑制。此外，當(dāng)校準氧傳感器的輸出時，氧傳感器的目標溫度高，所以可以以高精度校準氧傳感器的輸出。從以上描述，可以在抑制氧傳感器劣化的同時以高精度校準氧傳感器的輸出。在氧傳感器控制方法中，基于暴露于空氣的氧傳感器的輸出，氧傳感器的輸出可以被校準。氧傳感器控制方法可以進一步包括獲得由氧傳感器檢測到的空氣中氧濃度以及氧傳感器的溫度；以及基于獲得的空氣中的氧濃度和獲得的氧傳感器的溫度之間的關(guān)系，將第一預(yù)定溫度設(shè)定至最小溫度，在該最小溫度處或之上氧傳感器可以檢測空氣中的氧濃度。在這種情況下，氧傳感器的目標溫度可以設(shè)定得低。因此，可以抑制氧傳感器的劣化。在氧傳感器控制方法中，溫度控制單元可以將校準目標溫度設(shè)定至第一預(yù)定溫度。氧傳感器控制方法可以進一步包括基于更新的校準目標溫度，在燃料電池的發(fā)電期間修正目標溫度。在這種情況下，可以基于氧傳感器的劣化狀態(tài)來更新目標溫度。氧傳感器控制方法可以進一步包括在更新的校準目標溫度高于或等于第二預(yù)定溫度時向用戶報警，其中第二預(yù)定溫度高于第一預(yù)定溫度。在氧傳感器控制方法中，當(dāng)在燃料電池啟動時刻燃燒室被掃氣時，可以校準氧傳感器的輸出。在氧傳感器控制方法中，當(dāng)在燃料電池操作停止時刻燃燒室被掃氣時，可以校準氧傳感器的輸出。在氧傳感器控制方法中，當(dāng)燃料電池上的負載低于或等于預(yù)定值時，可以校準氧傳感器的輸出。在氧傳感器控制方法中，當(dāng)從前次校準氧傳感器輸出起已經(jīng)流逝了預(yù)定時間段時，可以停止燃料電池的操作，并校準氧傳感器的輸出。
本發(fā)明的上述方面提供一種氧傳感器控制器和氧傳感器控制方法，該氧傳感器控制器和氧傳感器控制方法可以在抑制氧傳感器劣化的同時以高精度校準氧傳感器的輸出。


本發(fā)明前述的以及更進一步的目標、特征以及優(yōu)點將通過下面參考附圖的示范性實施例的描述而變得清晰，其中相同的附圖標記用于表示相同的部件，并且其中圖1是示出的是燃料電池系統(tǒng)整體構(gòu)造的示意圖，其中根據(jù)本發(fā)明實施例的氧傳感器控制器應(yīng)用于該燃料電池系統(tǒng)；圖2是用于說明根據(jù)本發(fā)明實施例的氧傳感器的細節(jié)的橫截面示意圖；圖3A是用于說明氧傳感器特性的曲線圖；圖3B是用于說明氧傳感器特性的曲線圖；圖4A是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的在燃料電池系統(tǒng)啟動時刻執(zhí)行的流程圖的示例的視圖；圖4B是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的在燃料電池系統(tǒng)停止時刻執(zhí)行的流程圖的示例的視圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的在燃料電池發(fā)電期間執(zhí)行的流程圖的示例的視圖；圖6A是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的傳感器校準程序的示例的流程圖；以及圖6B是用于說明氧傳感器特性的曲線圖。
具體實施例方式在下文中，將描述本發(fā)明的實施例。圖1是示出燃料電池系統(tǒng)100整體構(gòu)造的示意圖，其中根據(jù)本實施例的氧傳感器控制器應(yīng)用于該燃料電池系統(tǒng)。如圖1所示，燃料電池系統(tǒng)100包括控制單元10、陽極材料供應(yīng)單元20、重整水供應(yīng)單元30、陰極空氣供應(yīng)單元40、重整器50、燃料電池60、氧傳感器 70、熱交換器80以及報警裝置90。陽極材料供應(yīng)單元20包括用于給重整單元51供應(yīng)諸如碳氫化合物的燃料氣體的燃料泵等。重整水供應(yīng)單元30包括重整水箱31、重整水泵32等。重整水箱31儲存重整單元51中用于重整反應(yīng)所必需的重整水。重整水泵32用于向重整單元51供應(yīng)儲存在重整水箱31中的重整水。陰極空氣供應(yīng)單元40包括用于向陰極61供應(yīng)諸如空氣的氧化劑氣體的空氣泵等。重整器50包括重整單元51和燃燒室52。燃料電池60具有使電解質(zhì)保持在陰極 61和陽極62之間的結(jié)構(gòu)。報警裝置90用于向用戶等發(fā)出注意、警告等的報警?？刂茊卧?10由中央處理單元(CPU)、只讀存儲器(ROM)、隨機訪問存儲器(RAM)等來形成。接著，將描述燃料電池系統(tǒng)100操作的概況。根據(jù)來自控制單元10的指令，陽極材料供應(yīng)單元20給重整單元51供應(yīng)必要量的燃料氣體。根據(jù)控制單元10的指令，重整水泵32給重整單元51供應(yīng)必要量的重整水。通過使用產(chǎn)生于燃燒室52的熱進行的重整反應(yīng)，重整單元51從燃料氣體和重整水中產(chǎn)生氫。產(chǎn)生的氫供應(yīng)給陽極62。根據(jù)控制單元10的指令，陰極空氣供應(yīng)單元40向陰極61供應(yīng)必要量的陰極空氣。通過上面的操作，電力在燃料電池60中產(chǎn)生。從陰極61釋放的陰極尾氣和從陽極62 釋放的陽極尾氣都流入到燃燒室52中。在燃燒室52中，陽極尾氣與在陰極尾氣中包含的氧進行燃燒。通過燃燒獲得的熱傳遞給重整單元51。以這種方式，在燃料電池系統(tǒng)100中，在陽極尾氣中包含的氫、一氧化碳等可以在燃燒室52中燃燒。氧傳感器70檢測在從燃燒室52排放的排氣中包含的氧濃度，并將檢測結(jié)果傳輸給控制單元10。基于氧傳感器70檢測到的結(jié)果，控制單元10能夠獲得在陽極尾氣中包含的諸如氫、一氧化碳等的可燃氣體的燃燒程度。熱交換器80在自來水和從燃燒室52排放的排氣之間交換熱。從經(jīng)過熱交換的排氣中獲得的凝縮水儲存在重整水箱31。當(dāng)氧傳感器70的目標溫度高于或等于預(yù)定值時，報警裝置90向用戶等發(fā)出注意、警告等報警，該報警提示檢查燃料電池系統(tǒng)100、更換氧傳感器70等。圖2是用于說明氧傳感器70細節(jié)的橫截面圖。如圖2所示，氧傳感器70是限制電流氧傳感器。氧傳感器70具如下結(jié)構(gòu)在電解質(zhì)71的一個表面提供陽極72，在電解質(zhì) 71的另一個表面提供陰極73，并且具有小孔的多孔襯底74被布置為覆蓋陰極73。加熱器 75布置在電解質(zhì)71中。另外，電阻傳感器76連接到電解質(zhì)71。電解質(zhì)71由諸如氧化鋯的氧離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)來形成。陽極72和陰極73由例如鉬制成。陽極72和陰極73經(jīng)由布線形成外部電路。外部電路包括電源77和電流表78。 多孔襯底74由諸如多孔氧化鋁制成。加熱器75由例如鉬薄膜等形成。電阻傳感器76檢測電解質(zhì)71的阻抗以由此檢測電解質(zhì)71的電阻。接著，將描述控制單元10對氧傳感器70執(zhí)行的控制。控制單元10向加熱器75 供應(yīng)電力來加熱電解質(zhì)71。同時，基于電阻傳感器76的檢測結(jié)果，控制單元10獲得電解質(zhì) 71的電阻。電解質(zhì)71的電阻與電解質(zhì)71的溫度具有相關(guān)性?；谶@種相關(guān)性，控制單元 10獲得電解質(zhì)71的溫度。例如，通過反饋控制，控制單元10將電解質(zhì)71的溫度調(diào)整到目標溫度。注意，在以下的描述中，“氧傳感器70的溫度”與電解質(zhì)71的溫度是同義的。在電解質(zhì)71的溫度達到預(yù)定值后，控制單元10控制電源77，使得正電壓施加到陽極72。因為由電源77向陽極72施加正電壓，根據(jù)下面的公式(1)，在陰極73中氧變成氧離子，并且該氧離子經(jīng)由電解質(zhì)71傳導(dǎo)。根據(jù)下面的公式(2)，在陽極72中，氧離子變成氧分子。02+4e" = 202- (1)202- = 02+4e" (2)傳輸給陰極73的氧量由多孔襯底74的小孔來控制，因此基于多孔襯底74的小孔中擴散的氧氣量，來確定由公式(1)和公式(2)的反應(yīng)產(chǎn)生的電流(也就是，限制電流)。 基于多孔襯底74之外的氧濃度，來確定氧氣的擴散量?；陔娏鞅?8檢測到的值，控制單元10獲得氧傳感器70的輸出電流。該氧傳感器70的輸出電流與氧濃度成比例?；谶@種比例性，控制單元10檢測氧傳感器70所暴露環(huán)境的氧濃度。注意，基于通過放大和轉(zhuǎn)換電流表78檢測的電流而得到的電壓，控制單元 10可以檢測氧傳感器70所暴露環(huán)境的氧濃度。另外，在燃料電池系統(tǒng)100啟動時刻、燃料電池系統(tǒng)100停止時刻以及燃料電池系統(tǒng)100發(fā)電期間，控制單元10校準氧傳感器的輸出以計算隨后將要描述的校準因子J。稍后將描述氧傳感器70的輸出的校準細節(jié)。接著，將描述氧傳感器70的特性。圖3A示出氧傳感器70所暴露環(huán)境的氧濃度和氧傳感器70的限制電流之間的關(guān)系。在圖3A中，使用將1限定為100%時的數(shù)值來指示氧濃度。圖3B示出施加到氧傳感器70的電解質(zhì)71的電壓與限制電流之間的關(guān)系。如圖3A所示，限制電流隨著氧濃度的增加而成比例地增加。因此，通過檢測限制電流，可以檢測氧濃度。但是，當(dāng)氧濃度等于或高于預(yù)定值時，限制電流增加的速率降低。因此，氧傳感器70檢測到的氧濃度具有上限。當(dāng)溫度增加時，該上限更高。如圖3B所示，隨著施加到電解質(zhì)71的電壓增加，限制電流增加。但是，當(dāng)氧傳感器70的溫度降低時，對于施加的電壓，限制電流的增加速率降低。在圖3B中，當(dāng)氧傳感器 70的溫度高時(例如，約700°C)，甚至在施加電壓約為0. 4V時空氣中的氧濃度可以被檢測到。另一方面，當(dāng)氧傳感器70的溫度低時(例如，500°C)，在施加電壓約為0.4V時可以被檢測到的氧濃度為約10%。因此，為了擴大氧濃度測量范圍，可以想到的是增加施加到電解質(zhì)71的電壓。在這種情況下，即便當(dāng)氧傳感器70的溫度約為500°C時，空氣中氧濃度也可以被檢測到。但是，當(dāng)施加的電壓提高時，水蒸氣(H2O)和二氧化碳(CO2)之間的干擾發(fā)生， 所以難以確保氧傳感器70的準確性?？紤]到圖3A和圖3B所示的特性，為了檢測寬范圍上的氧濃度，期望的是氧傳感器 70的溫度更高(例如，約700°C)。此外，在高溫范圍中，通過電解質(zhì)71的氧離子的通過量達到預(yù)定量所需的時間減少。因此，也鑒于氧傳感器70的響應(yīng)，期望的是氧傳感器70的溫度更高。從以上描述，要求寬氧濃度檢測范圍和高響應(yīng)的、諸如汽車A/F傳感器的氧傳感器用于高溫范圍中。另一方面，在燃料電池系統(tǒng)中，排氣中幾乎所有的可燃成分是氫。在這種情況下， 排氣的可燃性的限制擴展了。此外，在燃料電池系統(tǒng)100中，陽極尾氣燃燒的熱被重整單元 51吸收，所以燃燒室52中的燃燒火焰溫度相對低。通過這樣做，NOxW排放量減小。結(jié)果， 在燃料電池系統(tǒng)中，僅需要檢測排氣中是否存在一氧化碳。注意，當(dāng)排氣中殘留的氧被檢測到時，可以檢測到不存在一氧化碳。從上面的描述，在燃料電池系統(tǒng)中，氧傳感器所需的響應(yīng)和氧濃度上限可能是低的。在本實施例中，在燃料電池60的發(fā)電期間，控制單元10設(shè)定氧傳感器70的目標溫度較低(例如，500°C )。在這種情況下，在燃料電池系統(tǒng)100中，可以充分地獲得檢測所必需的氧濃度。此外，因為不必將氧傳感器70維持在高溫，可以抑制氧傳感器70的劣化， 尤其是電解質(zhì)71的劣化。因此，正如燃料電池系統(tǒng)的情況，當(dāng)氧傳感器所需的使用壽命長時，可以抑制氧傳感器的劣化。另外，可以減小氧傳感器70的電力消耗。因此，燃料電池系統(tǒng)100的效率提高。另一方面，當(dāng)校準氧傳感器70的輸出時，期望的是氧傳感器70具有高響應(yīng)和寬氧濃度檢測范圍。那么，在本實施例中，當(dāng)控制單元10校準氧傳感器70的輸出時，控制單元 10將氧傳感器70的目標溫度設(shè)定得高(例如，700°C)。在這種情況下，可以以高精度來校準氧傳感器70的輸出。注意，輸出的校準在短時間內(nèi)結(jié)束，所以甚至當(dāng)氧傳感器70的溫度增加時，氧傳感器70的劣化被抑制。如上所述，控制單元10具有多個目標溫度，在燃料電池60發(fā)電期間，從多個目標溫度之中選擇低溫，并且當(dāng)校準氧傳感器70的輸出時，從多個目標溫度之中選擇高溫。因此，可以在抑制氧傳感器劣化的同時以高精度校準氧傳感器的輸出。接著，將參考圖4A到圖6來描述氧傳感器70的輸出的校準細節(jié)。圖4A示出燃料電池系統(tǒng)100啟動時執(zhí)行的流程圖的示例的圖。如圖4A所示，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)100的啟動開關(guān)被接通時，控制單元10控制陰極空氣供應(yīng)單元40，使得空氣被供應(yīng)給陰極61 (步驟 Si)。在這種情況下，空氣作為掃氣氣體以對陰極61和燃燒室52進行掃氣。隨后，控制單元10將電力供應(yīng)給加熱器75以對氧傳感器70進行暖機(步驟S2)。 然后，控制單元10調(diào)用傳感器校準程序(步驟s;3)。之后，控制單元10結(jié)束本流程圖的處理。利用圖4A所示的流程圖，可以在燃料電池系統(tǒng)100啟動時，校準空氣中的氧傳感器70 的輸出。圖4B是示出燃料電池系統(tǒng)100停止時執(zhí)行的流程圖的示例的視圖。如圖4B所示， 當(dāng)燃料電池系統(tǒng)100的停止開關(guān)被接通時，控制單元10控制陰極空氣供應(yīng)單元40，使得空氣被供應(yīng)給陰極61 (步驟Sll)。在這種情況下，對陰極61和燃燒室52進行掃氣。隨后，控制單元10確定掃氣是否完成(步驟S12)。例如，當(dāng)累積的空氣流量達到預(yù)定量時，控制單元10確定掃氣完成。當(dāng)在步驟S12中確定掃氣未完成時，控制單元10再次執(zhí)行步驟S11。當(dāng)在步驟S12中確定掃氣完成時，控制單元10調(diào)用傳感器校準程序(步驟Si； )。之后，控制單元10結(jié)束本流程圖的處理。利用圖4B所示的流程圖，可以在燃料電池系統(tǒng)100停止時，校準空氣中的氧傳感器70的輸出。圖5示出燃料電池60發(fā)電期間執(zhí)行的流程圖的示例的圖。例如，圖5所示的流程圖在燃料電池60發(fā)電期間以60秒間隔來執(zhí)行。如圖5所示，控制單元10確定在前次校準氧傳感器70的輸出之后是否已經(jīng)經(jīng)過了預(yù)定時間段H_max (步驟S21)。時間段H_max可以例如被設(shè)定在672小時(四周)處。當(dāng)在步驟S21中確定尚未經(jīng)過時間段H_max時，控制單元10確定在前次校準氧傳感器70的輸出之后是否已經(jīng)經(jīng)過預(yù)定時間段H_ref ( < H_max)(步驟S22)。時間段H_ref 可以例如被設(shè)定在168小時(一周)處。當(dāng)在步驟S22中確定已經(jīng)經(jīng)過時間段H_ref時， 控制單元10確定當(dāng)前時間是否是午夜(步驟S2!3)。例如，凌晨一點至凌晨三點可以被設(shè)定為午夜時間。當(dāng)在步驟S23中確定當(dāng)前時間是午夜時，控制單元10確定是否燃料電池60仍在持續(xù)以低電力發(fā)電(步驟S24)。例如，當(dāng)發(fā)電以低電力(低于250W)持續(xù)預(yù)定時間段，控制單元10可以確定燃料電池60仍在持續(xù)以低電力發(fā)電。當(dāng)在步驟S24中確定燃料電池60仍在持續(xù)以低電力發(fā)電時，控制單元10控制開關(guān)等使得釋放燃料電池60的負載電路，控制陽極材料供應(yīng)單元20使得停止供應(yīng)陽極材料， 并且控制陰極空氣供應(yīng)單元40使得將空氣供應(yīng)給陰極61 (步驟S25)。通過這樣做，停止燃料電池60的發(fā)電，并執(zhí)行掃氣。此后，控制單元10確定掃氣是否完成(步驟S26)。例如，當(dāng)累積的空氣流量達到預(yù)定量時，控制單元10確定掃氣完成。當(dāng)在步驟S26中確定掃氣未完成時，控制單元10再次執(zhí)行步驟S26。當(dāng)在步驟S26中確定掃氣完成時，控制單元10調(diào)用傳感器校準程序(步驟S27)。之后，控制單元10結(jié)束本流程圖的處理。當(dāng)在步驟S21中確定已經(jīng)經(jīng)過時間段H_max時，控制單元10執(zhí)行步驟S25。因此， 不論是午夜時間或者以低電力發(fā)電，在時間段Hjnax流逝后調(diào)用傳感器校準程序。當(dāng)在步驟S22中確定尚未經(jīng)過時間段H_ref時，當(dāng)在步驟S23中確定當(dāng)前時間不是午夜，或者當(dāng)在步驟S24中確定燃料電池60未在持續(xù)以低電力發(fā)電時，控制單元10結(jié)束本流程圖的處理。利用圖5所示的流程圖，甚至在燃料電池60的發(fā)電期間，但是在前次校準氧傳感器70的輸出之后已經(jīng)經(jīng)過時間段H_ref時，可以當(dāng)對電力供應(yīng)影響小時，例如在午夜時間或者以低電力發(fā)電期間，也就是，當(dāng)燃料電池上的負載低于或等于預(yù)定值時，校準空氣中的氧傳感器70的輸出。注意，民用燃氣的燃氣表等具有在氣體持續(xù)流動預(yù)定時間段或者更長時檢測到氣體泄漏的功能。因此，當(dāng)民用燃氣用作陽極材料時，有必要在預(yù)定時間段流逝之前停止供應(yīng)陽極材料。利用圖5所示的流程圖，即便不是在以低電力發(fā)電期間，也能在當(dāng)已經(jīng)流逝時間段Hjnax時停止發(fā)電，所以可以避免氣體泄漏檢測。此外，可以在相同的之時校準氧傳感器 70的輸出。圖6A是示出傳感器校準程序示例的流程圖。如圖6A所示，控制單元10測量并存儲氧傳感器70的輸出V_sns (步驟S31)。在這種情況下，控制單元10放大和轉(zhuǎn)換由電流表 78檢測到的電流，并獲得結(jié)果電壓作為輸出V_sns。因此，輸出V_sns是與空氣中的氧濃度相關(guān)的參數(shù)。隨后，基于電阻傳感器76檢測到的值，控制單元10測量電解質(zhì)71的電阻R_ sns,并存儲該測量的電阻R_sns (步驟S32)。如圖6B所示，電阻R_sns與電解質(zhì)71溫度T 的倒數(shù)成比例，所以可以通過獲得電阻R_sns來獲得電解質(zhì)71的溫度。然后，控制單元10確定氧傳感器70的溫度是否達到預(yù)定最大值(步驟S3!3)。在這種情況下，控制單元10確定電阻R_sns是否低于或等于電解質(zhì)71的預(yù)定最小值R_min。 例如，該最小值R_min可以被設(shè)定在25 Ω處。注意，最小值R_min可以基于獲得的氧傳感器 70的輸出與獲得的氧傳感器70的溫度之間的關(guān)系被確定為電解質(zhì)71的電阻，其與最小溫度相對應(yīng)，在該最小溫度處或之上可檢測到空氣中的氧濃度。在其或其之上可檢測到空氣中的氧濃度的最小溫度是如下的最小溫度在該溫度處或該溫度之上、在圖3A的曲線中保持氧濃度與限制電流之間的比例性的范圍內(nèi)空氣中的氧濃度是可檢測的。在這種情況下， 可以將氧傳感器70的目標溫度設(shè)定得較低，由此可以在校準氧傳感器70的輸出時抑制劣化。注意，最小值R_min可以在必要時被更新。當(dāng)在步驟S33中確定電阻[sns不低于或等于電解質(zhì)71的預(yù)定最小值R_min時， 控制單元10確定氧傳感器70的暖機是否完成(步驟S34)。在這種情況下，控制單元10確定輸出V_sns的增加或減少是否收斂至預(yù)定值，以由此確定氧傳感器70的暖機是否完成。 具體來說，控制單元10確定輸出V_sns與前一步驟S31處的輸出V_sns[n-1]之間的差是否為士dV_ref。dV_ref是參考值，并且可以例如被設(shè)定在約0.02V處。當(dāng)在步驟S34中確定氧傳感器70的暖機未完成時，控制單元10增加供應(yīng)給加熱器75的電力(步驟S3。。此后，控制單元10確定是否已經(jīng)經(jīng)過預(yù)定時間段(步驟S36)。 在這種情況下，預(yù)定時間段可以是例如被設(shè)定在約3秒處。當(dāng)在步驟S36中確定尚未經(jīng)過該預(yù)定時間段時，控制單元10再次執(zhí)行步驟S36。當(dāng)在步驟S36中確定已經(jīng)經(jīng)過了該預(yù)定時間段時，控制單元10再次執(zhí)行步驟S31。當(dāng)在步驟S33中確定電阻[sns低于或等于電解質(zhì)71的預(yù)定最小值R_min時，或者當(dāng)在步驟S34中確定氧傳感器70的暖機已完成時，控制單元10計算氧濃度的校準因子 J(步驟S37)。在這種情況下，控制單元10根據(jù)下面的公式C3)來計算氧濃度的校準因子J0當(dāng)氧濃度是0%時，參考電壓是輸出V_SnS。因此，氧傳感器70檢測到的氧濃度與(V_ sns-參考電壓)成比例。此外，“0.21”指示空氣中的氧濃度是21%。注意，在下文中，氧傳感器70輸出由校準因子J修正的值。J = (V_sns-參考電壓)/0. 21 (3)隨后，根據(jù)下面的公式，控制單元10計算正常發(fā)電期間氧傳感器70的目標溫度(在本例中為目標電阻)R_ref (步驟S38)。注意，“K”是大于1的值，并且是例如約1. 2。 在這種情況下，正常發(fā)電期間氧傳感器70的目標溫度可以設(shè)定得低于校準氧傳感器70的輸出時的目標溫度。R_ref = K · R_sns (4)然后，控制單元10存儲在步驟S37(步驟S39)中計算校準因子J的時刻。之后， 控制單元10確定傳感器校準程序是否在燃料電池60發(fā)電期間執(zhí)行。在這種情況下，基于圖5所示的流程圖調(diào)用傳感器校準程序的事實，控制單元10可以確定傳感器校準程序在燃料電池60發(fā)電期間執(zhí)行。當(dāng)在步驟S40中確定傳感器校準程序在燃料電池60發(fā)電期間執(zhí)行時，控制單元10重啟燃料電池60的發(fā)電(步驟S41)。當(dāng)在步驟S40中確定傳感器校準程序不在燃料電池60發(fā)電期間執(zhí)行時，或者在執(zhí)行步驟S41之后，控制單元10結(jié)束本流程圖的操作。利用圖6A所示流程圖，可以當(dāng)氧傳感器70具有高響應(yīng)和寬氧濃度檢測范圍時，校準氧傳感器70的輸出。因此，可以以高精度校準氧傳感器70的輸出。此外，在燃料電池60 正常發(fā)電期間氧傳感器70的目標溫度可以被設(shè)定得低。因此，可以在抑制氧傳感器70劣化的同時提高其耐用性。在本實施例中，控制單元10對應(yīng)于溫度控制單元和校準單元，報警裝置90對應(yīng)于報警單元，以及控制單元10和氧傳感器70對應(yīng)于氧傳感器控制器。
1權(quán)利要求
1.一種氧傳感器控制器，包括氧傳感器，所述氧傳感器對來自燃燒燃料電池的陽極尾氣的燃燒室的排氣中的氧濃度進行檢測；溫度控制單元，所述溫度控制單元將所述氧傳感器的溫度調(diào)整到目標溫度；以及校準單元，所述校準單元校準所述氧傳感器的輸出，其中，所述溫度控制單元具有多個目標溫度，當(dāng)所述校準單元校準所述氧傳感器的輸出時，所述溫度控制單元從所述多個目標溫度之中選擇高于或等于第一預(yù)定溫度的校準目標溫度，并且在所述燃料電池的發(fā)電期間，所述溫度控制單元從所述多個目標溫度之中選擇低于所述校準目標溫度的目標溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器控制器，其中，所述校準單元基于暴露于空氣的所述氧傳感器的輸出來校準所述氧傳感器的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器控制器，還包括空氣供應(yīng)單元，所述空氣供應(yīng)單元向所述燃燒室供應(yīng)空氣；以及掃氣控制單元，所述掃氣控制單元執(zhí)行控制以使得當(dāng)校準所述氧傳感器的輸出時，所述空氣供應(yīng)單元向所述燃燒室供應(yīng)空氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項所述的氧傳感器控制器，其中，所述校準單元獲得由所述氧傳感器檢測出的空氣中的氧濃度和所述氧傳感器的溫度， 并且，所述溫度控制單元基于由所述校準單元獲得的所述空氣中的氧濃度與所述氧傳感器的溫度之間的關(guān)系來將所述第一預(yù)定溫度設(shè)定到最小溫度，在所述最小溫度處或之上所述氧傳感器能夠檢測出所述空氣中的氧濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氧傳感器控制器，其中，所述溫度控制單元將所述校準目標溫度設(shè)定為所述第一預(yù)定溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氧傳感器控制器，其中，基于更新的校準目標溫度，所述溫度控制單元修正所述燃料電池的發(fā)電期間的所述目標溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的氧傳感器控制器，還包括報警單元，當(dāng)由所述溫度控制單元更新的所述校準目標溫度高于或等于第二預(yù)定溫度時，所述報警單元向用戶報警，其中所述第二預(yù)定溫度高于所述第一預(yù)定溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項所述的氧傳感器控制器，還包括暖機確定單元，所述暖機確定單元確定所述氧傳感器的暖機是否完成，其中，所述第一預(yù)定溫度是暖機完成溫度，在該暖機完成溫度處，所述暖機確定單元確定所述氧傳感器的暖機完成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氧傳感器控制器，其中，當(dāng)在所述氧傳感器的輸出的增加或減小收斂至預(yù)定范圍內(nèi)時，所述暖機確定單元確定所述氧傳感器的暖機完成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任何一項所述的氧傳感器控制器，其中，當(dāng)在所述燃料電池啟動之時對所述燃燒室進行掃氣時，所述校準單元校準所述氧傳感器的輸出。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任何一項所述的氧傳感器控制器，其中，當(dāng)在所述燃料電池的操作停止之時對所述燃燒室進行掃氣時，所述校準單元校準所述氧傳感器的輸出。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任何一項所述的氧傳感器控制器，其中，當(dāng)所述燃料電池上的負載低于或等于預(yù)定值時，所述校準單元校準所述氧傳感器的輸出ο
13.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任何一項所述的氧傳感器控制器，其中，當(dāng)從前次校準所述氧傳感器的輸出起已經(jīng)流逝預(yù)定時間段時，所述校準單元停止所述燃料電池的操作，并校準所述氧傳感器的輸出。
14.一種氧傳感器控制方法，包括將氧傳感器溫度調(diào)整到目標溫度，所述氧傳感器對來自燃燒燃料電池的陽極尾氣的燃燒室的排氣中的氧濃度進行檢測；以及校準所述氧傳感器的輸出，其中，當(dāng)所述氧傳感器的溫度被調(diào)整至目標溫度時，設(shè)定多個目標溫度，當(dāng)校準所述氧傳感器的輸出時，從所述多個目標溫度之中選擇高于或等于第一預(yù)定溫度的校準目標溫度，并且在所述燃料電池的發(fā)電期間，從所述多個目標溫度之中選擇低于所述校準目標溫度的目標溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的氧傳感器控制方法，其中，基于暴露于空氣的所述氧傳感器的輸出來校準所述氧傳感器的輸出。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的氧傳感器控制方法，還包括獲得由所述氧傳感器檢測出的空氣中的氧濃度和所述氧傳感器的溫度；并且， 基于所獲得的空氣中的氧濃度與所獲得的所述氧傳感器的溫度之間的關(guān)系來將所述第一預(yù)定溫度設(shè)定到最小溫度，在該最小溫度處或之上所述氧傳感器能夠檢測出所述空氣中的氧濃度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的氧傳感器控制方法，還包括 將所述校準目標溫度設(shè)定到所述第一預(yù)定溫度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的氧傳感器控制方法，還包括基于更新的校準目標溫度，修正所述燃料電池的發(fā)電期間的所述目標溫度。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的氧傳感器控制方法，還包括在所述更新的校準目標溫度高于或等于第二預(yù)定溫度時向用戶報警，其中所述第二預(yù)定溫度高于所述第一預(yù)定溫度。
20.根據(jù)權(quán)利要求14至19中任何一項所述的氧傳感器控制方法，其中，當(dāng)在所述燃料電池啟動之時對所述燃燒室進行掃氣時，校準所述氧傳感器的輸出。
21.根據(jù)權(quán)利要求14至19中任何一項所述的氧傳感器控制方法，其中，當(dāng)在所述燃料電池的操作停止之時對所述燃燒室進行掃氣時，校準所述氧傳感器的輸出ο
22.根據(jù)權(quán)利要求14至19中任何一項所述的氧傳感器控制方法，其中， 當(dāng)所述燃料電池上的負載低于或等于預(yù)定值時，校準所述氧傳感器的輸出。
23.根據(jù)權(quán)利要求14至19中任何一項所述的氧傳感器控制方法，其中，當(dāng)從前次校準所述氧傳感器的輸出起已經(jīng)流逝預(yù)定時間段時，停止所述燃料電池的操作，并校準所述氧傳感器的輸出。
全文摘要
在對氧傳感器進行的控制中，氧傳感器的溫度被調(diào)整到目標溫度，并且校準氧傳感器的輸出，其中該氧傳感器對來自燃燒燃料電池的陽極尾氣的燃燒室的排氣中的氧濃度進行檢測。當(dāng)氧傳感器的溫度被調(diào)整到目標溫度時，設(shè)定多個目標溫度，當(dāng)校準氧傳感器的輸出時，從多個目標溫度之中選擇高于或等于第一預(yù)定溫度的校準目標溫度，并且在燃料電池的發(fā)電期間，從多個目標溫度之中選擇低于校準目標溫度的目標溫度。
文檔編號G01N27/406GK102348971SQ201080011482
公開日2012年2月8日 申請日期2010年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月12日
發(fā)明者增井孝年 申請人:豐田自動車株式會社