專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，更加具體地，涉及用來將陰極廢氣循環(huán)到燃料電池以濕潤電解膜的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在燃料電池為聚合物電解膜類型的情況下，其中電解膜夾在陽極和陰極之間，電解膜必須被充分濕潤以改善質(zhì)子傳導(dǎo)性。PCT申請的公布的日文譯文JP-T-8-500931披露了這樣的技術(shù)，其中，在燃料電池中通過電化學(xué)反應(yīng)已生成的含有蒸汽的陰極廢氣，和含氧氣體(空氣)一起被部分地循環(huán)，以便容易地濕潤電解膜。日本專利申請公布號2004-22487A同樣可以被認(rèn)為與本發(fā)明有關(guān)。
可能存在下述情況當(dāng)在低溫環(huán)境下停止系統(tǒng)時(shí)，陰極廢氣中包括的水凍結(jié)了用于控制陰極廢氣循環(huán)的閥門。開通狀態(tài)下的凍結(jié)的閥門未能在系統(tǒng)啟動(dòng)之后適當(dāng)?shù)乜刂脐帢O廢氣的循環(huán)量。這可能向燃料電池供應(yīng)過量的含有蒸汽或氮的陰極廢氣，導(dǎo)致溢流。含氧氣體中氧的分壓減少，以致惡化了發(fā)電效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池系統(tǒng)，其中，將陰極廢氣循環(huán)到燃料電池，以便抑制在低溫環(huán)境下停止燃料電池系統(tǒng)時(shí)造成的各種麻煩。
根據(jù)本發(fā)明的方面，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，其配備有電解膜；循環(huán)通道，通過所述循環(huán)通道，將從燃料電池陰極排放的陰極廢氣供應(yīng)到用于將含氧氣體供應(yīng)到燃料電池的通道；流動(dòng)控制單元，其控制陰極廢氣在循環(huán)通道中的流動(dòng)；停止控制單元，其當(dāng)停止燃料電池系統(tǒng)時(shí)，通過控制流動(dòng)控制單元來停止陰極廢氣在循環(huán)通道中的流動(dòng)；以及啟動(dòng)控制單元，其在燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)之后控制流動(dòng)控制單元，以使得陰極廢氣在循環(huán)通道中的流動(dòng)保持在停止?fàn)顟B(tài)，直到燃料電池被帶入到預(yù)定工作狀態(tài)中為止。
在上述方面中，當(dāng)停止上述構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)時(shí)，停止陰極廢氣的流動(dòng)，并且在這之后，會(huì)繼續(xù)停止陰極廢氣在循環(huán)通道中流動(dòng)的狀態(tài)，直到燃料電池變成預(yù)定狀態(tài)為止。即使在當(dāng)系統(tǒng)操作停止時(shí)因?yàn)槠湓诘蜏丨h(huán)境下被凍結(jié)所以流動(dòng)控制單元處于非工作狀態(tài)的狀態(tài)下啟動(dòng)系統(tǒng)，具有高水或氮含量的陰極廢氣也很難意外地流入到燃料電池中。這使得可以抑制各種麻煩，例如系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的溢流、氧分壓的減少以及由此造成的發(fā)電效率的減少。
在上述構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)中，流動(dòng)控制單元可以包括入口，其接納從陰極排放的陰極廢氣；第一出口，其連接到循環(huán)通道；第二出口，通過所述第二出口，陰極廢氣被排放到不同于循環(huán)通道的通道；以及具有閥體的選擇閥，其在第一出口和第二出口之間選擇，用于排放通過入口接納的陰極廢氣?？梢詷?gòu)造停止控制單元以關(guān)閉已由選擇閥選擇的第一出口，以便停止陰極廢氣在循環(huán)通道中的流動(dòng)?？梢詷?gòu)造啟動(dòng)控制單元以將已由選擇閥選擇的第一出口保持關(guān)閉，以便將陰極廢氣在循環(huán)通道中的流動(dòng)保持在停止?fàn)顟B(tài)。
在上述結(jié)構(gòu)中，選擇閥使得可以容易地控制陰極廢氣流入到循環(huán)通道中。選擇閥可以是包括一個(gè)入口和兩個(gè)出口的三向閥。第二出口可以連接到用于將陰極廢氣排放到大氣中的通道。通過循環(huán)通道之內(nèi)提供的泵，可以控制陰極廢氣流入到循環(huán)通道中。在循環(huán)通道中可以提供并操作開關(guān)閥，以便控制陰極廢氣的流動(dòng)。
在上述構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)中，可以通過電解膜中包含的水的數(shù)量來表示燃料電池的工作狀態(tài)?？梢詷?gòu)造啟動(dòng)控制單元以保持陰極廢氣流動(dòng)的停止?fàn)顟B(tài)，直到水的數(shù)量變得等于或小于預(yù)定數(shù)量為止。
前述系統(tǒng)可以將流動(dòng)控制單元供應(yīng)的陰極廢氣的循環(huán)保持在停止?fàn)顟B(tài)，直到電解膜中包含的水變得不足為止。因此這可以在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)抑制溢流或氧分壓的減少。流動(dòng)控制單元在循環(huán)狀態(tài)下凍結(jié)陰極廢氣的可能性可以減少，以致不會(huì)不必要地循環(huán)陰極廢氣。
在上述構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)中，通過燃料電池的工作溫度表示燃料電池的工作狀態(tài)?？梢詷?gòu)造啟動(dòng)控制單元以保持陰極廢氣流動(dòng)的停止?fàn)顟B(tài)，直到工作溫度變得高于預(yù)定溫度為止。
在上述構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)中，可以構(gòu)造啟動(dòng)控制單元，以基于預(yù)定映射執(zhí)行啟動(dòng)控制，所述預(yù)定映射是這樣的，以致于當(dāng)工作溫度等于或低于預(yù)定溫度時(shí)，陰極廢氣的循環(huán)量變?yōu)榱恪?br> 在上述構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)中，可以通過從燃料電池啟動(dòng)開始累積的總發(fā)電量來表示燃料電池的工作狀態(tài)。可以構(gòu)造啟動(dòng)控制單元以保持陰極廢氣流動(dòng)的停止?fàn)顟B(tài)，直到總發(fā)電量超過預(yù)定量為止。
在上述構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)中，可以通過從燃料電池啟動(dòng)開始的消逝時(shí)間來表示燃料電池的工作狀態(tài)?？梢詷?gòu)造啟動(dòng)控制單元以保持陰極廢氣流動(dòng)的停止?fàn)顟B(tài)，直到消逝時(shí)間達(dá)到預(yù)定時(shí)間為止。
在上述構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)中，可以通過從燃料電池啟動(dòng)開始得到的氫消耗量來表示燃料電池的工作狀態(tài)?？梢詷?gòu)造啟動(dòng)控制單元以保持陰極廢氣流動(dòng)的停止?fàn)顟B(tài)，直到氫消耗量達(dá)到預(yù)定量為止。
在前述系統(tǒng)中，可以通過燃料電池的工作溫度、從燃料電池啟動(dòng)開始的發(fā)電總量、從燃料電池啟動(dòng)開始計(jì)數(shù)的消逝時(shí)間以及氫消耗量來表示燃料電池的工作狀態(tài)，基于此確定陰極廢氣在循環(huán)通道中的流動(dòng)是否要被保持在停止?fàn)顟B(tài)。如果工作溫度相對高，則確定電解膜的水含量不足，因?yàn)閺哪抢镎舭l(fā)了更多的水。如果發(fā)電總量大，或者從燃料電池啟動(dòng)開始消逝的時(shí)間長，或者氫消耗量大，則可以認(rèn)為燃料電池的工作溫度已增加。因此可以確定電解膜的水含量在減少。即使前述工作狀態(tài)用于確定工作狀態(tài)，也可以確定電解膜的水含量是否變得不足。這使得可以抑制溢流、氧分壓的減少。
在上述構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)中，可以構(gòu)造停止控制單元以基于外部溫度執(zhí)行停止控制。
可以將本發(fā)明形成為操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括向配備有電解膜的燃料電池供應(yīng)含氧氣體；將從燃料電池陰極排放的陰極廢氣循環(huán)到通過其供應(yīng)含氧氣體的通道；當(dāng)停止燃料電池系統(tǒng)時(shí)，停止陰極廢氣的循環(huán)；以及在燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)之后，將陰極廢氣的循環(huán)保持在停止?fàn)顟B(tài)，直到燃料電池被帶入到預(yù)定工作狀態(tài)為止。


參考附圖，從優(yōu)選實(shí)施例的以下說明中，本發(fā)明的前述以及進(jìn)一步的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，其中相同的數(shù)字用于表示相同的元件，并且其中圖1是示意性顯示燃料電池系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)的示圖；圖2是表示循環(huán)控制程序的流程圖；圖3是表示循環(huán)控制程序的修改的例子的流程圖；以及圖4是示意性顯示作為修改的例子的燃料電池系統(tǒng)100b的結(jié)構(gòu)的示圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照實(shí)施例中的章節(jié)，亦即A.燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、B.陰極廢氣的循環(huán)控制以及C.修改的例子，來說明本發(fā)明，如此來進(jìn)一步闡明本發(fā)明的效果。
A.燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示圖。燃料電池系統(tǒng)100用作電機(jī)110的電源，所述電機(jī)110充當(dāng)例如電動(dòng)車的電源。
參考圖1，燃料電池系統(tǒng)100包括燃料電池10，其一旦接收到氫和氧時(shí)就發(fā)電；壓縮機(jī)20，其將壓縮的空氣供應(yīng)到燃料電池10中；氫罐30，其存儲(chǔ)高壓狀態(tài)下的氫；控制單元60，其執(zhí)行關(guān)于燃料電池系統(tǒng)100的各種類型的控制；等等。
燃料電池10是聚合物電解膜類型的燃料電池，其通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。燃料電池10具有通過堆疊多個(gè)單電池形成的堆結(jié)構(gòu)。單電池中的每一個(gè)都具有電解膜11，其在潮濕狀態(tài)下具有良好的質(zhì)子傳導(dǎo)性，例如Nafion。電解膜11夾在氫電極(在下文中被稱作陽極)12和氧電極(在下文中被稱作陰極)13之間。為了易于理解，在附圖中示意性顯示了燃料電池10。
氫罐30經(jīng)由氫供應(yīng)通道35連接到燃料電池10的陽極12的上游位置。已從氫罐30排放的高壓狀態(tài)下的氫的壓力，通過氫供應(yīng)通道35中提供的減壓閥37被減少到預(yù)定水平，以便供應(yīng)到陽極12中。燃料電池10之內(nèi)的用于電化學(xué)反應(yīng)的尚未被消耗的氫(陽極廢氣)流動(dòng)通過連接到陽極12下游位置的陽極廢氣通道36。陽極廢氣進(jìn)一步由稀釋設(shè)備(未顯示)稀釋，并被排放到燃料電池系統(tǒng)100的外面。
壓縮機(jī)20在燃料電池10的陰極13的上游位置處經(jīng)由空氣供應(yīng)通道25連接到空氣過濾器40。作為空氣過濾器40接納的含氧氣體的空氣，由壓縮機(jī)20加壓，并且通過空氣供應(yīng)通道25流入到燃料電池10的陰極13中。具有通過燃料電池10之內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)消耗的氧的空氣，亦即陰極廢氣，通過連接到陰極13下游位置的陰極廢氣通道26被排放。陰極廢氣通道26配備有調(diào)壓閥27，通過所述調(diào)壓閥27調(diào)節(jié)陰極13之內(nèi)空氣的壓力。
陰極廢氣通道26具有連接到三向閥50的入口51的末端。三向閥50具有入口51和兩個(gè)出口52、53。已通過入口51接納的陰極廢氣可以被選擇性地輸出到出口52和53中的一個(gè)。
三向閥50的第一出口52連接到循環(huán)通道28，其連接在空氣供應(yīng)通道25中的壓縮機(jī)20和空氣過濾器40之間。當(dāng)其穿過循環(huán)通道28時(shí)，陰極廢氣和供應(yīng)給燃料電池10的陰極13的空氣一起由壓縮機(jī)加壓。與此同時(shí)，三向閥50的第二出口53連接到排氣通道29，通過所述排氣通道29，陰極廢氣被排放到大氣中。
已由三向閥50接納的陰極廢氣由控制單元選擇性地輸出。一旦從控制單元60接收到開通信號，實(shí)施例中的三向閥50就使其內(nèi)部閥體運(yùn)動(dòng)，以允許陰極廢氣通道26和循環(huán)通道28之間的連通。當(dāng)接收到關(guān)閉信號時(shí)，陰極廢氣通道26與排氣通道29連通?？刂茊卧?0執(zhí)行開通/關(guān)閉信號的占空比控制，以便調(diào)節(jié)流過循環(huán)通道28的陰極廢氣的流速。在實(shí)施例中，三向閥50充當(dāng)本發(fā)明中的流動(dòng)控制單元。
控制單元60由微型計(jì)算機(jī)形成，所述微型計(jì)算機(jī)在其中包括CPU、RAM和ROM。CPU的輸入端口連接到用于啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)100的啟動(dòng)開關(guān)80以及用于檢測燃料電池10的工作溫度的溫度傳感器70。在使用RAM作為工作區(qū)的同時(shí)，在ROM中存儲(chǔ)的預(yù)定控制程序下，根據(jù)已由溫度傳感器70檢測的燃料電池10的工作溫度，CPU執(zhí)行三向閥50的切換操作?？梢栽谌我馕恢锰幪峁囟葌鞲衅?0，只要它被允許檢測燃料電池10的工作溫度。例如，它可以附著到燃料電池10的外殼，或者附著在陰極廢氣通道26之內(nèi)。可選擇地，它可以在用于冷卻燃料電池10的冷卻系統(tǒng)(未顯示)中提供。在實(shí)施例中，控制單元60充當(dāng)停止控制單元和啟動(dòng)控制單元，如已在上面說明的那樣。
下面來說明燃料電池10之內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)。在燃料電池10中，電化學(xué)反應(yīng)在從氫罐30供應(yīng)到陽極12中的氫和已由壓縮機(jī)20供應(yīng)到陰極13中的空氣中包含的氧之間進(jìn)行，如由以下化學(xué)式所顯示的那樣。
化學(xué)式(1)化學(xué)式(2)化學(xué)式(3)化學(xué)式(1)表示陽極12上的反應(yīng)，化學(xué)式(2)表示陰極13上的反應(yīng)，而化學(xué)式(3)則表示作為整體的在燃料電池10中進(jìn)行的反應(yīng)。如化學(xué)式(1)顯示的那樣，陽極12上的反應(yīng)中生成的電子(e-)通過諸如電機(jī)110之類的外部電路移動(dòng)到陰極13，以供應(yīng)給化學(xué)式(2)表示的反應(yīng)?；瘜W(xué)式(1)表示的反應(yīng)中生成的質(zhì)子(H+)滲透過電解膜11以移動(dòng)到陰極13中，其被供應(yīng)給化學(xué)式(2)表示的反應(yīng)。
化學(xué)式(2)表示的反應(yīng)在陰極13上生成水(H2O)。這樣生成的水(產(chǎn)生的水)部分由電解膜11吸收，部分與陰極廢氣一起被排放。已由電解膜11吸收的水的數(shù)量取決于燃料電池10的工作溫度而波動(dòng)。亦即，如果燃料電池10的工作溫度相對低，例如等于或低于40℃，則要被蒸發(fā)的產(chǎn)生的水的數(shù)量小。那么可以確定電解膜11具有高的水含量。與此同時(shí)，如果燃料電池10的工作溫度相對高，例如等于或高于70℃，則產(chǎn)生的水被蒸發(fā)，以致與陰極廢氣一起被排放。因?yàn)殡娊饽?1中包含的水也被蒸發(fā)，所以可以確定電解膜11的水含量減少。在根據(jù)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)100中，執(zhí)行循環(huán)控制程序，目的是為了通過將含有水的陰極廢氣通過循環(huán)通道28供應(yīng)到陰極13中，來濕潤電解膜11。
B.陰極廢氣的循環(huán)控制圖2是顯示控制單元60執(zhí)行的循環(huán)控制程序的流程圖。程序從燃料電池系統(tǒng)100啟動(dòng)開始連續(xù)地執(zhí)行，直到它被停止為止。
參考圖2，當(dāng)在步驟S100中一旦開通啟動(dòng)開關(guān)80就啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)100時(shí)，控制單元60在步驟S110中停止三向閥50的控制。溫度傳感器70檢測燃料電池10的工作溫度T，其在步驟S 120中與預(yù)定非濕潤上限溫度值Tset相比較。非濕潤上限溫度Tset被設(shè)置為成為用電化學(xué)反應(yīng)中生成的水充分濕潤而不需要用陰極廢氣濕潤電解膜11的燃料電池10的上限工作溫度。在實(shí)施例中，可以將非濕潤上限溫度Tset設(shè)置為40℃。
如果在步驟S120中確定工作溫度T等于或低于非濕潤上限溫度Tset，亦即在步驟S120中得到否，則控制單元60將過程返回到步驟S110，以便將三向閥50的控制繼續(xù)保持在停止?fàn)顟B(tài)下。如在下文中說明的那樣，當(dāng)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)100停止時(shí)，循環(huán)通道28處的三向閥50的出口52總是被關(guān)閉。在上述過程中，陰極廢氣通過排氣通道29被排放到大氣而不會(huì)穿過循環(huán)通道28，直到燃料電池系統(tǒng)100被啟動(dòng)并且燃料電池10的工作溫度T超過非濕潤上限溫度Tset為止。
在步驟S120中，如果確定燃料電池10的工作溫度T超過了非濕潤上限溫度Tset，亦即在步驟S120中得到是，則在步驟S130中，基于ROM中存儲(chǔ)的預(yù)定映射，控制單元60根據(jù)工作溫度T確定要被注入循環(huán)通道28的陰極廢氣的流速。步驟S130中顯示的曲線圖表示了映射的例子，基于所述映射確定陰極廢氣的循環(huán)量。參考該映射，工作溫度T變得越高，陰極廢氣的循環(huán)量就變得越多。因此，可以將較大數(shù)量的水供應(yīng)給陰極13。
當(dāng)在步驟S130中控制單元60確定了陰極廢氣的循環(huán)量時(shí)，在步驟S140中控制三向閥50，以便確定量的陰極廢氣流過循環(huán)通道28。在該控制下，控制單元60向三向閥50輸出開通/關(guān)閉信號，以便隨著陰極廢氣的確定的循環(huán)量的增加而增加第一出口52的閥門開通比率。
在步驟S150中，控制單元60確定隨著啟動(dòng)開關(guān)80的關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)100是否已停止。如果燃料電池系統(tǒng)沒有停止，亦即在步驟S150中得到否，則將過程再次返回到步驟S130，以便根據(jù)燃料電池10的工作溫度T繼續(xù)執(zhí)行陰極廢氣的循環(huán)控制。與此同時(shí)，如果系統(tǒng)停止，亦即在步驟S150中得到是，則在步驟S160中，將關(guān)閉信號發(fā)送到三向閥50以關(guān)閉第一出口52，以便不允許陰極廢氣流過循環(huán)通道28。程序通過過程的執(zhí)行而結(jié)束。在本程序中，燃料電池系統(tǒng)100是否已啟動(dòng)或停止的確定是基于啟動(dòng)開關(guān)80的切換操作進(jìn)行的?？蛇x擇地，在開通啟動(dòng)開關(guān)80之后，當(dāng)通過預(yù)定異常檢測過程未檢測到系統(tǒng)中的異常時(shí)，可以確定燃料電池系統(tǒng)100的啟動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)氫罐30中存儲(chǔ)的氫的數(shù)量變得等于或低于預(yù)定水平時(shí)，同樣可以確定燃料電池系統(tǒng)100的停止?fàn)顟B(tài)。
在實(shí)施例的上述構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)100中，當(dāng)系統(tǒng)停止時(shí)，循環(huán)通道28處的三向閥50的出口52被關(guān)閉。停止系統(tǒng)之后被暴露在低溫環(huán)境下，出口52在開通狀態(tài)下沒有被凍結(jié)。因此，在不需要用陰極廢氣濕潤的非濕潤上限溫度Tset或更低的溫度下啟動(dòng)燃料電池10的情況下，包含充分的水和氮的陰極廢氣沒有意外地流入到燃料電池10中。這可以防止溢流、氧分壓的減少以及諸如發(fā)電效率減少之類的作為結(jié)果的各種不利影響的發(fā)生。
假定在燃料電池系統(tǒng)100啟動(dòng)之后沒有立即凍結(jié)三向閥50的狀態(tài)下開通出口52，當(dāng)三向閥50周圍的溫度低時(shí)，已與陰極廢氣一起提供的低溫水或冰可能凍結(jié)三向閥50的閥體。因此，三向閥50可能變得失控。在實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)100中，通過保持陰極廢氣的循環(huán)停止，不能容易地開通三向閥50，直到系統(tǒng)啟動(dòng)之后的燃料電池10的工作溫度T超過非濕潤上限溫度Tset為止。因此，這可以消除系統(tǒng)工作期間開通的三向閥50的出口52凍結(jié)的可能性。
C.修改的例子如參照本發(fā)明的實(shí)施例已說明的那樣，它不限于上述實(shí)施例，并且可以用各種形式實(shí)現(xiàn)，而不背離本發(fā)明的范圍。例如，在前述實(shí)施例中，一旦系統(tǒng)停止，三向閥50的出口52就總被關(guān)閉，以便防止出口52在開通狀態(tài)下被凍結(jié)。與此同時(shí)，只有當(dāng)基于檢測的外部溫度進(jìn)行關(guān)于凍結(jié)三向閥50的可能性的確定時(shí)，才執(zhí)行這樣的控制。基于除了外部溫度之外的如由收音機(jī)或因特網(wǎng)提供的天氣預(yù)報(bào)或溫度預(yù)報(bào)的這樣的信息，進(jìn)行三向閥50是否被凍結(jié)的確定。本發(fā)明可以修改如下。
修改的例子1圖3是作為循環(huán)控制程序的修改的例子的流程圖。如圖2的流程圖顯示的那樣，在前述實(shí)施例的循環(huán)控制程序中，在啟動(dòng)系統(tǒng)之后，只有當(dāng)燃料電池10的工作溫度T超過非濕潤上限溫度Tset時(shí)，才基于映射調(diào)節(jié)陰極廢氣的循環(huán)量。如圖3的流程圖的步驟S200顯示的那樣，通過映射的使用可以執(zhí)行同樣的過程，其中，在所述映射中，預(yù)先規(guī)定當(dāng)工作溫度T等于或低于非濕潤上限溫度Tset時(shí)，將陰極廢氣的循環(huán)量設(shè)置為零。
在這個(gè)修改的例子中，如圖3所示，在步驟S200中，控制單元60基于映射確定根據(jù)工作溫度T的陰極廢氣的循環(huán)量。如果燃料電池10的工作溫度T等于或低于非濕潤上限溫度Tset，則陰極廢氣的循環(huán)量變?yōu)榱?。然后在步驟S210中控制三向閥50，以便循環(huán)量變成確定的值。在該控制下，如果陰極廢氣的循環(huán)量為零，則三向閥50的出口52保持關(guān)閉。如果系統(tǒng)停止，亦即在步驟S220中得到是，則在步驟S230中，循環(huán)通道28處的三向閥50的出口52被關(guān)閉。在修改的例子中，通過簡單的過程可以執(zhí)行陰極廢氣的循環(huán)控制。
修改的例子2圖4是示意性顯示作為本發(fā)明的修改的例子的燃料電池系統(tǒng)100b的結(jié)構(gòu)的示圖。在上述實(shí)施例中，陰極廢氣向循環(huán)通道28的流動(dòng)由三向閥50控制。與此同時(shí)，在修改的例子中，通過操作循環(huán)通道28一側(cè)和排氣通道29中分別提供的開關(guān)閥55和56，來控制陰極廢氣的循環(huán)。陰極廢氣通道26具有連接到入口51的末端。入口51通過開關(guān)閥55連接到循環(huán)通道28，同樣入口51通過開關(guān)閥56連接到排氣通道29。開關(guān)閥55具有第一出口52，而開關(guān)閥56則具有第二出口53。在修改的例子中，控制單元60開通開關(guān)閥55并且關(guān)閉開關(guān)閥56，目的是為了使陰極廢氣流向循環(huán)通道28。為了停止陰極廢氣的循環(huán)，關(guān)閉開關(guān)閥55，并且開通開關(guān)閥56。上述構(gòu)造的系統(tǒng)使得可以以與實(shí)施例中同樣的方式執(zhí)行陰極廢氣的循環(huán)控制?？蛇x擇地，可以在循環(huán)通道28中提供泵而不是開關(guān)閥55，以便控制陰極廢氣的循環(huán)量。
修改的例子3在前述實(shí)施例中，如圖2中流程圖的步驟S120和S130中顯示的那樣，燃料電池10的工作溫度被檢測，基于此確定是否啟動(dòng)陰極廢氣的循環(huán)，或者調(diào)節(jié)循環(huán)量。然而，像通過溫度傳感器70直接檢測一樣，基于燃料電池的各種工作狀態(tài)可以估計(jì)工作溫度。
例如，燃料電池10的工作溫度隨著從系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間消逝而增加。檢測系統(tǒng)啟動(dòng)后消逝的時(shí)間，基于此估計(jì)燃料電池的工作溫度。系統(tǒng)的工作溫度隨著系統(tǒng)啟動(dòng)之后的總發(fā)電量或氫消耗量的增加而增加?；诒硎鞠到y(tǒng)狀態(tài)的前述值可以估計(jì)燃料電池的工作溫度。從系統(tǒng)啟動(dòng)開始消逝的時(shí)間、系統(tǒng)啟動(dòng)之后的總發(fā)電量以及氫消耗量可以被檢測作為參數(shù)，基于此控制陰極廢氣的循環(huán)量?？蛇x擇地，通過直接檢測電解膜11的水含量，可以執(zhí)行陰極廢氣的循環(huán)控制。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，特征在于包括燃料電池(10)，其配備有電解膜(11)；循環(huán)通道(28)，通過所述循環(huán)通道(28)，將從所述燃料電池(10)的陰極(13)排放的陰極廢氣供應(yīng)到用于將含氧氣體供應(yīng)到所述燃料電池(10)的通道(25)；流動(dòng)控制單元(50，55，56)，其控制所述陰極廢氣在所述循環(huán)通道(28)中的流動(dòng)；停止控制單元(60)，其當(dāng)停止所述燃料電池系統(tǒng)時(shí)，通過控制所述流動(dòng)控制單(50，55，56)來停止所述陰極廢氣在所述循環(huán)通道(28)中的流動(dòng)；以及啟動(dòng)控制單元(60)，其在所述燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)之后控制所述流動(dòng)控制單元(50，55，56)，以使得所述陰極廢氣在所述循環(huán)通道(28)中的流動(dòng)保持在停止?fàn)顟B(tài)，直到所述燃料電池(10)被帶入到預(yù)定工作狀態(tài)中為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述流動(dòng)控制單元(50，55，56)包括入口(51)，其接納從所述陰極(13)排放的所述陰極廢氣；第一出口(52)，其連接到所述循環(huán)通道(28)；第二出口(53)，通過所述第二出口(53)，所述陰極廢氣被排放到不同于所述循環(huán)通道(28)的通道(29)；以及選擇單元，其在所述第一出口(52)和所述第二出口(53)之間選擇，用于排放通過所述入口(51)接納的所述陰極廢氣；所述停止控制單元(60)關(guān)閉已由所述選擇單元選擇的所述第一出口(52)，以便停止所述陰極廢氣在所述循環(huán)通道(28)中的流動(dòng)；并且所述啟動(dòng)控制單元(60)將已由所述選擇單元選擇的所述第一出口(52)保持關(guān)閉，以便將所述陰極廢氣在所述循環(huán)通道(28)中的流動(dòng)保持在停止?fàn)顟B(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述流動(dòng)控制單元(50)包括入口(51)，其接納從所述陰極(13)排放的所述陰極廢氣；第一出口(52)，其連接到所述循環(huán)通道(28)；第二出口(53)，通過所述第二出口(53)，所述陰極廢氣被排放到不同于所述循環(huán)通道(28)的通道(29)；以及具有閥體的選擇閥，其在所述第一出口(52)和所述第二出口(53)之間選擇，用于排放通過所述入口(51)接納的所述陰極廢氣；所述停止控制單元(60)關(guān)閉已由所述選擇閥選擇的所述第一出口(52)，以便停止所述陰極廢氣在所述循環(huán)通道(28)中的流動(dòng)；并且所述啟動(dòng)控制單元(60)將已由所述選擇閥選擇的所述第一出口(52)保持關(guān)閉，以便將所述陰極廢氣在所述循環(huán)通道(28)中的流動(dòng)保持在停止?fàn)顟B(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述流動(dòng)控制單元包括所述入口(51)，其接納從所述陰極(13)排放的所述陰極廢氣；所述第一出口(52)，其連接到所述循環(huán)通道(28)；所述第二出口(53)，通過所述第二出口(53)，所述陰極廢氣被排放到不同于所述循環(huán)通道(28)的所述通道(29)；第一開關(guān)閥(55)，其允許通過所述入口(51)接納的所述陰極廢氣流入到所述第一出口(52)中；以及第二開關(guān)閥(56)，其允許通過所述入口(51)接納的所述陰極廢氣流入到所述第二出口(53)中；所述停止控制單元(60)關(guān)閉所述第一開關(guān)閥(55)，以便停止所述陰極廢氣在所述循環(huán)通道(28)中的流動(dòng)；并且所述啟動(dòng)控制單元(60)將所述第一開關(guān)閥(55)保持關(guān)閉，以便將所述陰極廢氣在所述循環(huán)通道(28)中的流動(dòng)保持在停止?fàn)顟B(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池(10)的工作狀態(tài)包括所述電解膜(11)的含水量；并且所述啟動(dòng)控制單元(60)保持所述陰極廢氣流動(dòng)的停止?fàn)顟B(tài)，直到所述水量變得等于或小于預(yù)定數(shù)量為止。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池(10)的工作狀態(tài)包括所述燃料電池(10)的工作溫度；并且所述啟動(dòng)控制單元(60)保持所述陰極廢氣流動(dòng)的停止?fàn)顟B(tài)，直到所述工作溫度變得高于預(yù)定溫度為止。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述啟動(dòng)控制單元(60)基于預(yù)定映射執(zhí)行啟動(dòng)控制，所述預(yù)定映射是這樣的，以致于當(dāng)所述工作溫度等于或低于所述預(yù)定溫度時(shí)，所述陰極廢氣的循環(huán)量變?yōu)榱恪?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池(10)的工作狀態(tài)包括從所述燃料電池(10)的啟動(dòng)開始累積的總發(fā)電量；并且所述啟動(dòng)控制單元(60)保持所述陰極廢氣流動(dòng)的停止?fàn)顟B(tài)，直到所述總發(fā)電量超過預(yù)定量為止。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池(10)的工作狀態(tài)包括從所述燃料電池(10)的啟動(dòng)開始的消逝時(shí)間；并且所述啟動(dòng)控制單元(60)保持所述陰極廢氣流動(dòng)的停止?fàn)顟B(tài)，直到所述消逝時(shí)間達(dá)到預(yù)定時(shí)間為止。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池(10)的工作狀態(tài)包括從所述燃料電池(10)的啟動(dòng)開始得到的氫消耗量；并且所述啟動(dòng)控制單元(60)保持所述陰極廢氣流動(dòng)的停止?fàn)顟B(tài)，直到所述氫消耗量達(dá)到預(yù)定量為止。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一個(gè)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述停止控制單元(60)基于外部溫度執(zhí)行停止控制。
12.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，特征在于包括向配備有電解膜(11)的燃料電池(10)供應(yīng)含氧氣體；將從所述燃料電池(10)的陰極(13)排放的陰極廢氣循環(huán)到通過其供應(yīng)所述含氧氣體的通道(25)；當(dāng)停止所述燃料電池系統(tǒng)時(shí)，停止所述陰極廢氣的循環(huán)；以及在所述燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)之后，將所述陰極廢氣的循環(huán)保持在停止?fàn)顟B(tài)，直到所述燃料電池(10)被帶入到預(yù)定工作狀態(tài)為止。
全文摘要
當(dāng)燃料電池系統(tǒng)(100)的操作停止時(shí)，停止陰極廢氣流入到循環(huán)通道(28)中。即使在系統(tǒng)(100)啟動(dòng)之后，也保持陰極廢氣流入到循環(huán)通道(28)中的停止?fàn)顟B(tài)，直到燃料電池(10)被帶入到預(yù)定狀態(tài)為止。這樣的結(jié)構(gòu)防止了三向閥(50)的出口(52)在開通狀態(tài)下被凍結(jié)。因此，含有大量水和氮的陰極廢氣很難意外地流入到燃料電池(10)中。這使得可以抑制各種麻煩，例如系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)溢流的發(fā)生、氧分壓的減少以及由此導(dǎo)致的發(fā)電效率的減少。
文檔編號H01M8/04GK1898831SQ200580001353
公開日2007年1月17日 申請日期2005年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月25日
發(fā)明者菅野善仁 申請人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社