燃料电池系统和用于其开启/关闭机构的控制方法转让专利
申请号 : CN200580015506.9
文献号 : CN1954453B
文献日 : 2010-05-05
发明人 : 菅野善仁
申请人 : 丰田自动车株式会社
摘要 :
在燃料电池系统(10)中，在燃料电池(20)开始工作时，阳极排气排放管(50)充满氢气。当燃料电池(20)工作时随着时间的流逝，阳极排气排放管(50)内的杂质浓度增加。当氢气浓度小于用于开启阀门的基准浓度时，上游截止阀(61)关闭，下游截止阀(62)开启。因此，阳极排气排放管(50)中的杂质浓度快速下降，恢复到燃料电池(20)开始工作时的水平。阳极排气排放管(50)中的压力和外部空气压力之间的压力差和浓度梯度导致杂质浓度的这种突然下降。
权利要求 :
1.一种燃料电池系统(10)，包括：
燃料电池(20)，其具有用于排放阳极排气的阳极排气出口(212)；
阳极排气排放管(50)，其连接燃料电池(20)的阳极排气出口(212)，并适于累积包含在燃料电池(20)的阳极排气中的杂质(IM)；
布置在阳极排气排放管(50)中的若干开启/关闭机构(61，62)，其能在开启状态和关闭状态之间切换，分别允许和阻止流体流过阳极排气排放管(50)；和控制部(60)，用于开启和关闭若干开启/关闭机构(61，62)，
其特征在于
所述控制部(60)在燃料电池(20)正常操作期间，关闭所述若干开启/关闭机构(61，62)中布置在最远下游处的最下游开启/关闭机构(62)，并开启所述若干开启/关闭机构(61，62)中除所述最下游开启/关闭机构(62)之外的至少一个开启/关闭机构(61)，以便将杂质(IM)累积在所述最下游开启/关闭机构(62)的上游处的阳极排气排放管(50)中，并且所述控制部(60)在燃料电池(20)排放操作期间，关闭除所述最下游开启/关闭机构(62)之外的至少一个开启/关闭机构(61)，并开启所述最下游开启/关闭机构(62)，以便将已经累积在阳极排气排放管(50)中的杂质(IM)与阳极排气一起排放到燃料电池系统(10)的外部。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统(10)，还包括：
浓度检测器(63)，其适于检测所述最下游开启/关闭机构(62)上游的阳极排气排放管(50)中的杂质浓度(Dh)；
其中，当由浓度检测器(63)检测的杂质浓度(Dh)高于第一预定浓度(Dhrefo)时，所述控制部(60)关闭除所述最下游开启/关闭机构(62)之外的至少一个开启/关闭机构(61)，并开启所述最下游开启/关闭机构(62)。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，当所述最下游开启/关闭机构开启时，浓度检测器(63)检测所述最下游开启/关闭机构和关闭的开启/关闭机构之间的杂质浓度。
4.如权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中，当已经高于第一预定浓度的杂质浓度变得低于第二预定浓度时，控制部(60)关闭所述最下游开启/关闭机构(62)。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，基于已经高于第一预定浓度的杂质浓度变得低于第二预定浓度的事实，当关闭所述最下游开启/关闭机构(62)时，控制部(60)开启若干开启/关闭机构(61，62)中除所述最下游开启/关闭机构(62)之外的至少一个开启/关闭机构(61)。
6.如权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中，浓度检测器(63)检测所述最下游开启/关闭机构(62)上游的阳极排气排放管中的氢气浓度，并根据已检测的氢气浓度检测杂质浓度。
7.如权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中，浓度检测器(63)检测燃料电池的输出电压，并根据已检测的输出电压检测杂质浓度。
8.如权利要求2所述的燃料电池系统，还包括：
流速检测装置，其用于检测阳极排气流经所述最下游开启/关闭机构(62)下游的阳极排气排放管的流速，其中当所述最下游开启/关闭机构(62)开启时，且当检测到的阳极排气流速低于预定流速时，控制部(60)关闭所述最下游开启/关闭机构(62)。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中，流速检测装置包括第一压力检测器(64)和第二压力检测器(65)，该第一压力检测器(64)设置在所述最下游开启/关闭机构(62)上游的阳极排气排放管中并检测阳极排气压力，该第二压力检测器(65)设置在所述最下游开启/关闭机构(62)下游的阳极排气排放管中并检测阳极排气压力，其中，当检测的杂质浓度高于第一预定浓度以及所述最下游开启/关闭机构(62)开启时，如果第一压力检测器(64)检测的阳极排气压力与第二压力检测器(65)检测的阳极排气压力之间的压力差等于或者小于预定压力，控制部(60)判断检测的阳极排气流速小于预定流速，并关闭所述最下游开启/关闭机构(62)。
10.如权利要求8至9中任一项所述的燃料电池系统，其中，基于检测到的阳极排气流速变得小于预定流速的事实，当所述最下游开启/关闭机构(62)关闭时，控制部(60)开启若干开启/关闭机构(61，62)中除所述最下游开启/关闭机构(62)之外的至少一个开启/关闭机构(61)。
11.如权利要求1至3、8至9中任一项所述的燃料电池系统，其中，若干开启/关闭机构(61，62)为两个开启/关闭机构，一个是所述最下游开启/关闭机构，一个是上游开启/关闭机构，该上游开启/关闭机构布置在所述最下游开启/关闭机构的上游。
12.如权利要求1至3、8至9中任一项所述的燃料电池系统，其中，若干开启/关闭机构(61，62)是阀门。
13.如权利要求1至3、8至9中任一项所述的燃料电池系统，还包括：
燃料气体供给部，其以恒定的压力向燃料电池供给燃料气体。
14.一种用于燃料电池系统(10)中若干开启/关闭机构(61，62)的控制方法，所述若干开启/关闭机构布置在连接燃料电池(20)的阳极排气排放管(50)中，并可在开启和关闭之间切换，所述控制方法包括以下步骤：在燃料电池(20)正常工作的过程中，关闭若干开启/关闭机构(61，62)中布置在最远下游处的最下游开启/关闭机构(62)；
检测所述最下游开启/关闭机构(62)上游的阳极排气排放管(50)中的杂质浓度；并且当检测的杂质浓度高于预定浓度时，关闭若干开启/关闭机构(61，62)中除所述最下游开启/关闭机构(62)之外的至少一个开启/关闭机构(61)，并开启所述最下游开启/关闭机构(62)，以便将已经累积在阳极排气排放管(50)中的杂质(IM)与阳极排气一起排放到燃料电池系统(10)的外部。
说明书 :
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，该燃料电池系统包括单电池的燃料电池或者若干单电池堆叠在一起的燃料电池，本发明还涉及用于所述燃料电池系统开启/关闭机构的控制方法。
背景技术
在工作时不排放燃料电池中的燃料气体的燃料电池中(例如JP(A)9-312167公开的燃料电池)，电极催化剂被杂质覆盖，例如当燃料电池工作时随着时间的流逝累积在燃料电池中的氮气和水气。因此，削弱电极催化剂中的电动势反应，导致输出电压的下降。
为了对付该问题，在工作时不排放燃料电池中的燃料气体的相关领域的燃料电池中，当输出电压等于或小于预定基准电压时，燃料电池中包含杂质(阳极侧)的阳极排气被排放到燃料电池外部，试图恢复输出电压。
但是，在工作时不排放燃料电池中的燃料气体的相关领域的燃料电池中，尤其在燃料电池组的每个电池端部几乎没有燃料气体的流动或扩散，所以杂质趋向于在那儿累积，使产生足够的功率变得困难。因此，燃料电池的输出电压经常下降，以致不能获得必需的输出电压，除非更经常地清除累积在燃料电池中的杂质。在这种情况下，因为当杂质排出时燃料电池中的燃料气体也排出，所以燃料电池的燃料效率性能下降。
为了对付该问题，在工作时不排放燃料电池中的燃料气体的相关领域的燃料电池中，当输出电压等于或小于预定基准电压时，燃料电池中包含杂质(阳极侧)的阳极排气被排放到燃料电池外部，试图恢复输出电压。
但是，在工作时不排放燃料电池中的燃料气体的相关领域的燃料电池中，尤其在燃料电池组的每个电池端部几乎没有燃料气体的流动或扩散，所以杂质趋向于在那儿累积，使产生足够的功率变得困难。因此，燃料电池的输出电压经常下降，以致不能获得必需的输出电压，除非更经常地清除累积在燃料电池中的杂质。在这种情况下，因为当杂质排出时燃料电池中的燃料气体也排出，所以燃料电池的燃料效率性能下降。
发明内容
因而本发明的目标是在工作时不排放燃料电池中的燃料气体的燃料电池中，抑制燃料电池性能的下降，并改善燃料电池的燃料效率性能。
根据本发明第一方面的燃料电池系统设置有燃料电池，其具有阳极排气出口，阳极排气通过所述出口排出；阳极排气排放管，其连接燃料电池的阳极排气出口；若干开启/关闭机构，其布置在阳极排气排放管中，能在开启(也就是，处于允许流经排放管的状态)和关闭(也就是，处于阻止流经排放管的状态)之间切换；和控制部，在燃料电池正常工作的过程中，控制部关闭若干开启/关闭机构中布置在最远下游处的最下游开启/关闭机构，当最下游开启/关闭机构开启时，控制部关闭若干开启/关闭机构中除最下游开启/关闭机构之外的至少一个开启/关闭机构。
因为燃料电池系统设置有若干开启/关闭机构和控制部，所以降低从燃料电池中排出的氢气数量是可能的。因此，在工作时不排放燃料电池中的阳极排气的燃料电池中，抑制燃料电池性能的下降，改善燃料电池的燃料效率性能。
燃料电池系统还包括浓度检测器，其检测最下游开启/关闭机构上游的阳极排气排放管中的杂质浓度，以致当浓度检测器检测的杂质浓度高于第一预定浓度时，即使燃料电池在正常工作，控制部仍开启最下游开启/关闭机构.根据该结构，阳极排气排放管中已经累积的阳极排气中的杂质可排放到燃料电池的外部，这有助于累积在燃料电池端部的阳极排气中的杂质移动到阳极排气排放管中.此外，因为只有当阳极排气排放管中的杂质浓度高于第一预定浓度时才开启最下游开启/关闭机构，所以燃料电池排放的氢气数量减少.
当最下游开启/关闭机构开启时，浓度检测器还检测最下游开启/关闭机构和关闭的开启/关闭机构之间的杂质浓度。
当已经高于第一预定浓度的杂质浓度变得低于第二预定浓度时，控制部还关闭最下游开启/关闭机构，第二预定浓度低于第一预定浓度。这种结构使得根据杂质浓度确定关闭最下游开启/关闭机构的时刻成为可能。它还使得利用浓度监测器的检测结果确定在开启和关闭之间切换最下游开启/关闭机构成为可能。
基于已经高于第一预定浓度的杂质浓度变得低于第二预定浓度的事实，当最下游开启/关闭机构将被关闭时，控制部还关闭最下游开启/关闭机构，并开启若干开启/关闭机构中除最下游开启/关闭机构之外的至少一个开启/关闭机构。这种结构使得减少从阳极排气排放管中排出的氢气数量成为可能。
浓度检测器还检测最下游开启/关闭机构上游的阳极排气排放管中的氢气浓度，并根据已检测的氢气浓度检测杂质浓度。
浓度检测器还检测燃料电池的输出电压，根据已检测的输出电压检测杂质浓度。
燃料电池系统还包括流速检测装置，其用于检测阳极排气流经最下游开启/关闭机构下游的阳极排气排放管的流速，以致当最下游开启/关闭机构开启时，且当检测的阳极排气流速低于预定流速时，控制部关闭最下游开启/关闭机构。这种结构使得基于阳极排气排放管中阳极排气的流速确定关闭最下游开启/关闭机构的时刻成为可能。同样，因为流速检测装置与浓度检测器一起使用，即使流速检测装置和浓度检测器中之一发生故障，使用另一个确定何时关闭最下游开启/关闭机构也是可能的。
流速检测装置可以包括第一压力检测器和第二压力检测器，第一压力检测器设置在最下游开启/关闭机构上游的阳极排气排放管中，检测阳极排气压力，第二压力检测器设置在最下游开启/关闭机构下游的阳极排气排放管中，检测阳极排气压力。此外，当第一压力检测器检测的阳极排气压力与第二压力检测器检测的阳极排气压力之间的压力差等于或者小于预定压力时，且当检测的杂质浓度高于第一预定浓度、以及最下游开启/关闭机构开启时，控制部可判断检测的阳极排气流速小于预定流速，并关闭最下游开启/关闭机构。
当压力差小于预定值时，控制部可判断检测的阳极排气流速小于预定流速，并关闭最下游开启/关闭机构。
基于检测的阳极排气流速变得小于预定流速的事实，当最下游开启/关闭机构关闭时，控制部可开启若干开启/关闭机构中除最下游开启/关闭机构之外的至少一个开启/关闭机构。
若干开启/关闭机构为两个开启/关闭机构，一个是最下游开启/关闭机构，一个是上游开启/关闭机构，上游开启/关闭机构布置在最下游开启/关闭机构的上游。这种结构实现抑制燃料电池性能的下降，同时采用简单的结构改善燃料效率性能。
若干开启/关闭机构是阀门。
燃料电池系统还包括燃料气体供给部，其以恒定的压力向燃料电池供给燃料气体。这种结构实现预定数量的燃料气体恒定地供给到燃料电池。
本发明的第二方面涉及用于燃料电池系统中开启/关闭机构的控制方法，该燃料电池系统设置有布置在阳极排气排放管中的若干开启/关闭机构，阳极排气排放管连接燃料电池，若干开启/关闭机构可在开启和关闭之间切换，其中，在燃料电池正常工作的过程中，关闭若干开启/关闭机构中布置在最远下游处的最下游开启/关闭机构。该控制方法包括以下步骤：检测最下游开启/关闭机构上游的阳极排气排放管中的杂质浓度；当检测的杂质浓度高于第一预定浓度时，关闭若干开启/关闭机构中除最下游开启/关闭机构之外的至少一个开启/关闭机构，并开启最下游开启/关闭机构。
根据该控制方法，可获得与根据本发明第一方面的燃料电池系统获得的相同的工作效果。另外，根据本发明第二方面的控制方面可由类似于根据本发明第一方面的燃料电池系统的多种方式实现。同样，根据本发明第二方面的用于燃料电池系统中开启/关闭机构的控制方法可实现为由计算机执行的程序，或者实现为由计算机读取的记录介质，该程序存储在该记录介质上。
根据本发明第一方面的燃料电池系统设置有燃料电池，其具有阳极排气出口，阳极排气通过所述出口排出；阳极排气排放管，其连接燃料电池的阳极排气出口；若干开启/关闭机构，其布置在阳极排气排放管中，能在开启(也就是，处于允许流经排放管的状态)和关闭(也就是，处于阻止流经排放管的状态)之间切换；和控制部，在燃料电池正常工作的过程中，控制部关闭若干开启/关闭机构中布置在最远下游处的最下游开启/关闭机构，当最下游开启/关闭机构开启时，控制部关闭若干开启/关闭机构中除最下游开启/关闭机构之外的至少一个开启/关闭机构。
因为燃料电池系统设置有若干开启/关闭机构和控制部，所以降低从燃料电池中排出的氢气数量是可能的。因此，在工作时不排放燃料电池中的阳极排气的燃料电池中，抑制燃料电池性能的下降，改善燃料电池的燃料效率性能。
燃料电池系统还包括浓度检测器，其检测最下游开启/关闭机构上游的阳极排气排放管中的杂质浓度，以致当浓度检测器检测的杂质浓度高于第一预定浓度时，即使燃料电池在正常工作，控制部仍开启最下游开启/关闭机构.根据该结构，阳极排气排放管中已经累积的阳极排气中的杂质可排放到燃料电池的外部，这有助于累积在燃料电池端部的阳极排气中的杂质移动到阳极排气排放管中.此外，因为只有当阳极排气排放管中的杂质浓度高于第一预定浓度时才开启最下游开启/关闭机构，所以燃料电池排放的氢气数量减少.
当最下游开启/关闭机构开启时，浓度检测器还检测最下游开启/关闭机构和关闭的开启/关闭机构之间的杂质浓度。
当已经高于第一预定浓度的杂质浓度变得低于第二预定浓度时，控制部还关闭最下游开启/关闭机构，第二预定浓度低于第一预定浓度。这种结构使得根据杂质浓度确定关闭最下游开启/关闭机构的时刻成为可能。它还使得利用浓度监测器的检测结果确定在开启和关闭之间切换最下游开启/关闭机构成为可能。
基于已经高于第一预定浓度的杂质浓度变得低于第二预定浓度的事实，当最下游开启/关闭机构将被关闭时，控制部还关闭最下游开启/关闭机构，并开启若干开启/关闭机构中除最下游开启/关闭机构之外的至少一个开启/关闭机构。这种结构使得减少从阳极排气排放管中排出的氢气数量成为可能。
浓度检测器还检测最下游开启/关闭机构上游的阳极排气排放管中的氢气浓度，并根据已检测的氢气浓度检测杂质浓度。
浓度检测器还检测燃料电池的输出电压，根据已检测的输出电压检测杂质浓度。
燃料电池系统还包括流速检测装置，其用于检测阳极排气流经最下游开启/关闭机构下游的阳极排气排放管的流速，以致当最下游开启/关闭机构开启时，且当检测的阳极排气流速低于预定流速时，控制部关闭最下游开启/关闭机构。这种结构使得基于阳极排气排放管中阳极排气的流速确定关闭最下游开启/关闭机构的时刻成为可能。同样，因为流速检测装置与浓度检测器一起使用，即使流速检测装置和浓度检测器中之一发生故障，使用另一个确定何时关闭最下游开启/关闭机构也是可能的。
流速检测装置可以包括第一压力检测器和第二压力检测器，第一压力检测器设置在最下游开启/关闭机构上游的阳极排气排放管中，检测阳极排气压力，第二压力检测器设置在最下游开启/关闭机构下游的阳极排气排放管中，检测阳极排气压力。此外，当第一压力检测器检测的阳极排气压力与第二压力检测器检测的阳极排气压力之间的压力差等于或者小于预定压力时，且当检测的杂质浓度高于第一预定浓度、以及最下游开启/关闭机构开启时，控制部可判断检测的阳极排气流速小于预定流速，并关闭最下游开启/关闭机构。
当压力差小于预定值时，控制部可判断检测的阳极排气流速小于预定流速，并关闭最下游开启/关闭机构。
基于检测的阳极排气流速变得小于预定流速的事实，当最下游开启/关闭机构关闭时，控制部可开启若干开启/关闭机构中除最下游开启/关闭机构之外的至少一个开启/关闭机构。
若干开启/关闭机构为两个开启/关闭机构，一个是最下游开启/关闭机构，一个是上游开启/关闭机构，上游开启/关闭机构布置在最下游开启/关闭机构的上游。这种结构实现抑制燃料电池性能的下降，同时采用简单的结构改善燃料效率性能。
若干开启/关闭机构是阀门。
燃料电池系统还包括燃料气体供给部，其以恒定的压力向燃料电池供给燃料气体。这种结构实现预定数量的燃料气体恒定地供给到燃料电池。
本发明的第二方面涉及用于燃料电池系统中开启/关闭机构的控制方法，该燃料电池系统设置有布置在阳极排气排放管中的若干开启/关闭机构，阳极排气排放管连接燃料电池，若干开启/关闭机构可在开启和关闭之间切换，其中，在燃料电池正常工作的过程中，关闭若干开启/关闭机构中布置在最远下游处的最下游开启/关闭机构。该控制方法包括以下步骤：检测最下游开启/关闭机构上游的阳极排气排放管中的杂质浓度；当检测的杂质浓度高于第一预定浓度时，关闭若干开启/关闭机构中除最下游开启/关闭机构之外的至少一个开启/关闭机构，并开启最下游开启/关闭机构。
根据该控制方法，可获得与根据本发明第一方面的燃料电池系统获得的相同的工作效果。另外，根据本发明第二方面的控制方面可由类似于根据本发明第一方面的燃料电池系统的多种方式实现。同样，根据本发明第二方面的用于燃料电池系统中开启/关闭机构的控制方法可实现为由计算机执行的程序，或者实现为由计算机读取的记录介质，该程序存储在该记录介质上。
附图说明
参考附图，根据下面对优选实施例的说明，本发明的上述和其它的目的、特征和优势将变得显而易见，其中相同的附图标记用于表示相同的元件，其中：
图1是阐述根据本发明示例性实施例燃料电池系统结构的一个示例的代表性视图；
图2是根据示例性实施例燃料电池中阳极排气排放过程的程序的流程图；
图3是显示根据示例性实施例燃料电池中杂质累积和排放中一个状态的代表性视图；
图4是显示根据示例性实施例燃料电池中杂质累积和排放中另一个状态的代表性视图；
图5还是显示根据示例性实施例燃料电池中杂质累积和排放中另一个状态的代表性视图；
图6是显示示例性实施例中阳极排气排放管中氢气浓度和杂质浓度的变化时间；和
图7是阐述根据本发明另一个示例性实施例的燃料电池中阳极排气排放过程的程序的流程图。
图1是阐述根据本发明示例性实施例燃料电池系统结构的一个示例的代表性视图；
图2是根据示例性实施例燃料电池中阳极排气排放过程的程序的流程图；
图3是显示根据示例性实施例燃料电池中杂质累积和排放中一个状态的代表性视图；
图4是显示根据示例性实施例燃料电池中杂质累积和排放中另一个状态的代表性视图；
图5还是显示根据示例性实施例燃料电池中杂质累积和排放中另一个状态的代表性视图；
图6是显示示例性实施例中阳极排气排放管中氢气浓度和杂质浓度的变化时间；和
图7是阐述根据本发明另一个示例性实施例的燃料电池中阳极排气排放过程的程序的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述根据本发明的燃料电池系统的示例性实施例。
现在参考图1描述根据一个示例性实施例的燃料电池系统的示意性结构。图1是根据一个示例性实施例的燃料电池系统结构的一个示例的代表性视图。
参考图1，燃料电池系统10包括燃料电池20、高压氢罐30、高压氢罐截止阀40、阳极排气排放管(下文简称“排放管”)50、控制电路60、上游截止阀61、和下游截止阀62。
例如，燃料电池20是燃料电池组，其中若干单电池堆叠在一起.每个单电池包括膜电极组、阳极隔板和阴极隔板，阳极隔板和阴极隔板把膜电极组夹在中间.例如，膜电极组包括聚合物电解膜、催化剂层和扩散层(也就是，电极)，催化剂层和扩散层形成在聚合物电解膜的两侧上.燃料电池20产生的功率接着供给到负载66，例如电动机.
燃料电池20设置有燃料气体流动路径21(也就是，燃料气体歧管)和氧化气体流动路径22(也就是，氧化气体歧管)，该燃料气体流动路径为每个单电池提供燃料气体，该氧化气体流动路径为每个单电池提供氧化气体。供给到燃料气体流动路径21的燃料气体供给到未显示的、在每个单电池中形成的电池内部燃料气体流动路径。在燃料气体流动路径21的上游端有燃料气体进气部211，该燃料气体进气部用于将高压氢罐30供给的燃料气体引入燃料气体流动路径21。在燃料气体流动路径的下游端有燃料气体排放部212，该燃料气体排放部用于将通过燃料气体流动路径21流动的燃料气体排放到燃料电池20的外部。在氧化气体流动路径22的上游端有氧化气体进气部221，该氧化气体进气部用于将氧化气体引入氧化气体流动路径22。在氧化气体流动路径22的下游端有氧化气体排放部222，该氧化气体排放部用于将通过氧化气体流动路径22流动的氧化气体排放到燃料电池20的外部。
高压氢罐30存储作为燃料气体的氢气。燃料气体供给线31在高压氢罐30和燃料电池20的燃料气体进气部211之间提供连通。在该示例性实施例中，燃料气体供给源是高压氢罐30。但是，可选择地，燃料气体供给源可以是使用氢吸收合金的氢罐、存储富氢气的富氢气存储容器，或者是产生富氢气的富氢气发生器。
高压氢罐截止阀40和氢气压力调节阀41布置在燃料气体供给线31中。高压氢罐截止阀40开启和关闭高压氢罐30和燃料气体供给线31之间的连通。氢气压力调节阀41降低燃料气体的压力(高压)，以致氢气压力调节阀41上游压力和氢气压力调节阀41下游压力之间的压力差变成预定的压力差，氢气压力调节阀41接着在已降低的压力下向燃料电池20提供燃料气体。也就是说，在该示例性实施例中，根据燃料电池20中消耗的燃料气体数量来控制供给到燃料电池20的燃料气体流速，以致供给到燃料电池20的燃料气体压力为恒定。
燃料电池20的燃料气体排放部212连接排放管50。在根据该示例性实施例的燃料电池系统10中，燃料电池20中的杂质IM不会累积在燃料电池20的端部(下游区域)DS，而是累积在排放管50中。更具体地说，燃料电池20(也就是，燃料气体流动路径21)中产生的杂质IM被流经燃料电池20的燃料气体流动路径21的排气携带到燃料气体流动路径21的端部区域DS。由于排气流经燃料气体流动路径21到达端部区域DS，阻止了已经到达燃料电池20的燃料气体流动路径21端部区域DS的杂质IM朝燃料电池20的上游移动和由于燃料气体流动路径21和端部区域DS之间的浓度差的扩散，因此随着杂质在排放管50和端部区域DS之间扩散，它们朝着排放管50连续移动。
上游截止阀61布置在排放管50的上游(也就是在排放管50与燃料电池20连接的端部)，下游截止阀62布置在排放管50的下游。上游截止阀61响应于来自控制电路60的控制信号，在开启和关闭燃料电池20和排放管50之间的连通之间切换。下游截止阀62响应于来自控制电路60的控制信号，在开启和关闭排放管50和外部空气之间的连通之间切换。
氢气浓度传感器63设置在排放管50中的上游截止阀61和下游截止阀62之间，以便检测排放管50中的杂质浓度.通过使用氢气浓度传感器63检测排放管50中的氢气浓度，可相对检测排放管50中的杂质浓度(氮气浓度).也就是说，当燃料电池20第一次开始工作时，氢气浓度传感器63检测的排放管50中的氢气浓度较高，当杂质IM从阳极移动和累积时，氢气浓度接着下降(也就是，杂质浓度增加).
第一压力传感器64也设置在排放管50中的上游截止阀61和下游截止阀62之间。第一压力传感器64检测上游截止阀61和下游截止阀62之间排放管50中的压力。此外，第二压力传感器65布置在排放管50中的下游截止阀62的下游。该第二压力传感器65检测下游截止阀62下游的排放管50中的压力。
根据该示例性实施例的燃料电池20起到阳极排气不再循环的燃料电池的作用，该燃料电池工作时通过开启上游截止阀61和关闭下游截止阀62而不再循环阳极排气。在根据该示例性实施例的燃料电池20中，从燃料气体排放部212排出的阳极排气不会再次注入燃料气体进气部211。同样，开启下游截止阀62能使已经累积在排放管50(燃料电池20)中的杂质IM与阳极排气一起排放到燃料电池系统10的外部。阳极排气指包括杂质IM例如水气和氮气的燃料气体，其用于电动势反应。燃料电池20中的端部区域(或者下游区域)DS指燃料电池20中的燃料气体排放部212附近的区域，杂质IM在此处累积。
控制电路60用作控制装置，其控制燃料电池系统10的工作，包括中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)等。控制电路60通过信号线连接上游截止阀61、下游截止阀62、氢气浓度传感器63以及第一和第二压力传感器64、65。
现在简要描述根据该示例性实施例的燃料电池系统10的工作。燃料气体从高压氢罐30以预定的压力供给到燃料电池20的燃料气体进气部211。因而，当燃料气体遵循电动势反应在燃料电池20中消耗，且燃料电池20的燃料气体流动路径21中的压力(其由燃料气体供给线30中的压力确定)下降到低于预定压力时，通过操作氢气压力调节阀41供给新的燃料气体，直到燃料电池20中的压力到达预定压力。换句话说，相应于燃料电池20消耗数量的一定数量的新燃料气体从高压氢罐30供给到燃料电池20的燃料气体进气部211。但是，实际上，包括水和氮气的杂质从氧化气体流动路径22渗透聚合物电解膜到达燃料电池20的燃料气体流动路径21，因此从高压氢罐30供给到燃料电池20的燃料气体进气部21的燃料气体数量实际上少于燃料电池20消耗的数量。
包括水和氮气的杂质IM因浓度差在燃料电池20中从氧化气体流动路径22扩散到燃料气体流动路径21，而渗透聚合物电解膜。当供给燃料气体时，已经通至燃料电池20中的燃料气体流动路径21的杂质IM接着被燃料气体朝着燃料气体流动路径21的下游区域DS携带。在燃料电池20的正常工作中，上游截止阀61开启，下游截止阀62关闭。因而，已经携带到燃料气体流动路径21的下游区域DS的杂质IM因浓度差通过扩散而累积在下游截止阀62上游的排放管50中。已经累积在下游截止阀62上游的排放管50中的杂质IM通过下述过程从排放管50排出，也就是，从燃料电池系统10排出。
现在参考图2至6描述根据该示例性实施例燃料电池系统10排放杂质IM的工作。图2根据该示例性实施例燃料电池20中阳极排气排放过程的程序的流程图。图3至5是根据该示例性实施例燃料电池系统10中杂质IM累积/排放中各个状态的代表性视图。图6是阐述根据该示例性实施例阳极排气排放管中氢气浓度和杂质浓度的变化时间。
控制电路60以预定时间间隔重复执行图2所示程序.控制电路60通过开启上游截止阀61和关闭下游截止阀62而起动燃料电池20的工作.当控制电路60起动程序时，它首先通过氢气浓度传感器63获取下游截止阀62上游的排放管50中的氢气浓度Dh(也就是，步骤S100).控制电路60接着判断氢气浓度Dh是否小于用于开启下游截止阀62的基准浓度Dhrefo(也就是，步骤S110).如果氢气浓度Dh不小于基准浓度Dhrefo(也就是，步骤S110中的“否”)，则结束该程序的循环.如果氢气浓度Dh等于或者大于基准浓度Dhrefo，那么排放管50的内部处于例如如图3所述的状态.也就是说，排放管50没有完全充满杂质IM，因此仍然还有用于更多杂质累积的空间.同样在端部区域DS，氢气被消耗，杂质IM又来自阳极.因此，端部区域DS处的杂质浓度增加.另外，为了替代端部区域DS处消耗的氢气，排放管50内的氢气移动到端部区域DS，如图3所示.这导致杂质因端部区域DS和排放管50之间的浓度差而扩散，从端部区域DS朝着排放管50移动.
另一方面，如果控制电路60已经判断氢气浓度Dh小于基准浓度Dhrefo(也就是，步骤S110中的“是”)，它发送关闭上游截止阀61的命令(也就是，步骤S120)，和开启下游截止阀62的命令(也就是，步骤S 130)。下游截止阀62或者在上游截止阀61关闭的同时开启，或者在上游截止阀61完全关闭之后开启。
当步骤S110的判断为是时，排放管50内部处于例如如图4所示的状态。也就是说，排放管50几乎完全充满杂质IM，因此没有更多的杂质可以累积。在该状态下，杂质IM因浓度差而扩散、从燃料电池20的下游区域DS移动到排放管50是没有希望的。因此，燃料电池20的功率生成性能下降。
在步骤S130之后，控制电路60一直等待，直到分别由第一和第二压力传感器64和65检测的压力P1和P2之间压力差，也就是上游截止阀61和下游截止阀62之间的排放管50中的压力和外部空气压力之间的压力差(P1-P2)，小于用于开启下游截止阀62的基准压力差α(也就是，步骤S140中的“否”)。也就是说，根据压力差(P1-P2)检测排放管50中杂质的排放状态。当该压力差(P1-P2)较高时，杂质强行从排放管50流到外部，因此可期望杂质的有效排放。另一方面，当压力差(P1-P2)下降时，杂质从排放管50到外部的流动减弱，以致不再期望杂质从排放管50到外部的有效排放。
因而，在该示例性实施例中，将不再期望杂质从排放管50到外部的有效排放的压力差作为用于开启下游截止阀62的基准压力差α。使用压力差(P1-P2)判断适合于关闭下游截止阀62的时刻。
当P1-P2＜α(也就是，步骤S140中的“是”)，控制电路60发送关闭下游截止阀62的命令(也就是，步骤S150)，和开启上游截止阀61的命令(也就是，步骤S160)，在此之后结束该程序循环。上游截止阀61或者在下游截止阀62关闭的同时开启，或者在下游截止阀62完全关闭之后开启。
当P1-P2＜α时，排放管50内部处于例如如图5所示的状态。也就是说，已经累积在排放管50中的杂质IM排出燃料电池系统10，因而降低排放管50中的杂质浓度。
该示例性实施例中排放管50中氢气浓度和杂质浓度例如如图6所示波动。如图所示，用于开启下游截止阀62的基准压力差α相对于排放管50中的杂质浓度或者氢气浓度并不总是唯一的，但是在图6中，当压力差(P1-P2)等于用于关闭下游截止阀62的基准压力差α时，用于关闭下游截止阀62的基准值Dhrefs大致相应于排放管50中的杂质浓度(也就是，氢气浓度)。同样，排放管50中的杂质浓度和氢气浓度依赖于下游截止阀62是开启或关闭而变化。
也就是说，当燃料电池20开始工作时，排放管50充满氢气.当燃料电池工作时随着时间流逝，用作缓冲器的排放管50中的杂质IM浓度增加(也就是，氢气浓度下降).当氢气浓度Dh小于用于开启下游截止阀62的基准浓度Dhrefo时，关闭上游截止阀61，开启下游截止阀62，以致因为排放管50中的压力和外部空气压力之间的浓度梯度和压力差，排放管50中的杂质IM从排放管50排出到外部.因此，排放管50中的杂质浓度恢复到燃料电池20开始工作时的水平.
如上所述，根据该示例性实施例的燃料电池系统10包括排放管50中的上游截止阀61和下游截止阀62，该排放管50连接燃料电池20的燃料气体排放部212。控制电路60利用那些截止阀61和62之间排放管50中的氢气浓度或者杂质浓度、以及截止阀61和62之间排放管50中的压力和外部空气压力之间的压力差来控制这些截止阀61和62开启和关闭时刻。因而，在燃料电池系统10中，燃料电池20的端部区域DS附近的杂质IM因浓度差导致的扩散而导入排放管50，因而从燃料电池20(也就是，燃料气体流动路径21)中移除。因此，可以防止因杂质导致的燃料气体流动路径21中燃料气体扩散能力的下降。而且，也可以防止阳极电极被累积的杂质覆盖。因而，将燃料电池20的输出电压总是维持为大致的常数是可能的，它不会受到杂质的影响，因而输出更加稳定的输出电压。此外，进一步增加燃料电池20的端部区域DS中每个单电池的功率生成效率，燃料电池20可提供更加稳定的功率。
还是在该示例性实施例中，当下游截止阀62开启时，上游截止阀61关闭。因而，当排放管50中的杂质排出时，燃料电池20中的氢气不会随着那些杂质一些排出。也就是说，控制电路60控制下游截止阀62和上游截止阀61开启和关闭，以致它们都不能同时完全开启。因此，降低从燃料电池20排出的氢气数量，因而能改善燃料电池的工作效率。
其它示例性实施例
(1)在前述示例性实施例中，利用上游截止阀61和下游截止阀62之间的排放管50中的压力和外部空气压力之间的压力差(P1-P2)检测排放管50内杂质的排放状态。但是，可选择地，使用排放管50中的杂质浓度或者氢气浓度替代压力差。参考图7描述该示例性实施例。图7是阐述根据本发明另一个示例性实施例燃料电池中阳极排气排放过程的程序的流程图。已经在前述示例性实施例中描述过的该示例性实施例中的步骤用于前述示例性实施例中使用的相同的步骤表示，省略这些相同步骤的详细描述。下文的描述着重于该示例性实施例的特征步骤。
在该示例性实施例中，控制电路60在步骤S110中判断排放管50中的氢气浓度Dh是否小于用于开启下游截止阀62的基准浓度Dhrefo。如果氢气浓度Dh小于基准浓度Dhrefo，控制电路60发送关闭上游截止阀61的命令(也就是，步骤S120)，和开启下游截止阀62的命令(也就是，步骤S130)。
控制电路60获取氢气浓度Dh，直到排放管50中的氢气浓度Dh变得等于或者大于用于关闭下游截止阀62的基准浓度Dhrefs(也就是，步骤S135和S145)。当检测到氢气浓度Dh等于或者大于基准浓度Dhrefs时，控制电路60发送关闭下游截止阀62的命令(也就是，步骤S150)和开启上游截止阀61的命令(也就是，步骤S160)。在图6所示示例中，当排放管50中的氢气浓度Dh变得等于用于关闭下游截止阀62的基准浓度Dhrefs时，关闭下游截止阀62。但是，可选择地，关闭下游截止阀62也可在排放管50中的氢气浓度Dh已经超过用于关闭下游截止阀62的基准浓度Dhrefs之后关闭。
该示例性实施例能仅利用排放管50中的氢气浓度或者杂质浓度执行上游截止阀61和下游截止阀62的关闭和开启控制。基准浓度Dhrefs认为是本发明的第一预定浓度，基准浓度Dhrefo认为是本发明的第二预定浓度。此外，基准浓度Dhrefo是低于基准浓度Dhrefs的浓度，使下游截止阀62开启的浓度是与使下游截止阀62关闭的浓度不同的浓度。
(2)描述的上述示例性实施例使用燃料电池系统10，其设置有两个截止阀，也就是，下游截止阀62和上游截止阀61。但是，可选择地，可设置任意数目的截止阀，也就是一个或多个。在设置多个截止阀的情况下，前述示例性实施例中的下游截止阀62是最下游截止阀，上游截止阀61是除最下游截止阀之外的任意截止阀。当最下游截止阀开启，且除最下游截止阀之外的任意截止阀关闭时，可获得前述示例性实施例中获得的相同的效果和优势。
(3)在前述示例性实施例中，通过使用氢气浓度传感器63检测氢气浓度来获取杂质浓度。但是，可选择地，预先获得燃料电池20的输出电压和燃料电池20中杂质浓度之间的相互关系，电压传感器检测燃料电池20的输出电压，基于从电压传感器获取的输出电压检测杂质浓度。同样在前述示例性实施例中，根据上游截止阀61和下游截止阀62之间的排放管50中的压力和外部空气压力之间的压力差感测排放管50中阳极排气的流速(也就是，排放速度)。但是，可选择地，使用流量计感测流速。
(4)在前述示例性实施例中，燃料电池20具有聚合物电解膜。但是，可选择地，燃料电池20具有设置在电解膜上的金属或者非金属氢气分隔膜。例如，当由分隔膜确定燃料电池20的压力阻抗，且使用机械强度非常大的分隔膜时，通过增加供给到阳极的氢气压力可相对降低杂质浓度，以便当燃料电池的输出下降时增加氢气数量。因此，可减少截止阀62开启的次数。
(5)在前述示例性实施例中，所述燃料电池是多个单电池堆叠在一起的燃料电池，但是本发明还可应用于只具有单个电池的燃料电池。
(6)前述示例性实施例没有详细描述供给氧化气体的方式，但是例如它可由外部空气泵供给。
尽管参考本发明的示例性实施例描述了本发明的燃料电池系统，但是应理解那些示例性实施例用于帮助理解本发明，本发明并不局限于示例性实施例或结构。相反，本发明覆盖各种修改和等同装置，本发明的范围由后附权利要求书指示，而不是前述说明书，因而在与权利要求书等同的意义和范围内所有的变化和修改都包括在本发明中。
现在参考图1描述根据一个示例性实施例的燃料电池系统的示意性结构。图1是根据一个示例性实施例的燃料电池系统结构的一个示例的代表性视图。
参考图1，燃料电池系统10包括燃料电池20、高压氢罐30、高压氢罐截止阀40、阳极排气排放管(下文简称“排放管”)50、控制电路60、上游截止阀61、和下游截止阀62。
例如，燃料电池20是燃料电池组，其中若干单电池堆叠在一起.每个单电池包括膜电极组、阳极隔板和阴极隔板，阳极隔板和阴极隔板把膜电极组夹在中间.例如，膜电极组包括聚合物电解膜、催化剂层和扩散层(也就是，电极)，催化剂层和扩散层形成在聚合物电解膜的两侧上.燃料电池20产生的功率接着供给到负载66，例如电动机.
燃料电池20设置有燃料气体流动路径21(也就是，燃料气体歧管)和氧化气体流动路径22(也就是，氧化气体歧管)，该燃料气体流动路径为每个单电池提供燃料气体，该氧化气体流动路径为每个单电池提供氧化气体。供给到燃料气体流动路径21的燃料气体供给到未显示的、在每个单电池中形成的电池内部燃料气体流动路径。在燃料气体流动路径21的上游端有燃料气体进气部211，该燃料气体进气部用于将高压氢罐30供给的燃料气体引入燃料气体流动路径21。在燃料气体流动路径的下游端有燃料气体排放部212，该燃料气体排放部用于将通过燃料气体流动路径21流动的燃料气体排放到燃料电池20的外部。在氧化气体流动路径22的上游端有氧化气体进气部221，该氧化气体进气部用于将氧化气体引入氧化气体流动路径22。在氧化气体流动路径22的下游端有氧化气体排放部222，该氧化气体排放部用于将通过氧化气体流动路径22流动的氧化气体排放到燃料电池20的外部。
高压氢罐30存储作为燃料气体的氢气。燃料气体供给线31在高压氢罐30和燃料电池20的燃料气体进气部211之间提供连通。在该示例性实施例中，燃料气体供给源是高压氢罐30。但是，可选择地，燃料气体供给源可以是使用氢吸收合金的氢罐、存储富氢气的富氢气存储容器，或者是产生富氢气的富氢气发生器。
高压氢罐截止阀40和氢气压力调节阀41布置在燃料气体供给线31中。高压氢罐截止阀40开启和关闭高压氢罐30和燃料气体供给线31之间的连通。氢气压力调节阀41降低燃料气体的压力(高压)，以致氢气压力调节阀41上游压力和氢气压力调节阀41下游压力之间的压力差变成预定的压力差，氢气压力调节阀41接着在已降低的压力下向燃料电池20提供燃料气体。也就是说，在该示例性实施例中，根据燃料电池20中消耗的燃料气体数量来控制供给到燃料电池20的燃料气体流速，以致供给到燃料电池20的燃料气体压力为恒定。
燃料电池20的燃料气体排放部212连接排放管50。在根据该示例性实施例的燃料电池系统10中，燃料电池20中的杂质IM不会累积在燃料电池20的端部(下游区域)DS，而是累积在排放管50中。更具体地说，燃料电池20(也就是，燃料气体流动路径21)中产生的杂质IM被流经燃料电池20的燃料气体流动路径21的排气携带到燃料气体流动路径21的端部区域DS。由于排气流经燃料气体流动路径21到达端部区域DS，阻止了已经到达燃料电池20的燃料气体流动路径21端部区域DS的杂质IM朝燃料电池20的上游移动和由于燃料气体流动路径21和端部区域DS之间的浓度差的扩散，因此随着杂质在排放管50和端部区域DS之间扩散，它们朝着排放管50连续移动。
上游截止阀61布置在排放管50的上游(也就是在排放管50与燃料电池20连接的端部)，下游截止阀62布置在排放管50的下游。上游截止阀61响应于来自控制电路60的控制信号，在开启和关闭燃料电池20和排放管50之间的连通之间切换。下游截止阀62响应于来自控制电路60的控制信号，在开启和关闭排放管50和外部空气之间的连通之间切换。
氢气浓度传感器63设置在排放管50中的上游截止阀61和下游截止阀62之间，以便检测排放管50中的杂质浓度.通过使用氢气浓度传感器63检测排放管50中的氢气浓度，可相对检测排放管50中的杂质浓度(氮气浓度).也就是说，当燃料电池20第一次开始工作时，氢气浓度传感器63检测的排放管50中的氢气浓度较高，当杂质IM从阳极移动和累积时，氢气浓度接着下降(也就是，杂质浓度增加).
第一压力传感器64也设置在排放管50中的上游截止阀61和下游截止阀62之间。第一压力传感器64检测上游截止阀61和下游截止阀62之间排放管50中的压力。此外，第二压力传感器65布置在排放管50中的下游截止阀62的下游。该第二压力传感器65检测下游截止阀62下游的排放管50中的压力。
根据该示例性实施例的燃料电池20起到阳极排气不再循环的燃料电池的作用，该燃料电池工作时通过开启上游截止阀61和关闭下游截止阀62而不再循环阳极排气。在根据该示例性实施例的燃料电池20中，从燃料气体排放部212排出的阳极排气不会再次注入燃料气体进气部211。同样，开启下游截止阀62能使已经累积在排放管50(燃料电池20)中的杂质IM与阳极排气一起排放到燃料电池系统10的外部。阳极排气指包括杂质IM例如水气和氮气的燃料气体，其用于电动势反应。燃料电池20中的端部区域(或者下游区域)DS指燃料电池20中的燃料气体排放部212附近的区域，杂质IM在此处累积。
控制电路60用作控制装置，其控制燃料电池系统10的工作，包括中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)等。控制电路60通过信号线连接上游截止阀61、下游截止阀62、氢气浓度传感器63以及第一和第二压力传感器64、65。
现在简要描述根据该示例性实施例的燃料电池系统10的工作。燃料气体从高压氢罐30以预定的压力供给到燃料电池20的燃料气体进气部211。因而，当燃料气体遵循电动势反应在燃料电池20中消耗，且燃料电池20的燃料气体流动路径21中的压力(其由燃料气体供给线30中的压力确定)下降到低于预定压力时，通过操作氢气压力调节阀41供给新的燃料气体，直到燃料电池20中的压力到达预定压力。换句话说，相应于燃料电池20消耗数量的一定数量的新燃料气体从高压氢罐30供给到燃料电池20的燃料气体进气部211。但是，实际上，包括水和氮气的杂质从氧化气体流动路径22渗透聚合物电解膜到达燃料电池20的燃料气体流动路径21，因此从高压氢罐30供给到燃料电池20的燃料气体进气部21的燃料气体数量实际上少于燃料电池20消耗的数量。
包括水和氮气的杂质IM因浓度差在燃料电池20中从氧化气体流动路径22扩散到燃料气体流动路径21，而渗透聚合物电解膜。当供给燃料气体时，已经通至燃料电池20中的燃料气体流动路径21的杂质IM接着被燃料气体朝着燃料气体流动路径21的下游区域DS携带。在燃料电池20的正常工作中，上游截止阀61开启，下游截止阀62关闭。因而，已经携带到燃料气体流动路径21的下游区域DS的杂质IM因浓度差通过扩散而累积在下游截止阀62上游的排放管50中。已经累积在下游截止阀62上游的排放管50中的杂质IM通过下述过程从排放管50排出，也就是，从燃料电池系统10排出。
现在参考图2至6描述根据该示例性实施例燃料电池系统10排放杂质IM的工作。图2根据该示例性实施例燃料电池20中阳极排气排放过程的程序的流程图。图3至5是根据该示例性实施例燃料电池系统10中杂质IM累积/排放中各个状态的代表性视图。图6是阐述根据该示例性实施例阳极排气排放管中氢气浓度和杂质浓度的变化时间。
控制电路60以预定时间间隔重复执行图2所示程序.控制电路60通过开启上游截止阀61和关闭下游截止阀62而起动燃料电池20的工作.当控制电路60起动程序时，它首先通过氢气浓度传感器63获取下游截止阀62上游的排放管50中的氢气浓度Dh(也就是，步骤S100).控制电路60接着判断氢气浓度Dh是否小于用于开启下游截止阀62的基准浓度Dhrefo(也就是，步骤S110).如果氢气浓度Dh不小于基准浓度Dhrefo(也就是，步骤S110中的“否”)，则结束该程序的循环.如果氢气浓度Dh等于或者大于基准浓度Dhrefo，那么排放管50的内部处于例如如图3所述的状态.也就是说，排放管50没有完全充满杂质IM，因此仍然还有用于更多杂质累积的空间.同样在端部区域DS，氢气被消耗，杂质IM又来自阳极.因此，端部区域DS处的杂质浓度增加.另外，为了替代端部区域DS处消耗的氢气，排放管50内的氢气移动到端部区域DS，如图3所示.这导致杂质因端部区域DS和排放管50之间的浓度差而扩散，从端部区域DS朝着排放管50移动.
另一方面，如果控制电路60已经判断氢气浓度Dh小于基准浓度Dhrefo(也就是，步骤S110中的“是”)，它发送关闭上游截止阀61的命令(也就是，步骤S120)，和开启下游截止阀62的命令(也就是，步骤S 130)。下游截止阀62或者在上游截止阀61关闭的同时开启，或者在上游截止阀61完全关闭之后开启。
当步骤S110的判断为是时，排放管50内部处于例如如图4所示的状态。也就是说，排放管50几乎完全充满杂质IM，因此没有更多的杂质可以累积。在该状态下，杂质IM因浓度差而扩散、从燃料电池20的下游区域DS移动到排放管50是没有希望的。因此，燃料电池20的功率生成性能下降。
在步骤S130之后，控制电路60一直等待，直到分别由第一和第二压力传感器64和65检测的压力P1和P2之间压力差，也就是上游截止阀61和下游截止阀62之间的排放管50中的压力和外部空气压力之间的压力差(P1-P2)，小于用于开启下游截止阀62的基准压力差α(也就是，步骤S140中的“否”)。也就是说，根据压力差(P1-P2)检测排放管50中杂质的排放状态。当该压力差(P1-P2)较高时，杂质强行从排放管50流到外部，因此可期望杂质的有效排放。另一方面，当压力差(P1-P2)下降时，杂质从排放管50到外部的流动减弱，以致不再期望杂质从排放管50到外部的有效排放。
因而，在该示例性实施例中，将不再期望杂质从排放管50到外部的有效排放的压力差作为用于开启下游截止阀62的基准压力差α。使用压力差(P1-P2)判断适合于关闭下游截止阀62的时刻。
当P1-P2＜α(也就是，步骤S140中的“是”)，控制电路60发送关闭下游截止阀62的命令(也就是，步骤S150)，和开启上游截止阀61的命令(也就是，步骤S160)，在此之后结束该程序循环。上游截止阀61或者在下游截止阀62关闭的同时开启，或者在下游截止阀62完全关闭之后开启。
当P1-P2＜α时，排放管50内部处于例如如图5所示的状态。也就是说，已经累积在排放管50中的杂质IM排出燃料电池系统10，因而降低排放管50中的杂质浓度。
该示例性实施例中排放管50中氢气浓度和杂质浓度例如如图6所示波动。如图所示，用于开启下游截止阀62的基准压力差α相对于排放管50中的杂质浓度或者氢气浓度并不总是唯一的，但是在图6中，当压力差(P1-P2)等于用于关闭下游截止阀62的基准压力差α时，用于关闭下游截止阀62的基准值Dhrefs大致相应于排放管50中的杂质浓度(也就是，氢气浓度)。同样，排放管50中的杂质浓度和氢气浓度依赖于下游截止阀62是开启或关闭而变化。
也就是说，当燃料电池20开始工作时，排放管50充满氢气.当燃料电池工作时随着时间流逝，用作缓冲器的排放管50中的杂质IM浓度增加(也就是，氢气浓度下降).当氢气浓度Dh小于用于开启下游截止阀62的基准浓度Dhrefo时，关闭上游截止阀61，开启下游截止阀62，以致因为排放管50中的压力和外部空气压力之间的浓度梯度和压力差，排放管50中的杂质IM从排放管50排出到外部.因此，排放管50中的杂质浓度恢复到燃料电池20开始工作时的水平.
如上所述，根据该示例性实施例的燃料电池系统10包括排放管50中的上游截止阀61和下游截止阀62，该排放管50连接燃料电池20的燃料气体排放部212。控制电路60利用那些截止阀61和62之间排放管50中的氢气浓度或者杂质浓度、以及截止阀61和62之间排放管50中的压力和外部空气压力之间的压力差来控制这些截止阀61和62开启和关闭时刻。因而，在燃料电池系统10中，燃料电池20的端部区域DS附近的杂质IM因浓度差导致的扩散而导入排放管50，因而从燃料电池20(也就是，燃料气体流动路径21)中移除。因此，可以防止因杂质导致的燃料气体流动路径21中燃料气体扩散能力的下降。而且，也可以防止阳极电极被累积的杂质覆盖。因而，将燃料电池20的输出电压总是维持为大致的常数是可能的，它不会受到杂质的影响，因而输出更加稳定的输出电压。此外，进一步增加燃料电池20的端部区域DS中每个单电池的功率生成效率，燃料电池20可提供更加稳定的功率。
还是在该示例性实施例中，当下游截止阀62开启时，上游截止阀61关闭。因而，当排放管50中的杂质排出时，燃料电池20中的氢气不会随着那些杂质一些排出。也就是说，控制电路60控制下游截止阀62和上游截止阀61开启和关闭，以致它们都不能同时完全开启。因此，降低从燃料电池20排出的氢气数量，因而能改善燃料电池的工作效率。
其它示例性实施例
(1)在前述示例性实施例中，利用上游截止阀61和下游截止阀62之间的排放管50中的压力和外部空气压力之间的压力差(P1-P2)检测排放管50内杂质的排放状态。但是，可选择地，使用排放管50中的杂质浓度或者氢气浓度替代压力差。参考图7描述该示例性实施例。图7是阐述根据本发明另一个示例性实施例燃料电池中阳极排气排放过程的程序的流程图。已经在前述示例性实施例中描述过的该示例性实施例中的步骤用于前述示例性实施例中使用的相同的步骤表示，省略这些相同步骤的详细描述。下文的描述着重于该示例性实施例的特征步骤。
在该示例性实施例中，控制电路60在步骤S110中判断排放管50中的氢气浓度Dh是否小于用于开启下游截止阀62的基准浓度Dhrefo。如果氢气浓度Dh小于基准浓度Dhrefo，控制电路60发送关闭上游截止阀61的命令(也就是，步骤S120)，和开启下游截止阀62的命令(也就是，步骤S130)。
控制电路60获取氢气浓度Dh，直到排放管50中的氢气浓度Dh变得等于或者大于用于关闭下游截止阀62的基准浓度Dhrefs(也就是，步骤S135和S145)。当检测到氢气浓度Dh等于或者大于基准浓度Dhrefs时，控制电路60发送关闭下游截止阀62的命令(也就是，步骤S150)和开启上游截止阀61的命令(也就是，步骤S160)。在图6所示示例中，当排放管50中的氢气浓度Dh变得等于用于关闭下游截止阀62的基准浓度Dhrefs时，关闭下游截止阀62。但是，可选择地，关闭下游截止阀62也可在排放管50中的氢气浓度Dh已经超过用于关闭下游截止阀62的基准浓度Dhrefs之后关闭。
该示例性实施例能仅利用排放管50中的氢气浓度或者杂质浓度执行上游截止阀61和下游截止阀62的关闭和开启控制。基准浓度Dhrefs认为是本发明的第一预定浓度，基准浓度Dhrefo认为是本发明的第二预定浓度。此外，基准浓度Dhrefo是低于基准浓度Dhrefs的浓度，使下游截止阀62开启的浓度是与使下游截止阀62关闭的浓度不同的浓度。
(2)描述的上述示例性实施例使用燃料电池系统10，其设置有两个截止阀，也就是，下游截止阀62和上游截止阀61。但是，可选择地，可设置任意数目的截止阀，也就是一个或多个。在设置多个截止阀的情况下，前述示例性实施例中的下游截止阀62是最下游截止阀，上游截止阀61是除最下游截止阀之外的任意截止阀。当最下游截止阀开启，且除最下游截止阀之外的任意截止阀关闭时，可获得前述示例性实施例中获得的相同的效果和优势。
(3)在前述示例性实施例中，通过使用氢气浓度传感器63检测氢气浓度来获取杂质浓度。但是，可选择地，预先获得燃料电池20的输出电压和燃料电池20中杂质浓度之间的相互关系，电压传感器检测燃料电池20的输出电压，基于从电压传感器获取的输出电压检测杂质浓度。同样在前述示例性实施例中，根据上游截止阀61和下游截止阀62之间的排放管50中的压力和外部空气压力之间的压力差感测排放管50中阳极排气的流速(也就是，排放速度)。但是，可选择地，使用流量计感测流速。
(4)在前述示例性实施例中，燃料电池20具有聚合物电解膜。但是，可选择地，燃料电池20具有设置在电解膜上的金属或者非金属氢气分隔膜。例如，当由分隔膜确定燃料电池20的压力阻抗，且使用机械强度非常大的分隔膜时，通过增加供给到阳极的氢气压力可相对降低杂质浓度，以便当燃料电池的输出下降时增加氢气数量。因此，可减少截止阀62开启的次数。
(5)在前述示例性实施例中，所述燃料电池是多个单电池堆叠在一起的燃料电池，但是本发明还可应用于只具有单个电池的燃料电池。
(6)前述示例性实施例没有详细描述供给氧化气体的方式，但是例如它可由外部空气泵供给。
尽管参考本发明的示例性实施例描述了本发明的燃料电池系统，但是应理解那些示例性实施例用于帮助理解本发明，本发明并不局限于示例性实施例或结构。相反，本发明覆盖各种修改和等同装置，本发明的范围由后附权利要求书指示，而不是前述说明书，因而在与权利要求书等同的意义和范围内所有的变化和修改都包括在本发明中。