CN100413136C - 燃料电池系统及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发电效率高、驱动装置小型化的燃料电池系统。本发明是具有使燃料气体循环来进行发电的燃料电池(FC)的燃料电池系统，包括：使燃料气体循环的循环路径(R)；设在循环路径(R)中，并用于使燃料气体循环的驱动装置(PM)；以及调节循环路径(R)中的燃料气体压力的压力调节装置(RG)。并且，根据燃料电池(FC)所要求的发电功率来确定驱动装置(PM)的驱动特性，并确定压力调节装置(RG)的压力调节量，使得补偿基于所确定的驱动装置(PM)的驱动特性的驱动量不足。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，特别涉及对高负荷时用于削减驱动所需消耗功率的控制方法的改进。
背景技术
以往，在使作为燃料气体的氢气在燃料电池中循环以进行发电的燃料电池系统中，相对于燃料电池的发电量、即负荷变动来控制空气的供给压力，对于氢气，是通过改变使氢气强制性循环的氢泵的转速来增减氢气的消耗量的。
例如，在日本专利文献特开2003-68334号公报中公开了将经压缩机加压的空气导入燃料气体压力调节阀中，然后将燃料电池的极间压差调节至规定压差以内的技术。燃料气体由氢泵提供，该氢泵以根据燃料电池的输出需求而加大转速的方式被控制着。同样，在日本专利文献特开昭60-10566号公报中公开有由涡轮提供燃料气体的技术。
发明内容
但是在上述公知技术中，没有考虑在氢泵和涡轮等驱动装置的驱动量和循环路径的压力调节量之间采取调节，特别是当仅通过驱动装置来改变燃料供应量时，有可能产生问题。
即，在泵之类的驱动装置中，随着燃料电池负荷的上升，动力源的动力消耗也上升，因此，特别是在高负荷时，会有系统的综合发电效率恶化的倾向。
另外，若燃料电池高负荷状态下的燃料供应仅依赖于驱动装置的循环量控制，则驱动装置需要耐得住高速旋转，并需要循环大量的燃料气体，由此，驱动装置将不得不大型化。
因此，本发明的目的在于提供一种发电效率高，并使驱动装置小型化的燃料电池系统。
为了解决上述课题，本发明的特征在于，在具有使燃料气体循环来进行发电的燃料电池的燃料电池系统中包括：提供燃料气体的燃料气体供给源；使提供给燃料电池的燃料气体循环的循环路径；设置在循环路径中，用于使燃料气体循环的驱动装置；以及设置在燃料气体供给源和循环路径之间，将循环路径中的燃料气体的压力调节到规定压力的压力调节装置；其中，压力调节装置随燃料电池中所要求的要求气体量的增加，使循环路径的燃料气体的压力上升
另外，本发明为下述的燃料电池系统，其包括：使燃料气体循环来进行发电的燃料电池；向燃料电池提供所述燃料气体的燃料气体供给源；使提供给燃料电池的燃料气体循环的循环路径；设置在循环路径中，用于使燃料气体循环的驱动装置；以及设置在燃料气体供给源和循环路径之间，将循环路径中的燃料气体的压力调节到规定压力的压力调节装置；其中，压力调节装置随燃料电池中所要求的要求气体量的增加，使循环路径的燃料气体的压力上升，并且，对驱动装置的驱动量进行抑制。
另外，本发明是一种具有使燃料气体循环来进行发电的燃料电池的燃料电池系统的驱动方法，包括下述步骤：推测燃料电池所要求的要求气体量的步骤；和随着所推测的要求气体量的增加，使循环路径中的燃料气体的压力上升的步骤，其中所述循环路径使提供给所述燃料电池的燃料气体循环。
根据上述发明，利用燃料气体供应源的压力而根据燃料电池的要求气体量来改变循环路径的压力，从而调节循环路径内的气体密度，由此可适当调节驱动装置的驱动负荷。特别是当要求气体量增大时，通过加大循环路径内的压力，能够增加循环路径内的气体密度，抑制驱动装置的驱动负荷过高，从而可使驱动装置小型化。
在这里，所谓“驱动装置”是使燃料气体强制性循环的结构，包括泵、压缩机和涡轮机等。
另外，所谓“压力调节装置”是可持续改变循环路径的压力的构造物，除了调节阀(调节器)之外，还包括可调节氢发生量的转化器和氢罐之类。至少当以高压提供燃料气体时，优选不会使消耗动力大幅增加的构造物。
在这里，在本发明中，至少在要求气体量高于基准值的区域中，优选对应要求气体量的变化来改变压力调节装置的压力调节量。根据该结构，在要求气体量高的区域中，由于根据燃料气体的压力变化来调节燃料量，因此，可相对减少驱动装置的驱动量，特别是在高负荷时，可减少有显著增加倾向的驱动装置的消耗动力。
在本发明中，虽然可根据驱动装置的驱动特性来任意设定“基准值”，但若以驱动装置的驱动来补偿至少基准值以上的要求气体量的增加部分，则可设定为消耗动力进一步增加的值。
另外，在本发明中，在要求气体量高于基准值的区域中，驱动装置的驱动量的变化率优选比要求气体量低于基准值的区域低。根据该结构，由于驱动装置的驱动量的变化率在要求气体量高的区域中降低了，因此，可减少驱动装置的驱动量，并减少特别在高负荷时有显著增加趋势的驱动装置的消耗动力。
在这里，所谓驱动量的变化率的降低，包括：正的变化率逐渐降低，像渐近线一样趋于饱和；变化率为零(即固定值)；以及变化率为负而减小。
这里，在本发明中，在要求气体量低于基准值的区域中，压力调节装置的压力调节量优选保持在固定值以下。在要求气体量低的区域中，虽然燃料气体的消耗量少，但若在该区域循环路径中的燃料气体的压力过高，则燃料气体向空气极的交叉泄漏(cross leak)会增多，从而使燃料电池的发电效率降低。对于这一点，根据该结构，由于在燃料气体消耗量少的低发电区域中，燃料气体的压力保持在固定值以下，因此，不会发生燃料气体泄漏之类的问题。
在这里，“固定值”例如可选择即使燃料气体的消耗量少，也不会产生燃料气体的气体泄漏那种程度的值。
另外，在本发明中，是基于要求气体量和循环路径内的压力的测量值对驱动装置进行控制的。根据上述结构，若能够把握要求气体量，并能测量循环路径内的当前压力，则可适当确定驱动装置的驱动量，以发挥本发明的作用效果。
根据上述的本发明，当要求气体量增大时，可通过增加循环路径内的压力来增加循环路径内的气体密度，并能够抑制驱动装置的驱动负荷的过高，从而可使驱动装置小型化。另外，可提高燃料电池系统整体的发电效率。
附图说明
图1是说明本发明原理的框图；
图2A是说明本发明第一实施方式的控制方法的、燃料气体消耗量相对于要求负荷的关系图；
图2B是相对于要求负荷的泵转速控制特性图；
图2C是相对于要求负荷的调节阀目标压力控制特性图；
图3是本第一实施方式的燃料电池系统的框图；
图4示出的是说明本第一实施方式的燃料电池系统的控制方法的流程；
图5是气体循环量相对于燃料电池发电功率量的特性图；
图6是泵转速相对于氢泵入口压力的关系图；
图7是氢泵入口压力相对于循环量的关系图；
图8是相对于氢泵入口压力的压力损失推测图；
图9示出的是说明本第二实施方式的燃料电池系统的控制方法的流程；
图10A是本第三实施方式的控制方法的说明图，是燃料气体消耗量相对于要求负荷的关系图；
图10B是相对于要求负荷的泵转速控制特性图；
图10C是相对于要求负荷的调节阀目标压力控制特性图；
图11A是本第四实施方式的控制方法的说明图，是燃料气体消耗量相对于要求负荷的关系图；
图11B是相对于要求负荷的泵转速控制特性图；
图11C是相对于要求负荷的调节阀目标压力控制特性图；
图12是氢泵入口压力、泵转速、以及消耗动力的关系图。
具体实施方式
下面参照附图说明用于实施本发明的最佳实施方式。
(原理说明)
首先参照图1和图2说明本发明的工作原理。
如图1所示，在本发明中形成有向燃料电池FC提供燃料气体L的循环路径R。在循环路径R中设有使燃料气体L强制循环的驱动装置(氢泵)PM。循环路径R的压力p由压力调节装置(调节阀)RG来调节。于是，基于向燃料电池FC要求的发电功率(负荷)来确定驱动装置PM的驱动特性，并根据所确定的驱动装置PM的驱动特性来确定压力调节装置RG的压力调节量以补偿驱动量不足。
图2A示出了燃料气体消耗量相对于燃料电池的要求负荷的关系图。在燃料电池中，由于发生水电解的逆反应，因此，向作为阴极的燃料极一侧提供作为燃料气体的氢气，而向作为阳极的空气极一侧提供含有氧气的空气，并在燃料极一侧发生式(1)所示的反应，在空气极一侧发生式(2)所示的反应，从而使电子循环，电流流动。
H2→2H++2e- …(1)
2H++2e-+(1/2)O2→H2O …(2)
即，电子的生成量和氢气的供应量相互对应，从而可预想到必须有图2A所示的对应关系。
图2B示出了驱动装置PM的驱动特性的示例，图2C示出了以补偿该驱动装置PM的驱动量不足的方式进行调节的压力调节装置RG的调节量的示例。以往燃料电池系统中的燃料量控制方法例如有图2B和图2C中基准值Pth以下区域的控制。即，循环路径R的压力p保持固定(图2C)，主要通过驱动装置PM的驱动量、例如氢泵的转速的增减来应对燃料电池FC的负荷变动。
对此，在本发明的驱动方法中，推测在燃料电池FC中所要求的要求气体量，并随着所推测的要求气体量的增加，升高使提供给燃料电池FC的燃料气体循环的循环路径R中的燃料气体的压力。即，根据发电功率是什么样的值，在这里，根据发电功率是否大于基准值Pth，首先确定驱动装置PM的驱动特性。
图12示出了当作为燃料气体的氢气的循环量固定时氢泵入口压力(即循环路径的压力对应值)和泵转速(即驱动装置的驱动量)及其消耗动力的关系。由图12可知，循环路径的压力越高，作为驱动装置的氢泵的转速就越小，而氢泵的转速越小，消耗动力也就有降低的倾向。
因此在本发明中，如图2B所示，在高负荷区域将驱动装置PM的驱动量定为固定(例如氢泵的转速固定)。即，由于当驱动装置处于高驱动状态(例如氢泵的转速大)时消耗动力有增大的趋势，因此，在高发电功率区域几乎不会变成高驱动状态。另一方面，当驱动装置的驱动量受到抑制时，由于应该提供的燃料气体的循环量受到抑制，因此必须进行补偿。因此在本发明中，压力调节装置RG还要调节压力以补偿驱动装置PM的驱动量的不足。即，如图2C所示，按照压力调节装置RG的压力对应发电功率的增加而上升的方式进行调节，以补偿以固定量进行驱动的驱动装置的驱动量不足。
具体来说，在发电功率高于基准值Pth的区域(Pth的右侧区域)，与低于基准值Pth的区域(Pth的左侧区域)相比，驱动装置PM的驱动量的变化率有所下降(图2B)。并且，在发电功率高于基准值Pth的区域(Pth的右侧区域)，对应发电功率的变化来改变压力调节装置RG的压力调节量(图2C)。根据上述的控制方法，由于可基于发电功率的值来改变驱动装置PM的工作状态，因此，即使没有极大地提高驱动装置PM的驱动量和驱动能力，也可应对燃料电池FC的负荷变动，抑制驱动装置PM的消耗动力，并能够使驱动装置PM小型化。
在这里，尽管切换控制状态的发电功率的基准值Pth非常依赖于驱动装置的驱动特性，但若通过驱动装置PM的驱动来补偿基准值以上的发电功率的增加部分，则设定为消耗动力急剧增加的值即可。
另外，如图2C所示，在发电功率低于基准值Pth的区域(Pth的左侧区域)中，将压力调节装RG的压力调节量控制在固定值P0以下。根据上述控制，可以防止燃料气体向空气极交叉泄漏(cross leak)。该值P0的大小程度为：使得即使在燃料气体的消耗量比较少的区域也不会产生燃料气体的气体泄漏。
但是，并不是一定要基于基准值来调节压力调节量，单纯根据燃料电池的负荷量来进行压力调节也是完全可以的。下面说明第一实施方式中没有基于基准值时的实施方式，并在第二实施方式及其以后说明利用基准值时的实施方式。
(第一实施方式)
下面基于上述原理来说明具体的实施方式。本发明的实施方式是在安装在电动汽车等移动体上的燃料电池系统中应用本发明的控制方法。图3示出了本燃料电池系统的整体系统图。以下的实施方式仅是本发明的一种方式，而本发明的适用范围不限于此。
如图3所示，该燃料电池系统包括：用于向燃料电池组10提供作为燃料的氢气的系统；用于提供空气的系统；以及用于冷却燃料电池组10的系统。
燃料电池组10具有层叠多个单元的堆栈构造，所述单元由具有氢气、空气、冷却液的流路的隔板和被一对隔板夹持的MEA(MembraneElectrode Assembly，膜电极)构成。MEA是燃料极和空气极两个电极夹持高分子电解质膜的构造。燃料极将燃料极用催化层设在多孔质支撑层上，空气层将空气极用催化层设在多孔质支撑层上。
按照从氢气的供给源开始的顺序，用于向燃料电池组10提供氢气的系统包括了氢罐101、截止阀(shut valve)SV1、调节阀RG、截止阀SV2，在经由燃料电池组10后还具有截止阀SV3、气液分离器102和截止阀SV4、氢泵103、截止阀SV5、以及止回阀RV。调节阀(regulator)RG相当于本发明的压力调节装置，氢泵103相当于本发明的驱动装置。本发明的循环路径由经由截止阀SV2、燃料电池组10、SV3、气液分离器102、氢泵103、以及止回阀RV的路径构成。对调节阀RG的压力调节量控制是通过控制部20对压缩机202的驱动以及对截止阀SV6和SV7的操作来完成的。即，可通过打开截止阀SV6来使提供给调节阀RG的气压上升，并使提供给燃料电池的循环路径的压力上升。并且，可通过打开截止阀SV7来使提供给调节阀RG的气压下降，并使提供给燃料电池的循环路径的压力下降。这样，可通过控制截止阀SV6和SV7来任意控制循环路径的供给压力。对氢泵103的驱动量控制是通过控制部20对氢泵103的驱动量控制来完成的。
氢罐101中充有高压氢气。由于本实施方式的氢供给源只要可以按照仅将调节阀RG的下游侧维持在规定压力的方式来提供作为燃料气体的氢气即可，因此可进行各种变更。即，可代替高压氢罐而从下述结构提供氢，所述结构有：使用了贮氢合金的氢罐、不具备贮氢功能的高压氢罐、转化气体的供氢机构、以及液氢罐。
来自氢罐101的氢气首先通过截止阀SV1来选择是否提供氢气，然后以调节阀RG确定的压力向下游释放氢气。调节阀RG的调节量、即压力调节由空气极一侧的压缩机202的运行状态来确定。根据施加给调节阀RG的控制部的空气压力来设定调节阀RG下游的气压。截止阀SV2和SV3在燃料电池系统的发电停止时或动作间歇时被阻断，而在运行时开放。气液分离器102将在正常运行时因燃料电池组10的电化学反应而产生的水分之外的杂质从氢废气(off gas)中除去，并通过截止阀SV4排到外部。氢泵103基于控制部20的控制，使氢气在氢气的循环路径中强制循环。截止阀SV5虽然在净化时开放，但在正常运行状态以及本发明的气体泄漏判断时被阻断。止回阀RV防止氢气的逆流。在图中未示出的包括稀释器的排气系统中处理从截止阀SV5排出的氢废气。
用于向燃料电池组10提供空气的系统包括：空气过滤器201、压缩机202以及加湿器203等。空气过滤器201将外部空气净化后取入到燃料电池系统中。压缩机202在控制部20的控制下压缩被取入的空气，由此改变提供的空气量和空气压力。加湿器203对被压缩的空气进行空气废气和水分的交换，以增加适当的湿度。由压缩机202压缩的空气的一部分被提供给燃料系统，截止阀SV6和SV7之间的区间气压被施加给调节阀RG。从燃料电池组10排出的空气废气被排出到图中未示出的包括稀释器的排气系统中。
燃料电池组10的冷却系统包括冷却器11、风扇12以及冷却泵13，用于将冷却液循环提供给燃料电池组10的内部。
控制部20是ECU(Electric Control Unit，电子控制单元)等公知的计算机系统，图中未示出的CPU(中央处理装置)顺次执行存储在图中未示出的ROM等中的、用于实施本发明的软件程序，由此可作为本发明的控制装置来使该系统进行动作。即，根据在后面要进行说明的顺序(图4)，控制部20确定燃料电池组10的要求发电功率，并基于该要求发电功率来确定调节阀RG的压力调节量，然后控制氢泵103的驱动量以补偿该压力调节量的不足部分。
下面参照图4所示的流程说明本第一实施方式的动作。在该流程中实施本发明燃料电池系统的驱动方法。即，在该流程中，推测在燃料电池组10中所要求的要求气体量，并随着所推测的要求气体量的增加，升高使提供给燃料电池组10的燃料气体循环的循环路径中的燃料气体的压力。在正常运行时，以适当间隔反复执行该流程。
当该燃料电池系统正常运行时，控制部20对应规定的氢气流量开放截止阀SV1，从而从氢罐101来提供氢气。调节阀RG可根据下游侧循环路径的压力施加给隔板的空气压力来进行调节。该调节量根据由截止阀SV6和SV7控制的空气压力来确定。
提供给燃料电池组10的氢气量由通过该调节阀RG的调节而确定的循环路径的压力和根据氢泵103的转速而确定的循环量来确定。各个数值由如下说明的本发明的控制方法来确定。
首先，控制部20根据燃料电池系统中被要求的负荷量来计算燃料电池组10所要求的发电功率Pr(S1)。为了求出燃料电池的负荷，控制部20参照油门位置、换档位置、以及制动位置来计算图中未示出的动力马达应该输出的转矩。另外，将图中未示出的逆变器或变换器的功率损失或由配件消耗的功率等与马达转矩的负荷量相加，然后由控制部20确定系统整体所要求的要求发电功率Pr。
接着，控制部20如下所述来求调节阀RG应该调节的循环路径中的目标压力Prg。首先如图5所示，当燃料电池的发电功率确定时，则以该发电功率发电所必需的氢气的循环量也确定。在这里，控制部20参照燃料电池的要求发电功率Pr和氢气循环量的关系表(例如图5)来确定氢气的要求循环量(S2)。控制部20将如图5所示的对应关系作为数据表进行保存。由于图5所示的关系是比例关系，因此，也可以保存为关系式而非数据表，并通过计算来求循环量。
另外如图6所示，若确定了目标循环量，则可对应氢泵的入口压力来确定氢泵所必需的目标转速。因此，控制部20参照压力传感器P3的检测信号来测量氢泵103的入口压力(S3)，然后控制部20根据所测量的氢泵103的入口压力测量值和目标循环量，并参照例如表示图6所示特性的数据表来求氢泵103所必需的目标转速Np(S4)。如图6所示的关系表是根据循环量而预备的。
在这里，当循环量确定时，理论上可根据图7所示的关系确定氢泵入口压力的目标值。但是，在从由调节阀RG调节的氢泵103出口附近到氢泵入口的实际的循环路径中，会因流路阻力而产生压力损失，因此，必须考虑该压力损失来进行目标压力控制。从而必须由调节阀RG调节的循环路径的压力是在氢泵的入口压力上加上压力损失而得到的值。
因此，为了求压力损失，首先，控制部20参照对应图7所示特性的关系表来求与在步骤2中得到的要求循环量相对应的氢泵103的入口压力的目标值(理论值)。如图8所示，当氢泵的入口压力和循环量确定时，在氢泵103的出口到入口的循环路径上产生的压力损失也确定。因此，控制部20根据氢泵103的入口压力目标值和要求循环量，并参照与图8所示特性相对应的关系表，根据氢泵103的入口压力目标值来求在该要求循环量下产生的压力损失(S5)。
将压力损失和氢泵的入口压力相加所得到的数值就是应该由调节阀RG调节的目标压力Prg。因此，控制部20将氢泵103的入口压力目标值和该压力损失推测值相加所得到的数值作为目标压力Prg(S6)。
控制部20将以步骤S4中所求得的目标转速Np进行驱动的驱动信号输出给氢泵103，并控制截止阀SV6和SV7，使得由调节阀RG调节的循环路径的压力成为目标压力Prg。
在这里，当负荷发生变动从而应该由燃料电池组10发电的要求发电功率产生变化时，若循环路径的压力没有改变，则必须通过增减氢泵103的循环量来调节该发电功率的变动部分。特别是当氢泵的转速增大时，消耗功率最好不增加。对于这一点，根据本发明，当产生负荷变动时，由于不是通过改变氢泵的转速，而是通过改变由调节阀RG调节的目标压力Prg来进行应付，因此可防止氢泵的消耗动力增大。
即，当压力比已通过上次处理进行了调节的目标压力Prg有所增加时(S8：是)，控制部20调节截止阀SV6和SV7，使得由调节阀RG调节的目标压力Prg朝着步骤S6中求得的新的目标压力方向增加(S9)。
另一方面，当压力比已通过上次处理进行了调节的目标压力Prg有所减少时(S8：否；S10：是)，控制部20调节截止阀SV6和SV7，使得由调节阀RG调节的目标压力Prg朝着步骤S6中求得的新的目标压力方向减少(S11)。
另外，当已根据上次处理进行了调节的目标压力Prg中没有变动时(S8：否；S10：否)，特别是由于不需要更新新的控制信号，因此，控制部20不进行任何动作。
控制部20参照压力传感器p2检测的循环路径的实际压力进行反馈控制，使得维持在设定的目标压力Prg。
以上根据本第一实施方式，对应于与要求发电功率Pr的变动相伴的要求气体量(循环量)的变化来控制循环路径的目标压力，因此，不必通过氢泵103的转速控制对负荷变动进行补偿，从而能够抑制消耗动力的变动。
特别是当循环量增大时，由于能够在不增加氢泵转速的情况下来应付负荷变动，因此，可以抑制消耗动力，从而提高整体的发电效率。另外，由于能够将转速维持得较小，因此，可将氢泵小型化，从而能够使燃料系统整体紧凑化。
(第二实施方式)
本发明第二实施方式具有与上述第一实施方式相同的燃料电池系统，其涉及的是根据要求输出是否大于基准值来改变系统控制。图9示出了说明本第二实施方式的动作流程。
首先，和第一实施方式相同的是，控制部20根据燃料电池系统所要求的负荷量来计算燃料电池组10所要求的发电功率Pr(S21)。
接着，控制部20对该要求发电功率Pr和图2所示的基准值Pth进行比较(S22)。当要求发电功率Pr小于基准值Pth时，即使通过氢泵103来应付负荷变动，也不会产生明显的消耗功率的增大。因此，控制部20将调节阀RG的目标压力Prg固定为当要求发电功率Pr为基准值Pth时的适当压力Pf并进行维持(S23)。
以和第一实施方式相同的顺序计算氢泵103的转速。首先，若确定了循环路径的目标压力，则根据该压力下的燃料电池的要求发电功率Pr和氢泵103所需的循环量之间的关系(例如图5)来确定目标循环量(S24)。
接着，由于如图7所示，氢泵103的入口压力的目标值相对于所确定的循环量唯一确定，因此，控制部20根据表示这种关系的数据表或关系式来确定氢泵103的入口压力目标值(S25)。然后，控制部20根据所求得的氢泵103的入口压力和循环量，并参照例如表示图6所示特性的数据表来求氢泵103所需的目标转速Np(S26)。
在根据上述处理将循环路径的目标压力Prg确定为固定值Pf之后，对应此时的要求发电功率Pr来求氢泵103所要求的转速Np。控制部20更新控制信号，使得以该目标转速Np和循环路径的目标压力Pf来驱动系统(S40)。通过上述处理，在图2A～图2C的基准值Pth的左侧区域对该燃料电池系统进行控制。
另外，在步骤S22中，当对燃料电池的要求发电功率Pr和基准值Pth的比较结果是要求发电功率Pr大于等于基准值Pth时(否)，若进一步提高氢泵103的转速，则消耗功率可能会明显增大。因此，控制部20将氢泵转速Np固定为要求发电功率Pth的适当转速Nf，以代替调节阀RG的目标压力(S30)。接着，根据要求发电功率Pr的变化来推测调节阀RG的目标压力Prg。
首先，根据燃料电池的要求发电功率Pr和氢泵103所需的循环量之间的关系(图5)来确定必需的循环量(S31)。接着，根据所确定的泵转速Nf和求得的所需循环量，并参照图6所示的关系表来推测氢泵103的入口压力(S32)。由于当氢泵103的入口压力和必需的循环量确定时，从燃料电池组10入口到氢泵103入口的压力损失例如可根据图8所示的关系来确定(S33)，因此，控制部20将氢泵103的入口压力和该压力损失推测值相加所得到的数值作为目标压力Prg而计算出来(S34)。
控制部20更新控制信号，使得将循环路径的压力维持为根据上述处理而求得的目标压力Prg，并使氢泵103以所确定的转速旋转(S40)。即，控制部20对控制阀SV7和SV6进行控制，使得调节压力成为所推测的目标压力Prg，由此来改变空气压力以使得调节阀RG的调节量为目标压力Prg。参照压力传感器p2的检测值等，若达到目标压力，则控制部20阻断截止阀SV6。通过该动作，循环路径的压力变成目标压力Prg。另外，控制部20向氢泵103输出使氢泵103的转速变成固定值转速Nf的驱动信号。通过上述处理，在图2A～图2C的基准值Pth的右侧区域对该燃料电池系统进行控制。
以上根据该第二实施方式，由于在要求发电功率Pr大于等于基准值Pth的区域中，没有提高氢泵103的转速而是使其固定，且对应负荷变动来改变循环路径的压力，因此，可在没有随泵转速的增大而发生消耗动力的显著增大的情况下运行燃料电池系统，从而可提高整体的发电效率。另外，由于能够将转速维持得较小，因此，可将氢泵小型化，从而能够使燃料系统整体紧凑化。
另外，在要求发电功率Pr小于基准值Pth的区域中，由于固定循环路径的压力，并仅以氢泵103的转速来对应负荷变动，因此容易进行控制。即，当要求发电功率和循环量降低时，进行控制以使得转速也相应地降低，因此，可以根据系统的负荷状态合理地降低消耗动力，从而能够提高系统整体的发电效率。
(第三实施方式)
本发明的第三实施方式涉及的是在与上述第二实施方式相同的燃料电池系统控制方法中，控制部对调节阀RG的目标压力Prg和氢泵的转速Np的控制方法的变形例。
在本第三实施方式中，当燃料电池所要求的要求发电功率Pr和燃料气体的消耗量如图10A所示相对应时，以图10B所示特性改变氢泵103的转速，并以图10C所示特性改变调节阀RG的目标压力。特别是当要求发电功率Pr大于等于基准值Pth时，虽然在上述第一实施方式中将氢泵的转速设为固定值Nf，但在该第二实施方式中，特征在于不是固定值Nf，而是代之以单调上升(fp1)或单调减少(fp1)。
即，虽然当氢泵的转速增大时消耗动力激增，但当基准值Pth上的氢泵转速变成所述倾向之前还有余量时，可以不将转速迅速设成固定值。这种情况下，可以使转速缓慢上升(fp1)。此时，根据图9所示流程，调节阀RG的目标压力Prg根据要求发电功率Pr来改变压力，以便对与氢泵转速的缓慢的上升率相对应的循环量不足部分进行补偿(图10C、fv1)。该变化曲线的斜度比上述第二实施方式要缓和。
另一方面，也可以进行控制以使得氢泵转速在基准值Pth达到峰值，从而使得转速随着要求发电功率Pr的增大而减小(fp2)。此时，调节阀RG的目标压力Prg根据要求发电功率Pr来改变压力，以便对与有减少倾向的氢泵转速的减小相对应的循环量不足部分进行补偿(图10C、fv2)。当然，该变化曲线的斜度要大于使氢泵转速上升时的压力特性fv1和上述第二实施方式。
如本第三实施方式所示，通过改变氢泵的转速和调节阀的目标压力双方，而不是固定其中一方，也可以发挥本发明的作用效果。
(第四实施方式)
本发明的第四实施方式涉及的是在和上述第二实施方式相同的燃料电池系统控制方法中，控制阀RG的目标压力Prg和氢泵的转速Np的控制方法的另一变形例。
在本第四实施方式中，当燃料电池中被要求的要求发电功率Pr和燃料气体的消耗量如图11A所示相对应时，以图11B所示特性改变氢泵103的转速，并以图11C所示特性改变调节阀RG的目标压力。其特征特别在于，要求发电功率Pr以基准值Pth为基准，泵转速和目标压力的变化不是非连续性变化，而是像渐近线一样没有非连续点地缓慢变化。
即，如图11B、fp3所示，当达到要求发电功率Pr的基准值Pth时，控制部20将氢泵的转速缓慢地收敛到固定值。此时，循环路径的目标压力Prg通过图9所示的流程进行改变，以便对因缓慢收敛的氢泵转速的变化而引起的循环量不足部分进行补偿(图11C、fv3)。
这样，根据本第四实施方式，不使氢泵的转速和调节阀的目标压力中的一个非连续地成为固定值，而是可以使其缓慢改变并收敛，从而可根据该方法发挥本发明的作用效果。
Claims (16)
1. 一种燃料电池系统，所述燃料电池系统配有使燃料气体循环来进行发电的燃料电池，其特征在于，包括：
提供所述燃料气体的燃料气体供给源；
使提供给所述燃料电池的燃料气体循环的循环路径；
设置在所述循环路径中，用于通过控制驱动量而使所述燃料气体循环的驱动装置；以及
设置在所述燃料气体供给源和所述循环路径之间，对所述循环路径中的燃料气体的压力进行可变调节以使之变成规定压力的压力调节装置；
其中，通过抑制所述驱动装置中的所述驱动量的变化，并由所述压力调节装置控制所述循环路径的燃料气体的压力，从而对伴随着所述燃料电池中所要求的要求气体量的变化而产生的所述燃料气体的不足进行补偿。
2. 一种燃料电池系统，包括：
使燃料气体循环来进行发电的燃料电池；
向所述燃料电池提供所述燃料气体的燃料气体供给源；
使提供给所述燃料电池的燃料气体循环的循环路径；
设置在所述循环路径中，用于使所述燃料气体循环的驱动装置；
设置在所述燃料气体供给源和所述循环路径之间，将所述循环路径中的燃料气体的压力调节到规定压力的压力调节装置；以及
控制所述驱动装置的驱动量，并对所述压力调节装置进行可变调节的控制装置；
其中，所述控制装置通过抑制所述驱动装置中的所述驱动量的变化，并调节所述压力调节装置的所述循环路径中的燃料气体的压力，从而对伴随着所述燃料电池中所要求的要求气体量的变化而产生的所述燃料气体的不足进行补偿。
3. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述压力调节装置随着所述燃料电池中所要求的要求气体量的增加而使所述循环路径中的燃料气体的压力上升。
4. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，至少在要求气体量高于基准值的区域中，对应所述要求气体量的变化来改变所述压力调节装置的压力调节量。
5. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，在所述要求气体量高于基准值的区域中，相对于所述要求气体量低于所述基准值的区域，所述驱动装置的驱动量的变化率降低。
6. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，在所述要求气体量低于基准值的区域中，所述压力调节装置的压力调节量被保持在固定值以下。
7. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，根据所述要求气体量和所述循环路径内的压力的测量值来控制所述驱动装置。
8. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其还包括：
根据所述燃料电池要求的发电功率来确定所述驱动装置的驱动特性的装置；和
根据所设定的所述驱动特性来确定所述压力调节装置所提供的压力调节量的装置。
9. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，至少在要求气体量高于基准值的区域中，抑制所述驱动装置的驱动量，并改变所述压力调节装置的压力调节量以补偿所述驱动装置的驱动量的不足部分。
10. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其被构成为可对应通过一对阻断阀的开闭而控制的空气压力的变化来调节所述压力调节装置的压力。
11. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述驱动装置是泵、压缩机和涡轮机中的任一种。
12. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述燃料气体供给源是填充有氢的氢罐。
13. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，至少在要求气体量高于基准值的区域中，使所述压力调节装置的压力调节量单调变化。
14. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，至少从要求气体量等于或低于基准值的区域到要求气体量高于该基准值的区域中，使所述压力调节装置的压力调节量连续且缓慢地变化。
15. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，至少在要求气体量高于基准值的区域中，使所述驱动装置的驱动量和所述压力调节装置的压力调节量双方都变化。
16. 一种燃料电池系统的驱动方法，其中所述燃料电池系统配有使燃料气体循环来进行发电的燃料电池，所述方法包括下述步骤：
推测所述燃料电池中所要求的要求气体量的步骤；和
抑制用于使所述燃料气体循环的驱动量的变化，并调节使提供给所述燃料电池的燃料气体循环的循环路径中的燃料气体的压力，由此对伴随着所推测的所述要求气体量的变化而产生的所述燃料气体的不足进行补偿的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |