CN100449842C - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，其在检测到排出单元存在异常时能够抑制所排出的燃料气体的浓度上升。在用氧化气体稀释(14)从排出单元(SV5)排出的燃料气体并将其排出的燃料电池系统中包括：异常检测单元(205)，检测排出单元的动作异常(SV5)；和改变单元(206、207)，当检测到排出单元(SV5)的异常时，改变氧化气体的供给量。从而可通过改变氧化气体的供给量来抑制在稀释(14)后被排出的燃料气体的浓度。

Description

燃料电池系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及具有放气阀的燃料电池系统，特别涉及放气阀异常检测时的应对技术。

背景技术

在使用燃料电池的系统中，由于在电化学反应中产生的水和空气中所含的氮等杂质蓄积在向燃料极供应燃料气体的系统中，因此，需要在一定时间进行放气以排出氢气。作为对进行该放气的氢放气阀的异常进行检测的技术，例如在日本专利文献特开2003-92125号公报中公开了包括下述部件的燃料电池控制装置：检测有无氢放气阀的放气指令的氢放气指令检测部，以及比较阳极的目标压力值和实际值、从而判断氢放气阀的打开故障和关闭故障的故障判断部。例如，当故障判断部检测到尽管没有发出放气指令、但氢放气阀却未关闭的打开故障时，将开关控制阀设定为关闭来截止氢循环流路的流通，由此防止将氢从氢放气阀排到外部。

发明内容

但在上述的现有技术中，存在着在停止供应氢气之前的期间内向外部排出氢气的问题。若在放气阀的下游设置其它的阀来防止产生该问题的话，结构和控制都会变得复杂，因此不经济。

因此，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，其在检测到排出单元存在异常时能够抑制所排出的燃料气体的浓度上升。

为了解决上述问题，本发明的特征在于，在从排出单元排出来自燃料电池的燃料气体并用氧化气体稀释后将其排出的燃料电池系统中包括：异常检测单元，检测排出单元的动作异常；和改变单元，当检测到排出单元的异常时，改变氧化气体的供给量。

根据上述结构，当异常检测单元检测到排出单元的动作异常时，改变单元进行动作以改变氧化气体的供给量。在该系统中，由于排出的燃料气体被氧化气体稀释，因此可通过改变氧化气体的供给量来改变并抑制稀释后被排出的燃料气体的浓度。

在这里，对“排出单元”没有限定，例如为放气用的截止阀或控制阀。除了可以改变开阀和闭阀这两种状态的部件以外，还包括可任意改变流量的部件。

在这里，异常检测单元优选对因排出单元的动作不良而造成的燃料气体的排出量多于规定量的情况进行检测。其原因在于，当燃料气体的排出量多于规定量时，排出的燃料气体的浓度容易上升，因此优选抑制该情况下的排出气体浓度的上升。

另外，改变单元优选当检测到动作异常时使氧化气体的供给量增加。根据该结构，当检测到排出单元的动作异常、从而可知燃料气体的供给量正在增加时，使氧化气体的供给量也增加。其原因在于，通过该措施，用于对多于规定量的燃料气体进行稀释的氧化气体的量也增多，从而能够使稀释后的燃料气体的浓度下降。

在这里，本系统优选按照排出单元的背压根据氧化气体的供给量而改变的方式来构成。根据该结构，氧化气体的供给量的变化直接转化为排出单元的背压的变化。其原因在于，当因排出单元的动作不良而导致燃料气体的排出量多于规定量时，若增加氧化气体的供给量，则不仅能够增加用于稀释的氧化气体的量，还能够通过排出单元的背压上升来限制通过排出单元的燃料气体的流量，从而能够有效地抑制因动作不良而排出的燃料气体的量。

在这里，上述氧化气体的增加量优选为可避免在燃料气体被氧化气体稀释后发生异常的氧化反应的量。其原因在于，从系统的角度出发，优选将燃料气体稀释至不发生氧化反应的程度。

另外，本发明按照排出单元的背压根据氧化气体的供给量的增加而上升的方式来构成。例如，当具有用从燃料电池排出的氧化排气来稀释从排出单元排出的燃料排气的稀释单元时。其原因在于，由于在氧化气体的供给量增加时稀释单元的压力升高，因此连接在该处的排出单元的背压也上升。

具体来说，本发明的燃料电池系统包括：放气阀，将来自燃料电池的燃料气体作为燃料排气而排出；稀释器，用来自燃料电池的氧化排气稀释从该放气阀排出的燃料排气；确定燃料电池的要求输出量的单元；氧化气体供给单元，以与要求输出量对应的供给量向燃料电池供给氧化气体；异常检测单元，检测放气阀的动作异常；以及氧化气体增加单元，当检测到放气阀的异常时，增加氧化气体的供给量。

另外，还可以包括下述单元：确定燃料电池系统的负载要求量的单元；确定燃料电池系统的辅机动力量的单元；以及根据所确定的负载要求量和辅机动力量来确定所述要求输出量的单元。

另外，本发明还包括一种具有下述步骤的燃料电池系统的控制方法：检测排出单元的动作异常的步骤；和当检测到排出单元的异常时改变氧化气体的供给量的步骤。

附图说明

图1是本实施方式的燃料电池系统的系统图；

图2是本实施方式的燃料电池系统的功能框图；

图3是说明本实施方式的动作的流程图。

具体实施方式

下面参照附图来说明用于实施本发明的优选实施方式。下面的实施方式仅是本发明的一种方式，本发明的适用范围不限于此。在本实施方式中，将本发明的方法应用于电动汽车等移动体上所装载的燃料电池系统。

图1示出了本燃料电池系统的系统整体图。如图1所示，该燃料电池系统包括：用于向燃料电池堆1供应作为燃料气体的氢气的燃料气体系统10；用于供应作为氧化气体的空气的氧化气体系统20；以及用于冷却燃料电池堆1的冷却系统30。

燃料电池堆1具有将多个电池层积在一起的叠层结构，该电池由具有氢气、空气、冷却液的流路的隔板、以及被一对隔板夹持的MEA(Membrane Electrode Assembly，膜电极组)构成。MEA具有在燃料极和空气极这两个电极之间夹持高分子电解质膜的结构。燃料极是在多孔支撑层上设置燃料极用触媒层，空气极是在多孔支撑层上设置空气极用触媒层。由于燃料电池是引起水的电解的逆反应的电池，因此，向作为正极(阴极)的燃料极一侧供应作为燃料气体的氢气，向作为负极(阳极)的空气极一侧供应氧化气体(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，从而使电子循环并产生电流。

H₂→2H⁺+2e^-…(1)

2H⁺+2e^-+(1/2)O₂→H₂O…(2)

燃料气体系统10包括：作为氢气供给源的氢罐11、主阀SV1、调压阀RG、燃料电池入口截止阀SV2，经过燃料电池堆10后，还包括燃料电池出口截止阀SV3、气液分离器12、截止阀SV4、氢泵13和截止阀RV。

在氢罐11中充有高压氢气。作为氢供给源，除了高压氢罐以外，使用了贮氢合金的氢罐、基于重整气(reformed gas)的氢供给机构、液体氢罐、液化燃料罐等也可适用。主阀SV1控制氢气的供给。调压阀RG调整下游的循环路径的压力。燃料电池入口截止阀SV2和出口截止阀SV3在燃料电池停止发电时被关闭。气液分离器12从氢排气中除去由通常运行时燃料电池堆10的电化学反应而产生的水和其它杂质，并通过截止阀SV4将其排到外部。氢泵13根据控制部2的控制信号强制性地使循环路径中的氢气循环。

在止回阀RV的前方分支出排出路径，在排出路径上设有相当于本发明的排出单元的放气阀SV5。在放气阀SV5的一次侧(上游侧)设有测量氢排气的压力的压力传感器p2，在放气阀SV5的二次侧(下游侧)设有测量氢排气的压力的压力传感器p3。

氧化气体系统20具有：空气滤清器21、压缩机22、以及加湿器23。空气滤清器21对外部气体进行净化并将其引入燃料电池系统中。压缩机22根据控制部2的控制信号对引入的空气进行压缩，由此来改变供应给燃料电池堆1的空气量和空气压力。加湿器23在被压缩的空气和负极(空气)排气之间进行水分交换以增加适当的湿度。在空气滤清器21的空气引入口附近设有压力传感器p1，可检测外部气压(大气压)。

从燃料电池堆1排出的空气排气被供应给稀释器14，并与从放气阀SV5排出的氢排气混合。即，由于当氢排气浓度高时容易发生急剧的氧化作用，因此该系统按照用空气排气稀释氢排气以避免产生这种异常状态的方式来构成。为此，氢排气和空气排气的压力均大致为大气压左右，二者的压力差不大。

在这里，本燃料电池系统按照使放气阀SV5的背压根据空气的供应量而改变的方式来构成。即，在上述系统中，当空气系统20的压缩机22的转数变化时，对应该变化的空气供给压力的变化会波及到稀释器14。由于稀释器14需要稀释氢排气和空气排气，因此其具有一方气体的压力变化会导致另一方气体的压力变化的结构。例如为下述结构：当空气系统20的供给压力上升时，放气阀SV5的背压通过稀释器14也上升。

控制部2为ECU(Electric Control Unit，电子控制单元)等公知的计算机系统，未图示的CPU(中央处理器)顺次执行存储在未图示的ROM等中的软件程序，由此可实现图2所示的功能块。该控制部2不是由一个微处理器构成的，而是通过由多个微处理器执行各不相同的程序模块而实现的功能的协作作用来实现包括本发明的方法的多种功能。

燃料电池堆1的冷却系统30包括散热器31、风扇32、以及冷却泵33，用于将冷却液循环供应给燃料电池堆1的内部。

图2示出了本发明中的燃料电池系统的功能块，并示出了图1所示结构中与本发明特别有关的部分和根据功能而将控制部2模块化了的功能块之间的关系。

如图2所示，从功能方面看，控制部2包括：负载要求量计算单元201、辅机动力量检测单元202、加法计算单元203、燃料电池要求输出计算单元204、放气阀故障检测单元205、稀释空气增加量计算单元206、加法计算单元207、供给空气量计算单元208、供给燃料量计算单元209、以及排气流量计算单元210。

特别是，本燃料电池系统的特征在于：当异常检测单元205检测到放气阀SV5的动作异常时，在加法计算单元207中，稀释空气增加量计算单元206计算出的空气增加量被加到燃料电池要求输出计算单元204计算出的原来的空气需要量上并被改变。

图3示出了在该控制部2中执行的本发明的动作的流程图。在本燃料电池系统运行时定期或不定期地执行该处理程序。该处理顺序仅为例示，只要能达到本发明的目的，其顺序可前后调整。

首先，检查是否在本发明的放气阀SV5中检测出异常(S1)。作为放气阀SV5的异常检测方法，例如可使用专利文献1中所记载的公知技术。

例如，控制部2根据排气流量计算的结果(210)来检测是否向放气阀SV5发出了闭阀控制信号，当发出了闭阀控制信号时，参照压力传感器p2或p3的检测信号。若放气阀SV5按照控制信号关闭了的话，则配置在氢气系统10的循环路经上的一次侧压力传感器p2应该显示与根据对燃料电池堆1的要求输出而确定的氢气的目标压力相对应的压力。当压力传感器p2检测出的压力低于该目标压力时，可以认为从放气阀SV5流出氢气并判断为异常。

另外，若放气阀SV5按照控制信号关闭了的话，则配置在放气阀SV5的下游一侧的二次侧压力传感器p3应该显示实质上与空气系统20的供给压力相同的大气压。即，压力传感器p3检测出的压力应该和检测大气压的压力传感器p1测定的压力基本相同。当压力传感器p3检测出的压力高于压力传感器p1检测出的大气压时，可以判断为氢气泄漏。

另外，当一次侧压力传感器p2检测出的压力与二次侧压力传感器p3检测出的压力的压差小于规定值时，认为氢排气通过放气阀SV5而流通，因此可以检测出放气阀SV5存在异常。

用某种检测方法判断放气阀SV5是否存在异常(S1；205)，若没有检测到异常(NO)，则转到下一个处理，若检测出异常(YES)，则转到本发明的空气量变更处理(S2～S9)。

首先，控制部2参照油门开度等3的检测信号来计算负载要求量(S2；201)。可以参照检测油门的踩踏量的油门开度检测信号、变速杆位置检测信号、以及制动操作检测信号等来确定作为该移动体的驱动电机必须输出的转矩量的该负载要求量。

接着，控制部2检测用于使该燃料电池系统运行的压缩机或泵等的辅机动力量(S3；202)。可以直接检测提供给各个辅机的电流量并将此用于该辅机动力量，也可以将根据系统的运行状态而大致确定的、预先确定了对应关系的估算值用于该辅机动力量。

接着，控制部2将负载要求量和辅机动力量相加(203)来计算期望燃料电池堆1进行发电的要求输出量(S4；204)。

然后，控制部2计算当放气阀SV5存在异常、从而造成尽管已经指示了闭阀却未关闭时所需的空气的必要增加量(S6；206)。可从各种观点出发来设定该空气增加量。简单来说，可以是该燃料电池系统可提供的最大空气量，即使压缩机22以最大转数动作时的量。另外，可以根据在放气阀SV5没有关闭的情况下流出的氢排气的流量来反算出将该流量的氢排气稀释至不产生异常的氧化反应时所需要的空气量。这是由于当氢排气下降到一定浓度以下时不会发生异常的氧化反应。

控制阀2确定用于稀释因放气阀SV5的异常而增加的氢排气的空气增加量，并与根据燃料电池要求输出量而确定的通常空气量相加(207)来计算希望由压缩机22供给的供给空气量(S8；208)。然后，控制部2求出用于供给该供给空气量所需要的压缩机22的转数(驱动量)，并将用于以该转数进行驱动的控制信号输出给压缩机22(S9)。若压缩机22的转数上升，则供给稀释器14的空气量增加，从而可起到降低泄漏出的氢排气的浓度的作用。

另外，也可以与上述空气量变更处理同时进行下述处理：控制部2通过输出关闭截止阀SV1～SV3的控制信号、或者输出减少氢泵13的转数或使氢泵13停止的控制信号来减少氢气的供给量或停止氢气供给。

根据本实施方式，通过上述一系列的处理，即使当检测到放气阀SV5的异常时，也可以增加空气供给量以稀释因该异常而增加的氢排气，因此即使发生排气阀的异常也能够继续运行。

另外，通过上述处理还具有下述优点，即，当空气量增加时，可抑制因放气阀的异常而泄漏出的氢排气的量。如上所述，在该燃料电池系统中，空气系统20和氢气系统10的压力可通过稀释器14连动。当通过上述处理使从压缩机22供给的空气压力升高时，放气阀SV5的背压(二次侧的压力)也会随着该空气压力的升高而上升。通常，一次侧压力与二次侧压力的差越大，通过阀的气体的流量越倾向于增加。根据本实施方式，由于放气阀SV5的背压上升而使放气阀的一次侧和二次侧的压差减小，因此，即使放气阀自身的开度没有变化，也能够抑制氢排气的流出量。

(其他实施方式)

本发明可进行各种变更以加以利用，而不限于上述各种实施方式。例如，上述燃料电池系统应用于将氢气系统10的循环路径连接在调压阀RV的上游一侧的方式的系统，但本发明也可直接用于将循环路径连接在调压阀RV的下游一侧的燃料电池系统。

另外，放气阀SV5的异常检测方法仅为例示，可通过各种方法来检测放气阀异常。例如，除了比较放气阀的压力的实测值和预测值之外，还可直接检测氢气浓度并根据浓度的大小来检测放气阀的关闭是否可靠。

另外，还可利用压缩机驱动以外的方法来作为增加空气量的方法。例如可以按照以下方式来构成：与供应给燃料电池的空气(氧化气体)相独立地供应气体(不管是否是氧化气体)以用于稀释，并使之与燃料排气混合，而不是增加来自燃料电池的空气(氧化气体)排气的量。具体来说，可以具有稀释用的气体罐，当放气阀异常时，从该气体罐供给稀释用气体来稀释燃料排气。

(工业实用性)

根据上述本发明，由于在检测到排出单元的动作异常时改变氧化气体的供给量，因此可改变并抑制稀释后被排出的燃料气体的浓度。

因此，本发明一般可适用于其结构为用氧化排气(空气)稀释燃料排气(被放出的氢气)的燃料电池系统。该燃料电池系统既可以装载在像车辆这样的陆地移动体、像船舶这样的水上移动体、像潜水艇这样的水下移动体、以及像航空器这样的空中移动体上来使用，也可以被设置为像发电厂这样的不动产来使用。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，从排出单元排出来自燃料电池的燃料气体，用氧化气体稀释后将其排出，所述燃料电池系统的特征在于，包括：

异常检测单元，检测所述排出单元的动作异常；和

改变单元，当检测到所述排出单元的异常时，改变所述氧化气体的供给量。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述异常检测单元对因所述排出单元的动作不良而造成的燃料气体的排出量多于规定量的情况进行检测。

3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，当检测到所述动作异常时，所述改变单元使所述氧化气体的供给量增加。

4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氧化气体的增加量为可以避免在燃料气体被氧化气体稀释后发生异常的氧化反应的量。

5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述排出单元的背压根据所述氧化气体的供给量而改变。

6.如权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述排出单元的背压根据所述氧化气体的供给量的增加而上升。

7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述排出单元为放气阀。

8.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：

放气阀，将来自燃料电池的燃料气体作为燃料排气而排出；

稀释器，用来自该燃料电池的氧化排气稀释从该放气阀排出的该燃料排气；

确定该燃料电池的要求输出量的单元；

氧化气体供给单元，以与该要求输出量对应的供给量向该燃料电池供给氧化气体；

异常检测单元，检测该放气阀的动作异常；以及

氧化气体增加单元，当检测到该放气阀的异常时，使该氧化气体的供给量增加。

9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括下述单元：

确定所述燃料电池系统的负载要求量的单元；

确定该燃料电池系统的辅机动力量的单元；以及

根据所确定的该负载要求量和该辅机动力量来确定所述要求输出量的单元。

10.一种燃料电池系统的控制方法，在所述燃料电池系统中，从排出单元排出来自燃料电池的燃料气体，用氧化气体稀释后将其排出，所述燃料电池系统的控制方法的特征在于，包括下述步骤：

检测该排出单元的动作异常的步骤；和

当检测到该排出单元的异常时，改变该氧化气体的供给量的步骤。

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