CN101331637A - 燃料电池系统和车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统，它包括：燃料电池(10)；向该燃料电池(10)供应氢气的氢气管道系统(3)；调节该氢气管道系统(3)的上游侧上的气体状态以将该气体供应到下游侧的喷射器(35)；和在预定驱动周期中驱动和控制喷射器(35)的控制器件(4)，其中学习该喷射器(35)的驱动特性，并且能够基于学习结果设定该喷射器(35)的驱动参数。在本发明中，在燃料电池(10)的运行期间，可以根据运行状态适当地改变氢气的供应压力。另外，即使当压力大范围变化时，也能够确保令人满意的压力响应性质，而与由于喷射器(35)的老化和个体差异引起的波动无关。

Description

燃料电池系统和车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池系统和车辆。
背景技术
目前，包括接收反应气体(燃料气体和氧化气体)供应以产生电力的燃料电池的燃料电池系统已被提出并且投入实际使用。这种燃料电池系统设有燃料供应通道，其用于向燃料电池供应从燃料供应源例如氢罐供应的燃料气体。
而且，一种燃料电池系统是已知的，它包括能够施加从氧化气体压力源施加的压力以调节供应到燃料电池的燃料气体压力的可变压力调节阀，例如设于燃料供应通道上并且调节供应到燃料电池的燃料气体压力的压力调节阀(例如，见日本专利申请公开No.2005-150090、2004-342386)。
发明内容
根据在日本专利申请公开No.2005-150090中披露的可变压力调节阀，能够根据运行情形改变燃料气体的供应压力。然而，即便这种可变压力调节阀不可避免地受到老化和个体差异的影响，并且压力调节精度和压力响应性有时降低。
已经鉴于这种情形研制了本发明，并且其一个目的在于能够根据燃料电池的运行状态适当改变燃料气体的供应压力，以使老化和个体差异的影响最小化并确保令人满意的压力响应性。
为了实现以上的目的，根据本发明的燃料电池系统是如下燃料电池系统，它包括：燃料电池；向该燃料电池供应燃料气体的燃料供应系统；气体状态可变供应器件，所述气体状态可变供应器件调节该燃料供应系统的上游侧上的气体状态，以将所述气体供应到下游侧；和控制装置，所述控制装置用于根据所述燃料电池的运行状态(由燃料电池产生的电量(功率、电流和电压)、燃料电池的温度、燃料电池系统的异常状态、燃料电池主体的异常状态等)驱动和控制所述气体状态可变供应器件，所述燃料电池系统设有学习装置，所述学习装置用于学习所述气体状态可变供应器件的驱动特性，以基于学习的结果设定所述气体状态可变供应器件的驱动参数。
根据这种构造，学习由于老化和个体差异引起的气体状态可变供应器件的驱动特性的波动，并且能够在驱动并控制气体状态可变供应器件时反映学习结果。应该指出“气体状态”是气体的如下状态(流量、压力、温度、摩尔浓度等)，并且特别地包括气体流量和气体压力中的至少一个。
气体状态可变供应器件可以是电磁驱动系统喷射器，该喷射器包括：内部通道，所述内部通道将所述气体状态可变供应器件的上游侧连接到所述气体状态可变供应器件的下游侧；阀体，所述阀体以可移动的方式布置在所述内部通道中，并且在所述阀体中，所述内部通道的开口面积根据所述阀体的运动位置改变；和阀体驱动部分，所述阀体驱动部分用电磁驱动力驱动所述阀体。可替代地，该器件可以是可变压力调节调整器例如隔膜式调整器，其中例如，经由隔膜利用空气压力或者马达驱动阀体。
气体状态可变供应器件的驱动特性的实例包括：在燃料电池的入口侧气体状态(气体状态可变供应器件的次级气体状态)和入口侧目标气体状态(气体状态可变供应器件的次级目标气体状态)之间的关系；在燃料电池的入口侧气体状态(气体状态可变供应器件的次级气体状态)和所产生的电流之间的关系；在气体状态可变供应器件的初级气体状态和次级气体状态之间的关系；以及在气体状态可变供应器件的初级气体状态和燃料电池的产生的电流之间的关系。
在气体状态可变供应器件为以上的电磁驱动系统喷射器的情形中，气体状态可变供应器件的驱动参数的实例包括喷射量、喷射时间、负荷比、驱动频率和驱动脉冲，并且在气体状态可变供应器件是隔膜型调整器的情形中，该实例包括用于经由隔膜沿着打开或关闭方向推压阀体的所施加的压力(例如，流体压力或弹簧压力)。
在本发明的燃料电池系统中，该学习装置可以对于与所述燃料电池的输出对应的多个学习区域中的每个学习区域学习所述气体状态可变供应器件的驱动特性。可替代地，该学习装置可以根据被供应到所述燃料电池的燃料气体的状态学习所述气体状态可变供应器件的驱动特性。
根据这些构造，根据燃料电池的输出或者实际供应到燃料电池的燃料气体的状态进行对气体状态可变供应器件的驱动特性的学习，从而学习的精度提高。而且，能够在燃料电池的运行期间进行学习。进而，即使当气体状态大范围变化(调节)时，也能够禁止由于老化和个体差异引起的压力调节精度的降低。
燃料电池的输出的实例包括所产生的电流。而且，供应到燃料电池的燃料气体的状态的实例包括：供应到燃料电池的燃料气体的压力和流量；气体状态可变供应器件的初级压力；以及压力和流量中的至少一个与另一种状态的组合。
在本发明的燃料电池系统中，该学习装置可以在所述燃料电池的产生的电流的波动和被供应到所述燃料电池的燃料气体的压力(燃料气体的气体状态)的波动恒定或较小时进行所述学习。而且，当从所述燃料供应系统排放从所述燃料电池排出的燃料气体的废气时，该学习装置可以禁止所述学习。
根据这些构造，禁止在不适于学习的条件下的错误学习，从而基于学习结果的驱动控制的精度提高。
在本发明的燃料电池系统中，在系统制造期间，可基于气体状态可变供应器件的个体差异设定驱动参数。
根据这种构造，在燃料电池系统被交付到使用者之前，气体状态可变供应器件的驱动参数能够被优化，而与个体差异无关。
根据本发明的车辆包括燃料电池系统。
这种构造包括能够驱动和控制气体状态可变供应器件的燃料电池系统，其中反映由于老化和个体差异引起的波动，从而能够确保令人满意的压力响应性。
根据本发明，可以提供：一种燃料电池系统，它具有与气体状态可变供应器件的老化和个体差异无关的令人满意的压力响应性；以及一种车辆。
附图说明
图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的构造图表；
图2是示出在示于图1中的燃料电池系统中喷射器喷射时间的计算过程的流程图；
图3示出用于图2所示流程图的步骤S3的处理中的一个映射实例；
图4示出用于图2所示流程图的步骤S5的处理中的一个映射实例；
图5示出用于图2所示流程图的步骤S11的处理中的一个映射实例；
图6示出在用于图2所示流程图的步骤S11的处理中的映射中的学习值的计算过程的流程图；
图7示出用于图6所示流程图的步骤S23的处理中的一个映射实例；
图8是示出图6所示流程图的步骤S25、S27的处理的图表；
图9是示出图6所示流程图的步骤S29的处理的图表；和
图10是示出图6所示流程图的步骤S31到S35的处理的图表。
具体实施方式
将在下面参考附图描述根据本发明实施例的燃料电池系统1。在该实施例中，将描述这样一个实例，其中本发明被应用于燃料电池车辆(车辆)的车载发电系统。首先，参考图1描述根据本发明实施例的燃料电池系统1的构造。
如图1所示，根据该实施例的燃料电池系统1包括接收反应气体(氧化气体和燃料气体)供应以发电的燃料电池10，并且该系统还包括向燃料电池10供应作为氧化气体的空气的氧化气体管道系统(燃料供应系统)2、向燃料电池10供应作为燃料气体的氢气的氢气管道系统3，一体地控制整体系统的控制器件(控制装置、学习装置)4等。
燃料电池10具有叠层机构，其中用于接收反应气体供应以产生电力的所需数目的单体电池被层叠，并且由燃料电池10产生的电力被供应到电力控制单元(PCU)11。PCU11包括在燃料电池10和牵引电机12之间布置的逆变器、DC-DC转换器等。而且，在发电期间探测电流的电流传感器13被联结到燃料电池10。
氧化气体管道系统2包括向燃料电池10供应利用增湿器20增湿的氧化气体(空气)的空气供应通道21、向增湿器20引导从燃料电池10排放的氧化废气的空气排放通道22，和用于从增湿器20引导氧化废气的排气通道23。空气供应通道21设有从大气吸取氧化气体以在压力下将该气体馈送到增湿器20的压缩机24。
氢气管道系统3包括接收高压(例如，70MPa)氢气的作为燃料供应源的氢罐30、用于向燃料电池10供应氢罐30的氢气的作为燃料供应通道的氢供应通道31，和用于向氢供应通道31返回从燃料电池10排放的氢废气的循环通道32。氢气管道系统3是本发明燃料供应系统的一个实施例。
应该指出，作为氢罐30的替代，从烃基燃料形成富氢重整气体的重整器，和将由该重整器形成的重整气体带入高压状态以积聚压力的高压气体罐可被采用作为燃料供应源。可替代地，具有氢气吸收合金的罐可被采用作为燃料供应源。
氢气供应通道31设有隔断或者允许从氢罐30供应氢气的隔断阀33、调节氢气压力的调整器34、和喷射器(气体状态可变供应器件)35。在喷射器35的上游侧上，设置分别地探测氢供应通道31中的氢气的压力和温度的初级压力传感器41和温度传感器42。进而，在喷射器35的下游侧上设置探测氢供应通道31中的氢气的压力的次级压力传感器43，该下游侧是氢供应通道31和循环通道32的结合部分的上游侧。
调整器34是将调整器的上游压力(初级压力)调节为预设的次级压力的器件。在本实施例中，降低初级压力的机械压力降低阀被采用作为调整器34。作为机械压力降低阀的结构，可以采用已知结构，它具有外壳，该外壳设有反压力腔室和压力调节腔室，该压力调节腔室经由隔膜形成，并且其中由于反压力腔室中的反压力，初级压力被降低为预定压力以在压力调节腔室中形成次级压力。
在该实施例中，如图1所示，在喷射器35的上游侧上布置两个调整器34，由此喷射器35的上游压力可被有效地降低。因此，可提高喷射器35的机械结构(阀体、外壳、通道、驱动器件等)的设计自由度。
而且，喷射器35的上游压力可被降低，从而可防止由于在喷射器35上游压力和下游压力之间的压力差升高，喷射器35的阀体不易于移动。因此，喷射器35的下游压力的可变压力调节范围可被加宽，并且可以抑制喷射器35的响应性的降低。
喷射器35是电磁驱动类型的打开/关闭阀，其中在预定驱动周期中阀体被电磁驱动力直接地驱动并且脱离阀座，由此气体状态例如气体流量或者气体压力可被调节。喷射器35包括具有喷射气体燃料例如氢气的喷射孔的阀座，并且还包括向喷射孔供应并且引导气体燃料的喷嘴本体，以及相对于该喷嘴本体以可移动方式容纳并且保持在轴向方向(气体流动方向)以打开和关闭喷射孔的阀体。
在该实施例中，喷射器35的阀体通过螺线管驱动，该螺线管是一种电磁驱动器件，并且供应到该螺线管的类似脉冲的激励电流可被接通或者断开以在两级、多级、连续(无级)方式或者线性方式中切换每一个喷射孔的开口面积。基于从控制器件4输出的控制信号控制喷射器35的气体喷射时间和气体喷射定时，由此氢气的流量和压力被精确地控制。
在喷射器35中，阀(阀体和阀座)利用电磁驱动力被直接驱动以打开或者关闭，并且阀驱动周期可被控制为高度响应性区域，从而喷射器具有高响应性。
在喷射器35中，为了以所需流量将气体供应到喷射器下游侧，设于喷射器35的气体通道中的阀体的开口面积(开度)和打开时间中的至少一个被改变，由此被供应到下游侧(燃料电池10侧)的气体的流量(或者氢摩尔浓度)被调节。
应该指出喷射器35的阀体被打开或者关闭以调节气体流量，并且与喷射器35上游侧上的气体压力相比，被供应到喷射器35的下游侧的气体压力被降低，从而喷射器35可解释为压力调节阀(压力降低阀、调整器)。而且，在该实施例中，喷射器可被解释为可变压力调节阀，它能够改变喷射器35的上游气体压力的调节量(降低量)从而该压力满足基于气体需求在预定压力范围中的所需压力。
应该指出在本实施例中，如图1所示，喷射器35被布置在氢供应通道31与循环通道32的结合部分A1的上游侧上。而且，如图1中虚线所示，在其中多个氢罐30被采用作为燃料供应源的情形中，喷射器35被布置在其中从氢罐30供应的氢气相结合的一个部分(氢气结合部分A2)的下游侧上。
循环通道32经由气体-液体分离器36和排气排放阀37被连接到排放通道38。气体-液体分离器36从氢废气收集水分。排气排放阀37基于来自控制器件4的命令操作以从该系统排放(清除)由气体-液体分离器36收集到的水分和循环通道32中的包括杂质的氢废气。
而且，循环通道32设有加压循环通道32中的氢废气以朝向氢供应通道31馈送气体的氢泵39。应该指出排放通道38中的气体被稀释器40稀释以加入排气通道23中的气体。
控制器件4探测设于车辆S中的加速操作器件(加速器等)的操作量，并且接收控制信息例如所需加速值(例如，负载器件例如牵引电机12的所需发电量)以控制该系统中的各个单元的运行。
应该指出负载器件是普通耗电器件，除了牵引电机12，包括运行燃料电池10所要求的辅助器件(例如，压缩机24、氢泵39、冷却泵的马达等)、用于与车辆S行驶有关的任何类型的器件(变速齿轮、车轮控制器件、操纵器件、悬挂器件等)中的致动器、乘客空间的空气调节器件(空调)、照明或者音响。
控制器件4由计算机系统(未示出)构成。这种计算机系统由CPU、ROM、RAM、HDD、输入/输出接口、显示器等构成，并且CPU读出在ROM中记录的任何类型的控制程序以执行该程序，由此实现各种控制操作。
特别地，如图2的流程图所示，控制器件4利用电流传感器13探测燃料电池10产生的电流(在下面被称为FC电流)(步骤S1)，并且通过使用例如示于图3中的映射，即，示出在步骤S1中探测到的FC电流和相应于关于燃料电池10的需求输出而设定的燃料电池10的入口目标压力(在下面被称为FC入口目标压力)之间的关系的映射，从在步骤S1中探测到的FC电流获得FC入口目标压力(步骤S3)。
随后，控制器件4通过使用例如示于图4中的映射，即，示出在FC电流和前馈项(在下面被称为F/F值)之间的关系的映射，从在步骤S1中探测到的FC电流获得F/F值作为喷射器的基本喷射时间(步骤S5)。
随后，控制器件4获得在步骤S3中获得的FC入口目标压力和由次级压力传感器43探测到的燃料电池10的当前入口压力(在下面被称为FC入口压力)之间的差(在下面被称为FC入口压力差)(步骤S7)，并且控制器件获得喷射器喷射时间的反馈项(在下面被称为F/B值)作为用于校正(减小)该FC入口压力差的校正值(步骤S9)。
随后，控制器件4通过使用例如示于图5中的映射，即，示出在FC电流和学习值之间的关系的映射，从在步骤S1中探测到的FC电流获得喷射器喷射时间的学习值作为用于校正由于喷射器35的老化和个体差异而引起的流量波动的学习项(S11)。
在示于图5中的该映射中，学习值对于每一恒定FC电流区域(由图5中的虚线划分的区域1到6)切换，即，学习值对于相应于燃料电池10的输出的多个学习区域中的每一个学习区域切换。如在以后详细描述的，该学习值基于燃料电池10的运行状态被适当地更新。
随后，控制器件4将在步骤S9中获得的F/B值和在步骤S11中获得的学习值加到在步骤S3中获得的作为喷射器35的基本喷射时间的F/F值，以获得喷射器35的喷射时间(喷射量)(步骤S13)。
应该指出在该实施例中，喷射器35的喷射孔在完全打开和关闭阶段的两个阶段中切换，并且该完全地打开/关闭周期被设为恒定值，从而在喷射量和喷射时间之间存在恒定关联。
然后，控制器件4向喷射器35输出用于实现这种喷射时间的控制信号以控制喷射器35的喷射时间和喷射定时并且调节被供应到燃料电池10的氢气的流量和压力。
下面，参考图6的流程图描述用于图2的步骤S11中的学习值的计算流程。
特别地，控制器件4利用电流传感器13探测燃料电池10产生的电流(FC电流)(步骤S21)，并且通过使用例如示于图7中的映射，即，示出在相应于FC电流的氢气流量、喷射器35的初级压力(上游压力)和为每一预定氢气流量范围设定的学习区域(相应于燃料电池的输出的多个学习区域)之间的关系的映射获得将从氢气流量学习到的学习区域(步骤S23)。
应该指出在该实施例中，如图7所示，为每一氢气流量换言之为每一FC电流设定由虚线分隔的六个学习区域。
随后，判断由电流传感器13探测到的FC电流的改变值是否为预定值或者更小(燃料电池产生的电流的波动恒定或者更小)(步骤S25，图8)。当FC电流的该改变值超过预定值时(步骤S25：否)，流程返回到步骤S21。当该值为预定值或者更小时(步骤S25：是)，则判断在进入当前电流区域之后是否已经过预定时间(步骤S27，图8)。在这些步骤S25、S27中，基于电流改变值和在进入当前电流区域之后的经过的时间判断该状态是否为稳态。
在其中在进入当前电流区域之后没有经过预定时间的情形中(步骤S27：否)，流程返回到步骤S21。在其中已经经过预定时间的情形中(步骤S27：是)，判断以与在图2的步骤S7中相同的方式获得的FC入口压力差是否为预定值或者更小(被供应到燃料电池的燃料气体压力的波动恒定或者更小)(步骤S29，图9)。步骤S29的这个处理判断在以后描述的步骤S33中基于FC入口压力差设定的学习值是否能够在适当范围中，即，在适于学习的可以进行学习的状态中。
当该值不具有可以进行学习的状态时(步骤S29：否)，流程返回到步骤S21。当该值具有可以进行学习的状态时(步骤S29：是)，与图2的步骤S9相同的方式获得的喷射器喷射时间的反馈项(F/B值)的在前值和当前值被积分(步骤S31)。
随后，判断积分次数是否为预定次数或者更多(步骤S33)。当该次数小于预定次数时(步骤S33：否)，流程返回到步骤S21。当该次数为预定次数或者更多时(步骤S33：是)，在步骤S31中积分的喷射器喷射时间的F/B值除以积分次数以获得平均值，并且获得F/B值的该平均值作为在步骤S23中获得的学习区域中的当前学习值(步骤S35，图10)。
控制器件4通过以上的处理学习喷射器35的驱动特性。当对于所有学习区域1到6学习该驱动特性时，获得示于图5中的映射，并且当满足图6的步骤S25、S27、S29和S33的所有条件时，对于每一学习区域更新该映射。在设定喷射器35的驱动参数(在本实施例中的喷射时间)时反应该学习结果。即，该实施例的控制器件4是学习装置的一个实例。
如上所述，在根据本实施例的燃料电池系统1中，控制器件4不仅计算在基于燃料电池10的FC电流设定的FC入口目标压力和由次级压力传感器43探测到的FC入口压力之间的差，即，用于减小FC入口压力差的F/B值，而且还基于FC电流学习由于喷射器35的老化和个体差异而产生的FC入口压力差的波动，以基于学习结果设定喷射器喷射时间。
因此，在燃料电池10的运行期间，可根据运行状态适当地改变氢气的供应压力。另外，即使当压力大范围变化时，也可确保令人满意的压力响应性，而与由于喷射器35的老化和个体差异引起的波动无关。而且，喷射器35用作氢气流量调节阀和可变压力调节阀，从而显然的是，除了改进压力响应性之外能够实现精确压力调节。
进而，在该实施例的燃料电池系统1中，仅仅在其中FC电流和FC入口压力稳定的情形中，即，仅仅在适于学习的状态中学习FC入口压力差的波动。因此，防止由于除了喷射器35的老化和个体差异之外的因素引起的FC入口压力差的波动被错误的学习，并且能够确保令人满意的过渡特性和稳定性。
应该指出在以上的实施例中，已经描述了一个实例，其中探测在燃料电池10的发电期间的电流值(FC电流)，并且基于该电流值设定学习值，但是可基于其它物理量例如在发电期间燃料电池10的FC电流的差分值(改变率)、电压值和功率值、燃料电池10的温度、喷射器35的初级压力、喷射器35的次级压力和氢流量设定学习值。
而且，在以上的实施例中，仅仅在其中FC电流和FC入口压力是稳定的情形中，允许进行学习以防止错误学习。然而，控制器件可以判断燃料电池10的运行状态(起动状态、间歇运行状态、通常运行状态、净化运行状态、燃料电池自身的异常状态、燃料电池系统的异常状态等)的构成以例如在净化运行状态中禁止进行学习。即使在该情形中，也能防止错误学习。
而且，在以上的实施例中，已经描述了一个实例，其中根据本发明的燃料电池系统被安装在燃料电池车辆S上，但是根据本发明的燃料电池系统可被安装在除了燃料电池车辆S之外的任何类型的交通工具(机器人、船、飞机等)上。根据本发明的燃料电池系统可被应用于用作用于建筑物(房屋、楼房等)的发电设备的固定发电系统。
根据本发明，可以提供：一种具有令人满意的压力响应性而与气体状态可变供应器件的老化和个体差异无关的的燃料电池系统；以及一种车辆。因此，本发明可被广泛地用于这样要求的燃料电池系统和车辆中。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，包括：燃料电池；向该燃料电池供应燃料气体的燃料供应系统；气体状态可变供应器件，所述气体状态可变供应器件调节该燃料供应系统的上游侧上的气体状态，以将所述气体供应到下游侧；和控制装置，所述控制装置用于根据所述燃料电池的运行状态驱动和控制所述气体状态可变供应器件，
所述燃料电池系统设有学习装置，所述学习装置用于学习所述气体状态可变供应器件的驱动特性，以基于学习的结果设定所述气体状态可变供应器件的驱动参数。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述学习装置对于与所述燃料电池的输出对应的多个学习区域中的每个学习区域学习所述气体状态可变供应器件的驱动特性。
3.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述学习装置根据被供应到所述燃料电池的燃料气体的状态学习所述气体状态可变供应器件的驱动特性。
4.根据权利要求1的燃料电池系统，其中在所述燃料电池的产生的电流的波动和被供应到所述燃料电池的燃料气体的压力的波动恒定或较小时，所述学习装置进行所述学习。
5.根据权利要求4的燃料电池系统，其中当从所述燃料供应系统排放从所述燃料电池排出的燃料气体的废气时，所述学习装置禁止所述学习。
6.根据权利要求1到5中任一项的燃料电池系统，其中在系统制造期间，基于所述气体状态可变供应器件的个体差异设定所述驱动参数。
7.根据权利要求1到6中任一项的燃料电池系统，其中所述气体状态可变供应器件包括：内部通道，所述内部通道将所述气体状态可变供应器件的上游侧连接到所述气体状态可变供应器件的下游侧；阀体，所述阀体以可移动的方式布置在所述内部通道中，并且在所述阀体中，所述内部通道的开口面积根据所述阀体的运动位置改变；和阀体驱动部分，所述阀体驱动部分用电磁驱动力驱动所述阀体。
8.一种车辆，所述车辆包括根据权利要求1到7中任一项的燃料电池系统。
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