CN101379645A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池系统(10)包括:燃料电池(1);氢供应设备(2),用于向燃料电池(1)供应氢气;阳极废气通道(22),从燃料电池(1)的阳极侧排放出的阳极废气流经阳极废气通道(22);氢浓度传感器(3),其测量阳极废气中氢的浓度;和传感器校正设备(4),当自氢供应设备(2)向所述燃料电池的氢气供应停止时起经过预定时间后,所述传感器校正设备(4)利用氢浓度传感器(3)测量氢浓度,并基于测量出的氢浓度来校正氢浓度传感器(3)的测量值。
Description
技术领域
[0001]本发明涉及通过电化学反应产生电能的燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
[0002]燃料电池系统将诸如氢气的燃料气体和包含氧气的氧化气体供应到燃料电池,使这些气体通过燃料电池的电解质彼此发生电化学反应以获得电能。
[0003]相关技术的燃料电池系统在阳极废气通道上设有氢浓度传感器,从燃料电池排放出的阳极废气流经该阳极废气通道,且所述氢浓度传感器测量包含在阳极废气中的氢的浓度(例如,见公开号为2004-95300的日本专利申请(JP-A-2004-95300))。
[0004]通过氢浓度传感器测量出的氢浓度被用来进行燃料电池系统的各种控制操作,诸如调节从燃料电池的阳极侧排放出的阳极废气的量。因此要求氢浓度传感器具有高测量精度。但是,随着氢浓度传感器的长时间使用,其精度会降低,这会引起误差。
发明内容
[0005]本发明的目的是降低氢浓度传感器的测量误差,和即使在设置有测量氢浓度的氢浓度传感器的燃料电池系统中长期使用后,也可以维持氢浓度传感器的测量精度。
[0006]本发明的第一方案是燃料电池系统,其包括:燃料电池,其通过氢气和氧化气体之间的电化学反应来发电;氢供应设备,用于向所述燃料电池供应所述氢气;阳极废气通道,从所述燃料电池的阳极侧排放出的阳极废气流经所述阳极废气通道;氢浓度传感器,其设置在所述阳极废气通道上,测量所述阳极废气中氢的浓度;和传感器校正设备,自所述氢供应设备向所述燃料电池的所述氢气供应停止时起经过预定时间后,所述传感器校正设备利用所述氢浓度传感器来测量所述氢浓度,并且基于所述测量出的氢浓度来校正所述氢浓度传感器的参考点。
[0007]根据第一方案的燃料电池系统包括的传感器校正设备用于校正所述氢浓度传感器的所述参考点,且可以校正测量值,因此可以使用所述传感器校正设备校正所述传感器的参考点。自所述氢供应设备向所述燃料电池的所述氢气供应停止时起经过所述预定时间后,所述传感器校正设备基于由所述氢浓度传感器测量出的所述氢浓度来校正所述氢浓度传感器的所述参考点。
[0008]所述预定时间为:当自停止氢气供应时起经过所述预定时间时,所述氢浓度传感器的测量值应当变成某一值,诸如0%。一般地,供应到所述燃料电池的氢气在发电过程中被消耗掉。但是,即使在发电过程和氢气供应都停止的条件下,由于所述氢与流经所述电解质膜到所述阳极侧的氧反应或被流经所述电解质到所述阳极侧的氮或氧所代替,氢浓度减小。自停止氢气供应时起经过所述预定时间后,氢浓度变成几乎恒定,且假定所述氢气传感器的测量值也变得恒定。假设在作为理论值的估计的氢浓度和所述氢浓度传感器的实际测量值之间的差值是误差,则根据第一方案的燃料电池系统校正该误差。
[0009]更具体地,例如,事先计算从所述氢气供应停止的时刻到所述氢浓度传感器的测量值变成基本上为0%的时刻所经过的时间,及假设当自停止所述氢气供应时起经过预定时间时所述氢浓度是0%。如果经过所述预定时间后所述氢浓度传感器的测量值不是0%,则根据所述实际测量值和0%之间的差值是误差的假设来校正所述传感器的测量值。
[0010]如果比较理论值的氢浓度和实际测量的氢浓度,及以这种方式基于它们之间的差值来校正所述氢浓度传感器的测量值,则有可能校正所述氢浓度传感器的参考点。结果,即使所述氢浓度传感器被长时间使用且变得退化导致测量值有误差,也可以适当地校正所述传感器的误差。另外,如果以预定的频率实施这样的校正,则即使长期使用也可以维持所述氢浓度传感器的测量精度。
[0011]根据本发明的燃料电池系统的传感器校正设备可以在维持所述燃料电池中的发电过程的同时停止向所述燃料电池供应氢气,及自停止向所述燃料电池供应氢气时起经过所述预定时间后测量所述氢浓度。
[0012]如果在维持所述燃料电池中的发电过程的同时停止向所述燃料电池供应氢气,则确保在所述燃料电池中的氢气在发电过程中被消耗掉,那么其浓度将因此而降低。因此,停止氢气供应后有可能加快氢浓度减小的速度。例如,当将所述预定时间设置为从氢气供应停止的时刻到所述氢浓度应该为0%的时刻所经过的时间的情况下,如果所述氢浓度减小的速度加快,则所述燃料电池会更快进入氢浓度应该为0%的状态,这可以缩短用于实施校正的预定时间。
[0013]根据上述方案的燃料电池系统中的所述预定时间为:当如上所述自停止向所述燃料电池的氢气供应时起经过所述预定时间时,通过所述氢浓度传感器测量的在所述阳极废气通道中的氢浓度应该变成基本上为0%。或者所述预定时间为:当自停止向所述燃料电池的氢气供应时起经过所述预定时间时,所述氢浓度应该变成另一恒定的浓度。换句话说,所述预定时间能够为:当自停止向所述燃料电池的氢气供应时起经过所述预定时间时,氢浓度应该变成恒定浓度。根据组成所述燃料电池的电解质膜的渗透系数、所述燃料电池中氢气的体积、所述阳极废气通道内部的容积等适当设置所述预设时间。
[0014]根据本发明上述方案的燃料电池系统,可以校正氢浓度传感器的误差,这样即使长期使用也可以维持所述氢浓度传感器的测量精度。
附图说明
[0015]参照附图对优选实施方式的说明将使本发明的上述和另外的目的、特征和优点变得显而易见,其中相同的标记用于表示相同的元件,其中:
图1是根据一实施方式的燃料电池系统的结构图;和
图2是表示根据该实施方式的燃料电池系统中操作程序的流程图。
具体实施方式
[0016]参照附图详细说明根据本发明的燃料电池系统的实施方式。根据该实施方式的燃料电池系统是用在将燃料电池系统用作驱动电源的燃料电池车中的示例性实施方式。
[0017]图1是根据该实施方式的燃料电池系统的结构图。燃料电池系统10包括:燃料电池1,其通过氢气和氧化气体之间的电化学反应发电;高压氢罐2,其作为向燃料电池1供应氢气的氢供应设备,高压氢罐2存储作为燃料气体的氢气;高压氢罐2的放气阀6;调节器阀7,用于调节从高压氢罐2排放的氢气的压力;氧化气体供应通道21,待供应到燃料电池1的空气流经该氧化气体供应通道21;空气压缩机8,其设置在氧化气体供应通道21上,将氧化气体供应到燃料电池1;阳极废气通道22,从燃料电池1的阳极侧排放的阳极废气流经该阳极废气通道22;氢浓度传感器3,其设置在阳极废气通道22上,测量阳极废气中的氢的浓度;排气阀5,其设置在阳极废气通道22上氢浓度传感器3的下游,用于将阳极废气从系统中排放出;调节器阀9,用于调节从燃料电池1的阴极侧排放出的阴极废气的压力;和ECU 4,其实施各种控制操作,诸如控制高压氢罐2的氢气供应,控制氧化气体供应,以及控制燃料电池1的发电。
[0018]氢浓度传感器3测量流经阳极废气通道22的阳极废气中的氢浓度。由氢浓度传感器3测量出的值被输入ECU 4。ECU 4根据氢浓度通过操作排气阀5来调节排放的阳极废气的量,以将阳极废气通道22中的氢浓度调节到预定的浓度。
[0019]从燃料电池1的阳极侧排放的阳极废气包含了在电化学反应中未被消耗掉的氢,以及流经电解质膜到阳极侧的氮。但是,如果停止高压氢罐2的氢气供应,则阳极废气中的氢或者与流经电解质膜的氧反应,或者流经电解质膜到阴极侧。因此,当停止从高压氢罐2的氢气供应时,氢浓度随着时间的流逝而降低。
[0020]在该实施方式中,事先确定自停止氢供应时起经过的时间和当自停止氢供应时起经过相同时间的氢浓度之间的关系;且将从氢气供应停止的时刻到设置有氢浓度传感器的阳极废气通道22中的氢浓度变成基本上是0%的时刻所经过的时间设置为预定时间。当自停止氢气供应时起经过该预定时间时,使用氢浓度传感器3测量氢浓度,且使用测量值和作为理论值的0%之间的差值作为误差来校正氢浓度传感器3的测量值。
[0021]在该实施方式中,当停止燃料电池1的发电时,计算氢浓度传感器3的校正值,及,基于反映计算出的校正值的氢浓度,实施燃料电池系统10的各种控制操作,诸如调节排放的阳极废气的量。
[0022]下面将详细说明如上文所述构造的燃料电池系统10中实施的传感器校正控制。下文说明的各种控制操作通过ECU 4来实施。图2是表示根据该实施方式的传感器校正控制的流程图。
[0023]当燃料电池1中实施发电过程时,ECU 4使用氢浓度传感器3测量流经阳极废气通道22的阳极废气中的氢浓度(S101),以根据氢浓度来调节从所述系统排放出的阳极废气的量。
[0024]步骤S102是在步骤S101中测量的氢浓度加上稍后说明的校正值α,以设定在实行各种控制操作中被作为参考的氢浓度的步骤。在该实施方式中,使用通过在由氢浓度传感器3实际测量的值上加上校正值α所获得的值,作为氢浓度的参考点,实行各种控制操作,诸如控制排放出的阳极废气的量和控制氢气和氧化气体的供应量。因此,在步骤102和步骤102后在正常操作条件下(即,当燃料电池发电时),基于校正的氢浓度实施各种控制操作,诸如控制排放出的阳极废气的量。
[0025]接着,将说明当燃料电池1发电停止时实施的对传感器的校正。当接收指示车辆的点火开关的断电操作的信号时(S201),ECU4停止燃料电池1的发电(S202),并停止从高压氢罐2到燃料电池1的氢供应(S203)。
[0026]随后,ECU 4实施氢浓度传感器3的校正。ECU 4等待直到自步骤S203中停止氢气供应时起经过预定时间(S204),然后当已经过预定时间时,使用氢浓度传感器3测量氢浓度(S205)。
[0027]所述预定时间为:当经过了该预定时间时,氢浓度传感器3的测量值应该基本上变为0%。所述预定时间是被预设的。如果步骤S205中测量的氢浓度不是0%,则该测量值与作为理论值的0%之间的差值是误差,并将该误差设为校正值α(S206)。
[0028]具体地,将当自停止氢气供应时起经过预定时间时测量的氢浓度的理论值α1减去当自停止氢气供应时起经过预定时间时实际测量的值α2所获得的值是校正值α。值α是当步骤S102中校正氢气浓度时被加到测量值中的值。
[0029]当基于阳极废气通道22中的氢浓度实施各种控制操作时,将因此计算出的校正值α加到传感器的测量值上(S102)。即使氢浓度传感器3使用了很长时间且随着时间而退化,也可以通过实施适当的校正来适当校正由于退化而产生的误差。
[0030]例如,尽管将步骤S206中计算出的值,即单次测量后计算出的值,用作该实施方式中的校正值,也可以将通过多次计算校正值且平均所计算的校正值所获得的平均值用作校正值。另外,可以设置校正值的上限和下限。通过以这种方式适当地设定校正值,可以改进氢浓度传感器的测量精度和降低测量误差。
[0031]另外,在上文所说明的实施方式中,尽管在燃料电池中停止发电过程的条件下停止氢气供应,但本发明不局限于该配置。燃料电池中的发电过程在停止氢气供应的条件下可以持续一段时间。如果燃料电池中的发电过程以这种方式持续,可以将从停止氢气供应时到氢浓度变成基本上为0%时经过的预定时间设定成更短的时间。
[0032]尽管已参照被认为是优选的实施方式对本发明进行说明,但应当理解的是本发明不局限于所公开的实施方式或结构。
Claims (7)
1、一种燃料电池系统,包含:
燃料电池,其通过氢气和氧化气体之间的电化学反应来发电;
氢供应设备,其向所述燃料电池供应所述氢气;
阳极废气通道,从所述燃料电池的阳极侧排放出的阳极废气流经所述阳极废气通道;
氢浓度传感器,其设置在所述阳极废气通道上,测量所述阳极废气中氢的浓度;和
传感器校正设备,自所述氢供应设备向所述燃料电池的所述氢气供应停止时起经过预定时间后,所述传感器校正设备利用所述氢浓度传感器来测量所述氢浓度,并且依照基于所述测量出的氢浓度来校正来自所述氢浓度传感器的测量值。
2、根据权利要求1所述的燃料电池系统,其中
所述传感器校正设备在维持所述燃料电池中的所述发电过程时停止向所述燃料电池的所述氢气供应,并且自向所述燃料电池的所述氢气供应停止时起经过所述预定时间后测量所述氢浓度。
3、根据权利要求1或2所述的燃料电池系统,其中
所述预定时间为:当自停止向所述燃料电池的所述氢气供应时起经过所述预定时间时,由所述氢浓度传感器测量出的所述阳极废气通道中的所述氢浓度应当基本变为0%。
4、根据权利要求1或2所述的燃料电池系统,其中
所述传感器校正设备利用所述氢浓度传感器多次测量所述氢浓度,并且基于所述测量出的氢浓度的平均值来校正来自所述氢浓度传感器的所述测量值。
5、根据权利要求1或2所述的燃料电池系统,其中,当校正来自所述氢浓度传感器的所述测量值时,所述传感器校正设备对所述校正值设置上限和下限。
6、一种控制燃料电池系统的方法,包含:
停止向所述燃料电池的氢气供应;
自所述氢气供应停止时起经过预定时间后,测量阳极废气通道中的氢浓度;
基于所述测量出的氢浓度来计算所述氢浓度的校正值;
依照基于所述计算出的校正值来校正所述氢浓度的测量值;及
基于所述校正的氢浓度来控制所述燃料电池系统。
7、根据权利要求6所述的控制燃料电池系统的方法,其中
在利用所述燃料电池继续发电时停止向所述燃料电池的所述氢气供应,并且自停止向所述燃料电池的所述氢气供应时起经过所述预定时间后,测量所述阳极废气通道中的所述氢浓度。
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