CN101416339B - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

当系统闲置时，可抑制阴极侧催化剂中的载体碳氧化以致发电性能下降，计算出相对于燃料电池(2)的燃料气体给排系统及氧化气体给排系统中的氢及氧的摩尔量，并进行控制，以使该燃料电池(2)停止时的燃料气体中及氧化气体中的可进行化学反应的氢和氧的摩尔比为2或其以上。优选根据燃料电池(2)中的单体电池电压的大小供给氢以维持摩尔比。并且优选在氧化气体给排系统中的气体流路上设置用于将该氧化气体密封在气体流路内的入口阀(17)及出口阀(18)。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统及其控制方法。进而详细表述的话，本发明涉及一种燃料电池系统的运转技术的改善。
背景技术
以往在使燃料电池系统为闲置状态的情况下，一般停止燃料电池的运转。并且以下技术是公知的：在如此停止燃料电池运转的期间，当氢压力为规定值以下时补给氢(例如参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2004-172028号公报
发明内容
但是，使燃料电池系统为闲置状态时，例如存在阴极侧催化剂中的载体碳氧化的情况。并且，由此还会造成单体电池电压持续地下降等发电性能下降的情况。进一步，作为在系统闲置状态下供给氢的结果，还存在会消耗过剩的氢的情况。
因此，本发明的目的在于供给一种燃料电池系统及其控制方法，当系统闲置时，可抑制阴极侧催化剂中的载体碳被氧化导致发电性能下降的情况，进一步可抑制过剩的氢消耗。
为了解决上述课题，本发明人进行了各种研究。在系统停止期间，空气从阴极出口侧吸入等，而进入到燃料电池内部，该空气会从阴极侧向阳极侧扩散。这样一来，该空气中的氧参与电化学反应，结果是虽然处于停止状态，但产生电压(本说明书中称为异常电位)，这一现象与载体碳的氧化有关。本发明人认为由于这一机理造成了发电性能下降，并着眼于所述机理进一步进行研究，结果发现了解决上述课题的技术。
本发明基于以上发现而产生，在具有燃料电池的燃料电池系统中，具有：计算单元，计算出相对于燃料电池燃料气体给排系统及氧化气体给排系统中的氢及氧的摩尔量；控制单元，进行控制，使得燃料电池停止时燃料气体中及氧化气体中的可进行化学反应的氢和氧的摩尔比为2或其以上。
根据如上研究得出的结论，为了尽量防止燃料电池中的载体碳氧化，除必要时外尽量防止氢和氧产生电气化学反应这一点可以说是至关重要的。此处，氢和氧在燃料电池中产生电气化学反应时的反应在阳极侧、阴极侧分别是：
(式1)
2H2→4H++4e-
(式2)
O2+4H++4e-→2H2O
因此，燃料电池中的全部反应可以用下述式表示：
(式3)
2H2+O2→2H2O
即，根据该理论式，氢和氧以摩尔比2：1的比例反应，因此将其作为一个目标值，在本发明中进行控制，使燃料气体中及氧化气体中的可进行化学反应的氢和氧的摩尔比为2或其以上。此时，在可进行化学反应的区域中成为氢比氧丰富存在的所谓富氢状态，因此可形成不会超过一定量地消耗氧的状态。例如，如果使上述摩尔比为一定值以上地供给氢并提高氢的压力(分压)，则可使氢比通常状态丰富。根据如此进行控制的本发明，通过形成富氢的条件可抑制电极催化剂的氧化，并且通过正确地计算并调节运转停止时的氢和氧的摩尔比，可抑制过剩的氢的消耗。
在所述燃料电池系统中优选根据燃料电池中的单体电池电压的大小供给氢以维持摩尔比。本发明的目的在于系统闲置时不产生异常电位，并由此抑制碳氧化和持续的发电性能下降，因此优选如此监视单体电池的电压，并根据其大小进行控制的手段。并且在本发明中，为了维持摩尔比而供给氢，成为氢丰富的状态。
在本发明中，计算单元根据燃料气体给排系统及氧化气体给排系统中的气体流路的规定区间的体积及氢或氧的压力进行计算。根据该计算单元，由此计算出燃料气体给排系统及氧化气体给排系统中的氢及氧的摩尔量，能够根据所述计算结果控制氢和氧的摩尔比。
并且，在本发明的燃料电池系统中优选：在氧化气体给排系统中的气体流路上设置用于将该氧化气体密封在气体流路内的入口阀及出口阀。进一步在本发明中，在燃料气体给排系统中的气体流路上设置该燃料气体的供给阀。如果使用该阀，则例如可尽量抑制氧化气体(代表例为空气)从氧化气体给排系统的出口侧流入到燃料电池，因此可抑制该氧化气体从阴极侧向阳极侧扩散并且氧参与电气化学反应的情况。由此，能够在燃料电池运转停止时(发电停止期间)，抑制异常电位的产生。
进一步，如上所述设置阀的情况下，计算单元能够根据位于阀和燃料电池之间的气体流路的规定区间的体积及氢或氧的压力进行计算。在气体由该阀密封在规定的通路内的状态下，可根据已知的值(划分的规定区间的体积)计算出氢及氧的摩尔量。并且，如果以从燃料电池来看最近的阀划分的区间为对象，则该对象区间的体积最小，因此可较高精度地计算出氢、氧的摩尔量，从这一点来说为优选。
并且优选根据该燃料电池的停止时间供给氢。只要无法完全抑制来自外部的空气流入就难于完全防止氧引起电化学反应。在这一点上可将该停止时间作为一个参数对待，例如通过定期地控制使摩尔比为规定值以上，由此来抑制异常电位的产生。
进一步，本发明的燃料电池系统的控制方法计算出相对于燃料电池的燃料气体给排系统及氧化气体给排系统中的氢及氧的摩尔量，并进行控制，以使该燃料电池停止时，燃料气体中及氧化气体中的可进行化学反应的氢和氧的摩尔比为2或其以上。
附图说明
图1是表示本实施方式中的燃料电池系统的构成的图。
图2是表示燃料电池系统中的燃料电池的周边部分的构成的图。
图3是表示本实施方式中的燃料电池系统的单体电池电压变动模型的一个例子的图表。
图4是表示现有的燃料电池系统中的单体电池电压变动模型的一个例子的比较用的图表。
具体实施方式
以下根据附图说明本发明的优选实施方式。
图1～图3表示本发明的燃料电池系统的实施方式。本发明的燃料电池系统1具有：燃料电池2；相对于该燃料电池2的燃料气体给排系统及氧化气体给排系统；计算单元，计算出这些燃料气体给排系统及氧化气体给排系统中的氢及氧的摩尔量；控制单元(以下也称为控制部)7，进行控制以使在燃料电池2停止时，燃料气体中及氧化气体中的可进行化学反应的氢和氧的摩尔比为2或其以上。并且，由此抑制以下现象：当系统闲置时，阴极侧催化剂中的载体碳被氧化以致发电性能下降。
以下首先说明燃料电池系统1的整体构成，之后说明用于抑制载体碳氧化、发电性能下降的上述构成。
图1表示本实施方式中的燃料电池系统1的概要构成。如图所示，燃料电池系统1具有：燃料电池2；将作为氧化气体的空气(氧)供给到燃料电池2的氧化气体给排系统(以下也称为氧化气体配管系统)3；将作为燃料气体的氢供给到燃料电池2的燃料气体给排系统(以下也称为燃料气体配管系统)4；将致冷剂供给到燃料电池2以冷却燃料电池2的致冷剂配管系统5；对系统电力进行充电放电的电力系统6；综合控制系统整体的控制部7。
燃料电池2例如由固体高分子电解质型构成，具有层积了多个单体电池的堆叠构造。燃料电池2的单体电池在由离子交换膜构成的电解质的一个面上具有空气极，在另一个面上具有燃料极，进一步具有从两侧夹住空气极及燃料极的一对隔板。燃料气体供给到一个隔板的燃料气体流路，氧化气体供给到另一个隔板的氧化气体流路，通过该气体供给，燃料电池2产生电力。
氧化气体配管系统3具有：被供给到燃料电池2的氧化气体流动的供给通路11；从燃料电池2排出的氧化废气流动的排出通路12。供给通路11中设有：通过过滤器13输入氧化气体的压缩机14；对通过压缩机14压送的氧化气体进行加湿的加湿器15。在排出通路12中流动的氧化废气经过背压调整阀16在加湿器进行完水分交换后，最终作为排气排出到系统外的大气中。压缩机14通过马达14a的驱动输入大气中的氧化气体。
燃料气体配管系统4具有：氢供给源21；从氢供给源21供给到燃料电池2的氢气流动的供给通路22；用于使从燃料电池2排出的氢废气(燃料废气)返回到供给通路22的合流点A的循环通路23；将循环通路23内的氢废气压送到供给通路22的泵24；与循环通路23分支连接的排出通路25。
氢供给源21例如由高压罐、贮氢合金等构成，其构成为例如可存留35MPa或70MPa的氢气。当打开氢供给源21的主阀26时，氢气流出到供给通路22。氢气通过调压阀27等的减压阀最终减压到例如200kPa左右，供给到燃料电池2。
在供给通路22的合流点A的上游侧设有截止阀28。氢气的循环系统通过依次连通以下通路而构成：供给通路22的合流点A的下游侧通路；在燃料电池2的分离器上形成的燃料气体流路；循环通路23。氢泵24通过马达24a的驱动将循环系统内的氢气循环供给到燃料电池2。
排出通路25上设有作为截止阀的清洗阀33。清洗阀33在燃料电池系统1运转时适当开阀，从而使氢废气中的杂质与氢废气同时排出到省略了图示的氢稀释器。通过清洗阀33的开阀，循环通路23内的氢废气中的杂质的浓度下降，并且循环供给的氢废气中的氢浓度上升。
致冷剂配管系统5具有：与燃料电池2内的冷却流路连通的致冷剂流路41；设置在致冷剂流路41上的冷却泵42；将从燃料电池2排出的致冷剂冷却的散热器43；绕过散热器43的旁通流路44；设定冷却水向散热器43及旁通流路44的流通的换向阀45。冷却泵42通过马达42a的驱动将致冷剂流路41内的致冷剂循环供给到燃料电池2。
电力系统6具有：高压DC/DC转换器61、蓄电池62、牵引变换器63、牵引电动机64及各种配件变换器65、66、67。高压DC/DC转换器61是直流的电压变换器，具有调整从蓄电池62输入的直流电压并输出到牵引变换器63侧的功能及调整从燃料电池2或牵引电动机64输入的直流电压并输出到蓄电池62的功能。通过高压DC/DC转换器61的这些功能，实现蓄电池62的充电放电。并且，通过高压DC/DC转换器61，控制燃料电池2的输出电压。
蓄电池62层积蓄电池单元并以一定的高压为端子电压，可通过未图示的蓄电池计算机的控制将剩余电力充电或辅助地供给电力。牵引变换器63将直流电流变换为三相交流，并供给到牵引电动机64。牵引电动机64例如是三相交流电动机，构成搭载燃料电池系统1的例如车辆的主动力源。
配件变换器65、66、67分别是控制对应的马达14a、24a、42a的驱动的马达控制装置。配件变换器65、66、67将直流电变换为三相交流，而分别供给到马达14a、24a、42a。配件变换器65、66、67例如是脉宽调制方式的PWM变换器，根据来自控制部7的控制命令，将由燃料电池2或蓄电池62输出的直流电压变换为三相交流电压，而控制由各马达14a、24a、42a产生的旋转扭矩。
控制部7作为内部具有CPU、ROM、RAM的微型计算机构成。CPU根据控制程序进行预期的计算，并进行下述泵24的解冻控制等各种处理、控制。ROM存储在CPU中处理的控制程序、控制数据。RAM主要用于控制处理的各种作业区域。控制部7输入在气体系统(3、4)、致冷剂系统5中使用的各种压力传感器、温度传感器、外部气温传感器等的检测信号，向各构成要素输出控制信号。
接着说明在本实施方式中用于抑制载体碳氧化、发电性能下降的燃料电池系统1的构成或功能(参照图2等)。
如上所述，该燃料电池系统1抑制以下现象：当系统闲置时(燃料电池2的运转停止时)，阴极侧催化剂中的载体碳氧化导致放电性能下降。并且为了实现这一点，计算出燃料气体配管系统4及氧化气体配管系统3中的氢及氧的摩尔量，并且控制在燃料电池2停止时燃料气体中及氧化气体中的可进行化学反应的氢和氧的摩尔比。
用于计算燃料气体配管系统4及氧化气体配管3中的氢及氧的摩尔量的计算单元，特别是虽未图示，例如由气体压力计、气体分析计、温度传感器、氢传感器等构成。并且，基于计测的各参数值的计算例如可在上述控制部7进行。此外，氢传感器对氢灵敏并检测出光学或电气物理性变化，因此一般情况下使用半导体式、燃烧式、光学式、电阻式的装置。
在此对计算氢及氧的摩尔量时的基本方法进行如下概要说明。即，例如对于燃料气体(氢)，当将该燃料气体的压力(分压)设为PH2、体积设为VH2、温度设为TH2、气体常数设为R时，根据状态方程式，其摩尔量nH2可通过下式求出：
(式4)
nH2＝PH2VH2/R TH2
同样地，对于氧化气体，当设该氧化气体的压力(分压)为PO2、体积设为VO2、温度设为TO2、气体常数设为R时，，其摩尔量nO2可通过下式求出：
(式5)
nO2＝PO2VO2/R TO2
此外，上述基本构思如上所述基于理论式(状态方程式)，实际适用时优选还考虑其他要素进行适当修正。例如，对于空气中含有的水蒸气，作为考虑该状态下的水蒸气压的一个手段，可将饱和水蒸气压作为所谓的近似值处理。并且在本实施方式中，根据上述理论式，将摩尔比控制为2或其以上，但是这是阈值(目标值)的最小目标值为2时的情况，根据情况也可设定超过2的值，并取得用于充分抑制载体碳的氧化、发电性能下降的极限。
并且在本实施方式中，根据燃料电池2中的单体电池电压的大小供给燃料气体(氢)。本来在本实施方式中，其目的在于使系统闲置时(燃料电池2运转停止时)不产生异常电位，由此抑制催化剂的碳氧化及持续的发电性能下降，因此实际上监视单体电池的电压，并根据其大小适当供给燃料气体，在能够有效抑制异常电位这一点上优选。并且与仅供给燃料气体时相比，根据基于单体电池的情况进行控制的本实施方式，从可抑制燃料气体的过剩的消耗这一点上也优选。
进一步，在本实施方式中，在氧化气体配管系统3的供给通路11及排出通路12上分别设置入口阀17及出口阀18，使氧化气体能够密封在气体流路内的规定区间(参照图2)。这样一来，当系统闲置时，可将氧化气体密封于由这些阀17、18划分的燃料电池2侧的规定区间内，并且，例如可尽量抑制氧化气体从氧化气体配管系统3的出口侧(排出通路12侧)流入(逆流)，因此可有效抑制该氧化气体从阴极侧向阳极侧扩散从而氧参与电化学反应。
并且，在燃料气体配管系统4中的气体流路中设有用于供给燃料气体的供给阀。例如在本实施方式的情况下，将上述截止阀28(进而调压阀27)作为此处所说的供给阀使用(参照图1、图2)。如果是这种情况下，能将由该供给阀划分的燃料电池2侧的规定区间的体积作为式4中的VH2在计算摩尔量时使用。
此外如图2所示，在本实施方式中，将该入口阀17、出口阀18配置在与燃料电池2相邻的位置。该情况下进一步优选：配置这些入口阀17、出口阀18以在系统闲置时使燃料气体和氧化气体的摩尔比为2或其以上。例如，如果将入口阀17和出口阀18紧邻配置在燃料电池2的附近，则由于氧化气体侧的规定区间体积仅变小该贴近度，可成为较大值的摩尔比。
根据以上说明的本实施方式的燃料电池系统1，在系统闲置时，可抑制阴极侧催化剂中的载体碳氧化以致发电性能下降(参照图3、图4。图中作为电位差表示的1V是一个例子)。即，例如从阴极出口侧吸入等的氧化气体进入燃料电池2，当该气体从阴极侧向阳极侧扩散时，氧参与电化学反应，在系统闲置时，产生异常电位的情况如上所述(参照图4)，与之相对，在本实施方式中，通过使供于电化学反应的气体存在的区域内为富氢状态，抑制异常电位(参照图3)。即，以基于理论式的摩尔比为目标值，通过超过这一目标值地供给氢，在可进行化学反应的区域中形成氢比氧丰富存在的所谓富氢状态。在这种情况下，燃料电池2的阳极、阴极均可以是附近没有氧(或基本没有)的状态，因此可使得不产生化学反应从而抑制异常电位。在这种情况下，根据情况，阳极、阴极可同时变为处于氢气氛下的状态，从而两极可成为相同电位。
并且如上所述，通过供给燃料气体(氢)，在系统停止状态下可提高氢压力，还具有以下优点。即，例如在本实施方式中，在氧化气体配管系统3中设置入口阀17、出口阀18(参照图2)，假如在担心氧化气体(空气)可能从这些阀17、18漏入的情况下，如果形成提高了氢压力的状态，则可抑制该空气的泄漏，即使发生漏入，也可抑制从阴极侧向阳极侧扩散从而氧参与电化学反应。因此，例如在系统闲置状态持续较长时间的情况下，可允许入口阀17、出口阀18中的泄漏量至一定程度。换句话说，优选预见到上述情况而使燃料气体(氢)略多地供给。
并且，根据本实施方式的燃料电池系统1，具有可抑制过剩的燃料气体(氢)的消耗的优点。即，当过剩地供给燃料气体(氢)时，燃耗下降，或再起动时从阴极的排出氢量增加，但在本实施方式的燃料电池1中，为了根据单体电池电压的大小维持摩尔比而进行氢供给，因此可抑制过剩的消耗。
此外，上述实施方式是本发明的优选实施例，但不限于此，在不脱离本发明主旨的范围内可进行各种变形实施。例如在上述实施方式中，监视单体电池电压，根据其大小适当供给燃料气体，但其仅是优选的一个例子，例如当难于监视单体电池电压时，或当系统闲置时间较长时，也可采用根据该闲置时间(燃料电池2的停止时间)供给氢的手段。举例而言，每经过一定时间供给一定量的氢。并且，当配管系统中具有阀(入口阀17、出口阀18)等时，存在难于完全抑制来自外部的空气流入的情况，但可如此将系统停止时间作为一个参数对待，例如可进行定期的控制以使摩尔比为规定值以上，由此来抑制异常电位的产生。并且由于当定期供给氢时也可抑制该氢的过剩的消耗，因此可实现燃耗改善。
根据本发明，可抑制系统闲置时阴极侧催化剂中的载体碳氧化以致发电性能下降。并且还可抑制过剩的氢消耗。
因此，本发明可广泛应用于具有这种要求的燃料电池系统。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，具有燃料电池、相对于该燃料电池的燃料气体给排系统以及氧化气体给排系统，
所述燃料电池系统具有：
以将氧化气体密封在上述氧化气体给排系统中的气体流路内为目的而设置在该气体流路中氧化气体供给通路侧的入口阀及设置在氧化气体排出通路侧的出口阀；
该燃料气体的供给阀，设置在上述燃料气体给排系统中的燃料气体供给通路侧；
压缩机，设置在所述气体给排系统中的气体流路中的氧化气体供给通路侧，用于输入氧化气体；
控制单元，进行控制，以使在上述燃料电池运转停止时、上述燃料气体给排系统内的上述燃料气体中可在该燃料电池中进行化学反应的氢与由上述入口阀及上述出口阀密封的上述气体流路内的氧化气体中可进行化学反应的氧的摩尔比大于最小目标值2，以使所述燃料电池的阳极和阴极同时变为氢气氛下的状态；和
计算单元，计算出上述燃料气体给排系统中可进行化学反应的氢及上述氧化气体给排系统中可进行化学反应的氧的摩尔量，
根据上述燃料电池中的单体电池电压的大小供给上述氢以维持上述摩尔比。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，上述计算单元根据上述氧化气体给排系统及上述燃料气体给排系统中的气体流路的规定区间的体积和上述氢或氧的压力进行计算，其中，所述气体流路包含处于上述燃料电池内部的气体流路部分。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，上述计算单元根据位于上述阀和上述燃料电池之间的上述气体流路的规定区间的体积和上述氢或氧的压力进行计算。
4.根据权利要求1～3的任意一项所述的燃料电池系统，将该燃料电池的运转停止时间作为参数，根据该参数供给上述氢。
5.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具有燃料电池、相对于该燃料电池的燃料气体给排系统以及氧化气体给排系统，
使用以将氧化气体密封在上述氧化气体给排系统中的气体流路内为目的而设置在该气体流路中氧化气体供给通路侧的入口阀及设置在氧化气体排出通路侧的出口阀、设置在上述燃料气体给排系统中燃料气体供给通路侧的该燃料气体的供给阀、和设置在所述气体给排系统中的气体流路中的氧化气体供给通路侧并用于输入氧化气体的压缩机；
使在上述燃料电池运转停止时、上述燃料气体给排系统内的上述燃料气体中可在该燃料电池中进行化学反应的氢与由上述入口阀及上述出口阀密封的上述气体流路内的氧化气体中可进行化学反应的氧的摩尔比大于最小目标值2，以使所述燃料电池的阳极和阴极同时变为氢气氛下的状态；
计算出上述燃料气体给排系统中可进行化学反应的氢及上述氧化气体给排系统中可进行化学反应的氧的摩尔量；
根据上述燃料电池中的单体电池电压的大小供给上述氢，并控制该燃料电池停止时上述燃料气体中及上述氧化气体中可进行化学反应的氢和氧的摩尔比。
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