CN101467294A - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
在本发明中，在FC入口目标压力的初始设定(步骤S1)之后，使FC入口目标压力维持该初始设定值，直到提供给燃料电池阳极的气体中的杂质浓度变为预定值以下(步骤S3：NO)；该初始设定值设定得比通常发电时根据FC电流设定的FC入口目标压力高；如果提供给燃料电池(10)的阳极的气体中的杂质浓度变为预定值以下(步骤S3：YES)，则使用表示在步骤S5中检测出的FC电流与根据对燃料电池(10)的要求输出而设定的FC入口目标压力的关系的映射，求出FC入口目标压力(步骤S7)。
Description
技术领域
本发明涉及一种系统起动时进行发电恢复处理的燃料电池系统。
背景技术
关于把通过燃料气体和氧化气体的电化学反应来发电的燃料电池作为能源的燃料电池系统，例如日本特开2004-165058号公报中公开了以下技术：在系统起动后的预热运行中，当判断出燃料电池的输出电压较低、并判断出该输出电压的下降是由残留在燃料电池内的氮引起时，增加提供给燃料电池的燃料气体的流量，进行所谓发电恢复处理。
发明内容
在系统起动时进行发电恢复处理的燃料电池系统中，系统起动后，在刚刚转换到通常运行(通常发电)后，由于实际的压力(以下称为实际压力)高于提供给阳极的目标气体供给压力(以下称为目标压力)，因此虽然阳极内的杂质(例如氮)的浓度较高，也要进行减压处理，以使实际压力与目标压力一致。
在该减压处理中，不再向位于调整提供给阳极的气体供给压力的调压阀的下游侧的燃料电池提供新的燃料气体，因此导致阳极内的燃料气体浓度下降，并且导致燃料电池的发电电压(单电池电压)下降，对于顺利向通常运行转换、或维持正常的通常运行造成影响。
本发明是鉴于以上情况而提出的，其目的在于，抑制系统起动时进行发电恢复处理后可能产生的燃料电池的发电电压下降。
为了实现上述目的，本发明提供一种燃料电池系统，具有：燃料电池；燃料供给系统，用于向上述燃料电池的阳极提供燃料气体；调整单元，设置在上述燃料供给系统中，调整提供给上述阳极的气体供给量，其中，在系统起动时，上述调整单元将从燃料供给源提供给上述阳极的新燃料气体供给量维持得高于通常发电时根据上述燃料电池的发电电流设定的新燃料气体供给量，直到提供给上述阳极的气体中的杂质浓度下降到预定值以下。
根据该构成，系统起动时，进行发电恢复处理，以将压力比通常发电时高的燃料气体提供给阳极，接着在刚转换到通常运行(通常发电)后，即使进行了使阳极入口侧的实际压力与目标压力一致的减压处理，阳极内含有的燃料气体供给系统中的杂质浓度也会下降到预定值以下；换言之，由于燃料气体浓度提高到预定浓度以上，因此伴随着减压处理，即使提供给阳极的燃料气体供给量处于比此前的气体供给量下降的状态时，也可抑制燃料电池的发电电压(单电池电压)的下降。
上述调整单元可具有：可变气体供给装置，将上述燃料供给系统的上游侧的气体状态调整为目标值，并向下游侧提供气体；控制装置，根据上述目标值对上述可变气体供给装置进行驱动控制；并且，当系统起动时，使上述可变气体供给装置对上述阳极的气体供给量比通常发电时增加。
上述可变气体供给装置也可以在系统起动时将压力比通常发电时高的燃料气体提供给上述阳极，并将提供给上述阳极的气体供给压力维持得高于通常发电时，直到提供给上述阳极的气体中的氮浓度下降到预定值以下。
也可具有：循环流路，使从上述燃料电池的阳极出口排出的燃料废气与上述新燃料气体合流，并再次提供给阳极入口；开关阀，设置在上述循环流路中，在打开时将上述燃料废气排出到系统外；上述调整单元根据上述开关阀的打开，使提供给上述阳极的气体供给量比此前的气体供给量下降。
当开关阀打开而将一部分燃料废气排出到系统外时，自燃料供给源提供给阳极的新燃料气体和燃料废气的混合气体的杂质浓度变低；换言之，由于混合气体的燃料气体浓度变高，因此即使提供给阳极的气体供给量比此前的气体供给量降低，也可抑制发电电压的下降。因此，根据这种构成，通过使提供给阳极的气体供给量比此前的气体供给量下降，也可抑制燃料电池的发电电压的下降，同时改善燃耗。
上述可变气体供给装置可具有：阀座，具有喷射气体燃料(燃料气体)的喷射孔；喷嘴体，将该气体燃料提供引导至喷射孔；阀体，以能够相对该喷嘴体在轴线方向上移动的方式收纳保持该阀体；通过电磁驱动力以预定的驱动周期驱动上述阀体，从而对上述喷射孔进行开关。
根据本发明，可抑制系统起动时进行发电恢复处理后可能产生的燃料电池的发电电压下降。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式涉及的燃料电池系统的构成图。
图2是用于说明图1所示的喷射器的控制流程的流程图。
图3是图2所示的流程图的步骤S7的处理中使用的映射的一例。
图4是图2所示的流程图的步骤S9的处理中使用的映射的一例。
图5是用于说明根据图2所示的流程图控制图1所示的喷射器时的燃料电池的入口侧目标压力和实际压力的关系的图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施方式涉及的燃料电池系统1。在本实施方式中，对将本发明应用于燃料电池车辆(移动体)的车载发电系统的例子进行说明。首先，使用图1说明本发明的实施方式涉及的燃料电池系统1的构成。
如图1所示，本实施方式涉及的燃料电池系统1具有接收反应气体(氧化气体及燃料气体)的供给并产生电力的燃料电池10，并且还具有：氧化气体配管系统(燃料供给系统)2，向燃料电池10提供作为氧化气体的空气；氢气配管系统3，向燃料电池10提供作为燃料气体的氢气；统一控制整个系统的控制装置4等。
燃料电池10具有层压预定个数的单电池而构成的层叠构造，上述单电池接收反应气体的供给并发电。由燃料电池10产生的电力被提供给PCU(Power Control Unit：电力控制单元)11。PCU11具有配置在燃料电池10和牵引电机12之间的变换器、DC-DC转换器等。并且，燃料电池10上安装有检测发电中的电流的电流传感器13。
氧化气体配管系统2具有：空气供给流路21，将由加湿器20加湿后的氧化气体(空气)提供给燃料电池10；空气排出流路22，将从燃料电池10排出的氧化废气引导到加湿器20；和排气流路23，用于将氧化废气从加湿器20引导到外部。空气供给流路21中设有压缩机24，以导入大气中的氧化气体，并压送到加湿器20。
氢气配管系统3具有：作为燃料供给源的储氢罐(燃料供给源)30，贮存高压(例如70MPa)的氢气；作为燃料供给流路的氢气供给流路31，用于将储氢罐30中的氢气提供给燃料电池10；和循环流路32，用于使从燃料电池10排出的废氢气返回到氢气供给流路31。氢气配管系统3是本发明中的燃料供给系统的一个实施方式。
此外，也可替代储氢罐30，将以下装置用作燃料供给源：改性器，由烃类燃料生成富氢的改性气体；和高压气体罐，使由该改性器生成的改性气体为高压状态并蓄压。并且，也可将具有储氢合金的燃料罐用作燃料供给源。
氢气供给流路31上设有：截止阀33，截断或允许来自储氢罐30的氢气供给；调节器34，调整氢气的压力；和喷射器(可变气体供给装置)35。在喷射器35的上游侧设有检测氢气供给流路31内的氢气的压力及温度的一次侧压力传感器41及温度传感器42。并且，在喷射器35的下游侧、氢气供给流路31和循环流路32的合流部的上游侧，设有检测氢气供给流路31内的氢气压力的二次侧压力传感器43。
调节器34是将该上游侧压力(一次压力)调整为预先设定的二次压力的装置。在本实施方式中，将对一次压力进行减压的机械式减压阀用作调节器34。作为机械式减压阀的构成，可采用如下公知的构成：背压室和调压室具有以隔膜隔开而形成的框体，通过背压室内的背压，在调压室内使一次压力减压为预定的压力，作为二次压力。
在本实施方式中，如图1所示，在喷射器35的上游侧配置二个调节器34，从而可有效降低喷射器35的上游侧压力。因此，可提高喷射器35的机械构造(阀体、框体、流路、驱动装置等)的设计自由度。
并且，由于可降低喷射器35的上游侧压力，因此可抑制由于喷射器35的上游侧压力和下游侧压力的差压增大而引起的喷射器35的阀体难以移动的情况。因此，可扩大喷射器35的下游侧压力的可变调压幅度，并且可抑制喷射器35的响应性下降。
喷射器35是以电磁驱动力直接按预定的驱动周期驱动阀体使其与阀座隔离，从而可调整气体流量、气体压力等气体状态的电磁驱动式的开关阀。喷射器35具有阀座，其具有喷射氢气等气体燃料的喷射孔，并且还具有：喷嘴体，将该气体燃料提供引导至喷射孔；阀体，以能够相对该喷嘴体在轴线方向(气体流动方向)上移动的方式收纳保持该阀体。
在本实施方式中，喷射器35的阀体由作为电磁驱动装置的螺线管驱动，通过向该螺线管供电的脉冲状励磁电流的开、关，可二阶段、多阶段、连续地(无阶段)或线性地切换喷射孔的开口面积。并且，根据从控制装置4输出的控制信号，控制喷射器35的气体喷射时间及气体喷射时期，以高精度地控制氢气的流量及压力。
如上所述，喷射器35通过电磁驱动力直接对阀(阀体及阀座)进行开关驱动，其驱动周期可在高响应的区域控制，因此具有较高的响应性。
此外，通过喷射器35的阀体的开关来调整气体流量，并且提供给喷射器35的下游的气体压力比喷射器35的上游的气体压力降低，因此可将喷射器35解释为调压阀(减压阀、调节器)。并且，在本实施方式中还可解释为：根据气体要求，为了在预定的压力范围内与要求压力一致，可改变喷射器35的上游气体压力的调压量(减压量)的可变调压阀。
并且，在本实施方式中，如图1所示，在氢气供给流路31和循环流路32的合流部A1的上游侧，配置喷射器35。并且，如图1的虚线所示，使用多个储氢罐30作为燃料供给源时，在从各储氢罐30提供的氢气的合流部分(氢气合流部A2)的下游侧，配置喷射器35。
循环流路32中，通过气液分离器36及排气排水阀37与排出流路38相连。气液分离器36用于从废氢气回收水分。排气排水阀37根据来自控制装置4的指令进行动作，从而将由气液分离器36回收的水分及循环流路32内的含有杂质(例如氮)的废氢气排出到外部。
并且，循环流路32中设有氢泵39，将循环流路32内的废氢气加压并送出到氢气供给流路31一侧。此外，排出流路38内的气体通过稀释器40被稀释，与排气流路23内的气体合流。
控制装置4检测出设置在车辆上的加速操作装置(加速踏板等)的操作量，接收加速要求值(例如来自牵引电机12等的负载装置的要求发电量)等控制信息，控制系统内各种设备的动作。
此外，所谓负载装置，是除了牵引电机12以外还包括以下装置的耗电装置的总称：使燃料电池10动作所必须的辅助装置(例如压缩机24、氢泵39、冷却泵的电机等)、与车辆行驶相关的各种装置(变速器、车轮控制装置、转向装置、悬架装置等)中使用的致动器、乘员空间的空调装置(空调)、照明装置、音响等。
控制装置4由未图示的计算机系统构成。该计算机系统具有CPU、ROM、RAM、HDD、输入输出接口及显示器等，通过CPU读入并执行ROM中存储的各种控制程序，来实现各种控制动作。
图2是从系统起动到切换至通常发电(通常运行)的喷射器35的控制流程，是在系统起动时、具体而言例如控制装置4检测到用户进行操作而使点火开关接通的信号、并开始对燃料电池10的反应气体供给时等情况下执行的。
并且，图3是表示图2的步骤S7的处理中使用的、燃料电池10的发电电流(以下称为FC电流)和燃料电池10的入口侧目标压力(以下称为FC入口目标压力)的关系的映射；并且，图4是表示图2的步骤S9的处理中使用的、FC电流和喷射器35的基本喷射时间(F/F项)的关系的映射。
在图2的流程图中，首先进行FC入口目标压力的初始设定(步骤S1)。并且，FC入口目标压力被维持在该初始设定值，直至提供给燃料电池10的阳极的气体中的杂质浓度变为预定值以下(步骤S3：NO)。该初始设定值被设定为比通常发电时根据FC电流设定的FC入口目标压力(燃料气体供给量)、即比图3的压力P1高的预定的压力P2。
这样一来，在本实施方式的系统起动时，如图5所示，在提供给燃料电池10的阳极的气体中的杂质浓度下降到该图中单点划线所示的预定值以下的期间内，将图5中的虚线所示的FC入口目标压力(从储氢罐30提供给燃料电池10的阳极的新氢气供给量)维持得高于通常发电时根据FC电流设定的FC入口目标压力。
因此，如图5中的实线所示，在提供给燃料电池10的阳极的气体中的杂质浓度下降到图5中的单点划线所示的预定值以下的期间，燃料电池10的阳极入口侧的实际压力(FC入口实际压力)被维持得高于通常发电时，喷射器35对燃料电池10的阳极的气体供给量和通常发电时相比增加。
此外，步骤S3中的判断例如是根据氮传感器等的检测结果来进行，但不限于此，也可通过氢传感器直接检测提供给燃料电池10的阳极的气体中的氢浓度，据此检测结果判断杂质浓度变为预定值以下。
提供给燃料电池10的阳极的气体中的杂质浓度变为预定值以下时(步骤S3：YES)，通过电流传感器13检测出FC电流(步骤S5)，例如使用图3所示的映射、即表示步骤S5中检测出的FC电流和对应对燃料电池10的要求输出而设定的FC入口目标压力的关系的映射，根据在步骤S5中检测出的FC电流求出FC入口目标压力(步骤S7)。
此外，作为使图3所示的FC电流和FC入口目标压力建立相关关系的映射，具有多个和燃料电池10的阳极内的杂质浓度对应的FC入口目标压力映射，从而在步骤S7中，根据FC电流和阳极内的杂质浓度决定FC入口目标压力。
接着，控制装置4例如使用图4所示的映射，即表示FC电流和作为喷射器的基本喷射时间的前馈项(以下称为F/F项)的关系的映射，根据步骤S5中检测出的FC电流求出作为喷射器的基本喷射时间的F/F项(步骤S9)。
接着，控制装置4求出步骤S7中求出的FC入口目标压力、与二次侧压力传感器43检测出的现在的燃料电池10的入口侧压力(以下称为FC入口压力)的偏差(以下称为FC入口压力偏差)(步骤S11)，作为校正(降低)该FC入口压力偏差的校正值，求出喷射器喷射时间的反馈项(以下称为F/B项)(步骤S13)。
接着，控制装置4在由步骤S9求出的作为喷射器35的基本喷射时间的F/F项上加上由步骤S13求出的F/B项，并根据需要进一步加上校正值，从而求出喷射器35的喷射时间(喷射量)(步骤S15)。
并且，控制装置4将用于实现上述喷射时间的控制信号输出给喷射器35，从而控制喷射器35的喷射时间及喷射时期，调整提供给燃料电池10的氢气的流量及压力。之后，步骤S5～S15的处理被以预定周期反复执行。
如上所述，在本实施方式涉及的燃料电池系统1中，当系统起动时，进行发电恢复处理，以将压力比通常运行(通常发电)时高的氢气提供给燃料电池10的阳极，接着在转换到通常运行后，即使进行使阳极入口侧的FC入口实际压力与FC入口目标压力一致的减压处理，阳极内含有的氢气配管系统3中的杂质浓度也会下降到预定值以下，换言之，由于氢气浓度提高到预定浓度以上，因此伴随着减压处理，即使提供给阳极的氢气供给量处于比此前的气体供给量下降的状态时，也可抑制通常运行转换时燃料电池10的发电电压(单电池电压)的下降。
上述实施方式是用于说明本发明的一个示例，本发明不限于此，只要不脱离主旨，可适当设计各种构成部件。例如，控制装置4使排气排水阀37打开后，可对应排气排水阀37的打开来控制喷射器35的开关动作，以使提供给燃料电池10的阳极的气体供给量比此前的气体供给量降低。
即，排气排水阀37打开而将一部分废氢气排出到系统外时，自储氢罐30提供给燃料电池10的阳极的新氢气和废氢气的混合气体的杂质浓度变低，换言之，由于混合气体的氢气浓度变高，因此即使提供给燃料电池10的阳极的气体供给量比此前的气体供给量降低，也可抑制发电电压的下降。
因此，在上述实施方式中，对应排气排水阀37的打开，使提供给燃料电池10的阳极的气体供给量比此前的气体供给量下降，从而可抑制通常运行时的燃料电池10的发电电压的下降，同时改善燃耗。
并且，在上述实施方式中，示例了将本发明涉及的燃料电池系统搭载于燃料电池车辆的情况，但也可将本发明涉及的燃料电池系统搭载到燃料电池车辆以外的各种移动体(机器人、船舶、飞机等)上。另外，也可将本发明涉及的燃料电池系统适用于建筑(住宅、大厦等)用的发电设备所使用的固定式发电系统。
Claims (5)
1.一种燃料电池系统，具有：燃料电池；燃料供给系统，用于向上述燃料电池的阳极提供燃料气体；和调整单元，设置在上述燃料供给系统中，调整提供给上述阳极的气体供给量，
其特征在于，
在系统起动时，上述调整单元将从燃料供给源提供给上述阳极的新燃料气体供给量维持得高于通常发电时根据上述燃料电池的发电电流设定的新燃料气体供给量，直到提供给上述阳极的气体中的杂质浓度下降到预定值以下。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
上述调整单元具有：可变气体供给装置，将上述燃料供给系统的上游侧的气体状态调整为目标值，并向下游侧提供气体；和控制装置，根据上述目标值对上述可变气体供给装置进行驱动控制；并且，
在系统起动时，使上述可变气体供给装置对上述阳极的气体供给量比通常发电时增加。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
在系统起动时，上述可变气体供给装置将压力比通常发电时高的燃料气体提供给上述阳极，并将提供给上述阳极的气体供给压力维持得高于通常发电时，直到提供给上述阳极的气体中的氮浓度下降到预定值以下。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
具有：循环流路，使从上述燃料电池的阳极出口排出的燃料废气与上述新燃料气体合流，并再次提供给阳极入口；和开关阀，设置在上述循环流路上，在该开关阀打开时将上述燃料废气排出到系统外，
上述调整单元根据上述开关阀的打开，使提供给上述阳极的气体供给量比此前的气体供给量降低。
5.根据权利要求1至4的任意一项所述的燃料电池系统，其中，
上述可变气体供给装置具有：阀座，具有喷射气体燃料的喷射孔；喷嘴体，将该气体燃料提供引导至喷射孔；阀体，以能够相对该喷嘴体在轴线方向上移动的方式收纳保持该阀体；通过电磁驱动力以预定的驱动周期驱动上述阀体，从而对上述喷射孔进行开关。
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