CN101473481B - 燃料电池系统和移动体 - Google Patents

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Abstract

在一种移动体中，当关于燃料电池组的发电需求小于预定值时，执行间歇工作以暂时停止电池运行，并且，当在间歇工作期间电池电压恢复处理执行条件满足时，执行电池电压的恢复处理。当移动体正在移动时，阈值电压Vth1被设定为电池电压恢复处理执行条件。当移动体停止时，阈值电压Vth2被设定为电池电压恢复处理执行条件。当电压被设定成满足关系Vth1>Vth2时，在移动体停止期间电池电压恢复处理可以受到限制。

Description

燃料电池系统和移动体
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，其中，当对燃料电池组的发电需求量小于预定值时执行用于暂时地停止电池运行的间歇运行，并且还涉及包括此系统的移动体。
背景技术
燃料电池系统是一种能量转换系统，其中，燃料气体和氧化气体供给至薄膜-电极粘结件以发生电化学反应，并且化学能转变为电能。首先，在固态聚合物薄膜被用作电解质的固态聚合物电解质燃料电池中，可以容易地以低成本实现紧凑结构，此外，电池具有高输出密度，因此，希望将其作为供电系统安装在车辆上的应用。
此外，在安装有燃料电池系统作为电源的燃料电池车辆上，在发电效率高的高输出区域，燃料电池组允许发电，并且电力从燃料电池组和蓄电池中的一个或两个供给至牵引电机，而对于发电效率低的低输出区域，燃料电池组的发电暂停，并且执行运行控制，从而仅从二次电池供给电力至牵引电机。根据燃料电池组的负载大小，燃料电池组的发电和停止发电以这样的方式交替地重复进行的运行方法称为间歇运行。在燃料电池组的发电效率低的低负载区域，执行间歇运行以暂时地停止燃料电池组的运行，以致燃料电池组可以运行在能量转换效率高的区域，并且可以改善整个燃料电池系统的效率。
基于燃料电池组的发电特性，即使当控制从发电暂停状态转换至发电状态时，供给燃料气体和氧化气体至燃料电池组、在薄膜-电极粘结件中电化学反应的进行、对应于需求功率产生电能等也需要相当长的时间。因此，不能立即输出所需的功率，并且有时形成发电延迟。在安装有燃料电池系统作为电源的车辆上，这样的发电延迟变成一个驱动性能变差的因素。
为了解决这样的问题，在日本专利申请特开2004-172028中，供给一种方法，其中，当已经执行间歇运行因此转入发电暂停状态的燃料电池组的电池电压变得低于预定值时，驱动空气压缩机以供给氧化气体至燃料电池组，燃料电池组的阴极中的氧不足得到解决以恢复电池电压，并且抑制了相对于发电需求的响应延迟。
[专利文献1]日本专利申请特开2004-172028
发明内容
然而，即使不希望负载波动的发生如同车辆的停止期间的情况一样的情况中(在即使负载发生波动的情况下，响应延迟也不影响驱动性能的情况中)，当执行驱动空气压缩机或类似物以供给氧化气体至燃料电池组并恢复电池电压的处理时，无价值地消耗辅机功率，因此，发电效率低。
另一方面，在对于需求功率的响应延迟如车辆行驶期间的情况一样影响驱动性能的情况下，优选地，应当控制电池电压的减小。
因此，本发明的主题在于实现抑制燃料电池系统中的响应延迟以及改进发电效率。
为了解决以上问题，根据本发明的移动体包括具有控制装置的燃料电池系统，其中，当关于燃料电池组的发电需求小于预定值时，所述控制装置执行间歇运行以暂停电池运行，并且，当在间歇运行期间电池电压恢复处理执行条件得到满足时，所述控制装置执行电池电压的恢复处理。在移动体的停止期间，控制装置限制电池电压恢复处理。
在移动体停止期间，需求负载小，因此，恢复电池电压的需求小。在移动体停止期间，电池电压恢复处理受到限制，因此，可以有效地抑制由于不必要地执行电池电压恢复处理而导致的发电效率的减小。此处，例如，＂限制电池电压恢复处理＂是指将电池电压恢复处理执行条件以受限方式设定。电池电压恢复处理执行条件受到限制的事实表明，电池电压恢复处理执行条件不容易获得满足。
应当注意的是，可以构造成当移动体正在移动时，电池电压恢复处理执行条件被宽泛地设定。宽泛地设定电池电压恢复处理执行条件表明，电池电压恢复处理执行条件容易获得满足。
根据用于执行本发明的优选的模式，与移动体移动期间的情况相比，在移动体停止期间的电池电压恢复处理执行条件以受限方式设定。
为了解决以上问题，根据本发明的燃料电池系统包括控制装置和蓄电装置，其中，当关于燃料电池组的发电需求小于预定值时，所述控制装置执行间歇运行以暂时地停止电池运行，并且，当在间歇运行期间电池电压恢复处理执行条件得到满足时，所述控制装置执行电池电压恢复处理；所述蓄电装置供给电力至电力负载。当在间歇运行期间从蓄电装置供给的功率超过需求负载时，控制装置限制电池电压恢复处理。
当即使在间歇运行期间从蓄电装置供给的功率满足需求负载时，恢复电池电压的需求较小，因此，可以限制电池电压恢复处理以抑制由于不必要地执行电池电压恢复处理而导致的发电效率的减小。
当蓄电装置的剩余容量增加时，电池电压恢复处理执行条件可以以受限方式设定。当蓄电装置的剩余容量大时，即使在间歇运行期间，蓄电装置供给的功率也满足需求负载，因此，恢复电池电压的需求较小。当蓄电装置的剩余容量大时，可以限制电池电压恢复处理以抑制由于不必要地执行电池电压恢复处理而导致的发电效率的减小。
应当注意的是，可以构造成当在间歇运行期间关于燃料电池组的需求负载减小时，电池电压恢复处理执行条件以受限方式设定。即使在间歇运行期间，当关于燃料电池组的需求负载小时，恢复电池电压的需求较小。因此，可以限制电池电压恢复处理以抑制由于不必要地执行电池电压恢复处理而导致发电效率的减小。
附图说明
图1是根据当前实施例的燃料电池系统的系统组成图；
图2是示出了电池电压恢复处理的时序图；和
图3是示出了电池电压恢复处理程序的流程图。
具体实施方式
图1是根据当前实施例的燃料电池系统10的系统组成。
例如，燃料电池系统10作为发电系统被安装在燃料电池车辆上，并且包括固态聚合物电解质燃料电池组40，其包括在内部层压有多个电池的堆栈结构。各电池包括薄膜-电极粘结件，其中阳极被设置成处于电解膜的一个表面上，并且其中阴极被设置成处于另一个表面上；以及分离器，其设置有用于使反应气体(燃料气体，氧化气体)通过薄膜-电极粘结件的气体通道(阳极气体通道，阴极气体通道)和用于流过冷却剂的冷却剂通道。燃料电池组40接收在阳极供给的氢气(燃料气体)，并且接收在阴极供给的氧气(氧化气体)，以产生电力。
在燃料电池组40中，在阳极发生公式(1)所示的氧化反应，并且在阴极发生如公式(2)所示的还原反应。在整个燃料电池组40中，发生公式(3)所示的电学反应。
H2→2H++2e-...(1)；
(1/2)O2+2H++2e-→H2O...(2)；和
H2+(1/2)O2→H2O...(3).
燃料电池系统10的氧气供给系统设置有用于供给氧气至燃料电池组40的氧气供给通路11，以及用于将从燃料电池组40排放的氧废气排出至外部的氧废气排放通路12。氧气供给通路11设置有用于去除大气中的氧气中含有的粉尘等类似物的过滤器13、用于加压氧气的空气压缩机14和用于适当地湿润通过空气压缩机14加压后的氧气的增湿器15。
增湿器15在取自大气的低湿度氧气(干燥气体)和从燃料电池组40的阴极排出的高湿度氧废气(湿润气体)之间交换水分。如公式(2)所示，水是在阴极产生，因此，从阴极排出的氧废气中包含大量水分。通过增湿器15加湿的氧气被通过氧气供给通路11供给至燃料电池组40，用于燃料电池组40发电。氧废气排出通路12是设置在氧气排出系统中的管路，并且，用于调节燃料电池组40内的氧气压力的压力调节阀16设置在增湿器15和燃料电池组40之间。流过氧废气排出通路12的氧废气通过压力调节阀16，用于在增湿器15中进行水分交换，然后，作为废气从系统排出至大气中。
燃料电池系统10的氢气供给系统设置有：作为氢供给源的氢罐21，在其内部存储有高压氢气；氢气供给通路22，其供给从氢罐21输入的氢气至燃料电池组40；截流阀29，其控制从氢罐21至氢气供给通路22的氢气的供给或停止；截流阀28，其控制从氢气供给通路22至燃料电池组40的氢气的供给或停止；循环通路23，用于允许从燃料电池组40排出的氢废气(未反应的氢气)回流至氢废气排出通路22；氢泵24，其将流过循环通路23的氢废气在压力下供给到氢气供给通路22；以及排出通路25，其从循环通路23分出以并入氧废气排出通路12。氢泵24是涡轮泵、叶轮泵、根式泵(root type pump)、隔膜泵或类似物。
在氢废气排出通路22的上游侧上，插入有调节器27，其调节从氢罐21排出的高压氢气的压力，并且，循环通路23并入调节器27的下游侧。从氢罐21流至氢气供给通路22的氢气和通过循环通路23回流的氢废气在氢气供给通路22和循环通路23之间的连接点处汇合，并且被作为混合气体供给至燃料电池组40。在循环通路23的氢泵24的下游侧上，插入有止回阀26，其抑制回流至燃料电池组40的氢废气的逆流。
在氢泵24的上游侧上，插入有气-液分离器30，其将水分从流过循环通路23的氢废气中分离出来。流过循环通路23的流体包括从燃料电池组40排出的氢废气和通过燃料电池组40内的电化学反应所产生的生成水。气-液分离器30将此生成水从氢废气中分离出来。水分已经被分离出来的氢废气通过氢泵24强制回流至燃料电池组40，而通过气-液分离器30收集的水通过排水阀31从流体管路32排出至氧废气排出通路12。
流体管路32的上游端连接至气-液分离器30的排水阀31，并且其出口端连接至氧废气排出通路12，为此通过气-液分离器30分离出来的水允许流入氧废气排出通路12。排出通路25设置有排气阀33，其用作切断阀用于开启和关闭此排出通路。排气阀33被适当地开启和关闭，以致氢废气中包含的杂质可以通过排出通路25与氢废气一起被排出至氧废气排出通路12。氢废气中包含的杂质从排出通路25中排出，为此，氢废气中的杂质浓度降低，并且，进行循环且被供给至燃料电池组40的氢废气中的氢浓度可以增加。
燃料电池系统10的电力系统设置有：二次电池(蓄电装置)42，用于蓄积燃料电池组40产生的电能和车辆制动期间的再生能量；DC/DC变换器41，其调节燃料电池组40的输出电压以控制燃料电池组40和二次电池42之间的电力供给的分配；以及逆变器43，其将燃料电池组40或二次电池42供给的直流电转换为交流电，以供给电力至牵引电机(车辆行驶电机)44。
燃料电池系统10的冷却系统设置有：冷却剂通道51，用于流通在燃料电池组40中循环的冷却剂；冷却剂泵54，其沿着冷却剂通道51在压下供给冷却剂；散热器53，用于冷却冷却剂；以及旁通阀52，其允许冷却剂绕过散热器53，从而沿着冷却剂通道51流过冷却剂。可以调节绕过散热器53的冷却剂的旁路量，以调节冷却剂温度。
燃料电池系统10的控制系统设置有用于控制整个燃料电池系统10的控制器60。控制器60是控制单元(ECU)，包括中央处理单元(CPU)、存储器件(ROM，RAM)、输入-输出接口等。
例如，在接收来自点火开关71的起动信号时，控制器60开始燃料电池系统10的运行，并且，基于从加速器传感器73输出的加速器开度信号、车速传感器72输出的车辆速度信号等获得整个系统的需求功率。整个系统的需求功率是车辆行驶功率和辅机功率的总和。辅机功率的实例包括车载辅机消耗(增湿器、空气压缩机、氢泵、冷却水循环泵等)的功率，车辆行驶所需要的器件(变速齿轮、车轮控制装置、转向器件、悬挂器件等)消耗的功率，以及在乘客室中设置的器件(空调器件、照明设备、声响等)消耗的功率。
此外，控制器60确定燃料电池组40和二次电池42的输出功率的分配，调节空气压缩机14的转数和调节器27的阀开度，调节供给至燃料电池组40的反应气体的量，并且控制调整燃料电池组40的输出电压以致燃料电池组40产生的功率量与目标功率相匹配的DC/DC变换器41，为此控制燃料电池组40的运行点(输出电压，输出电流)。此外，为获得与加速器开度相对应的目标车辆速度，例如，控制器60输出U-相、V-相和W-相的交流电压指令值作为开关指令输出至逆变器43，并且控制牵引电机44的输出扭矩和转数。
当需求功率是预定值或更小时，控制器60执行间歇运行，以暂停发电。预定值是燃料电池组40的发电效率减小的发电区域的上限值。在此发电区域，发电量的大部分被辅机消耗，因此发电效率减小。在间歇运行期间，燃料电池组40的发电状态变为暂停的状态，但是，辅机为运行做好准备，并且，由二次电池42供给的电力满足整个系统的需求功率(车辆行驶功率和辅机功率的总和)。在发电停止期间，控制器60关闭截流阀28，停止驱动空气压缩机14，并且，暂停反应气体至燃料电池组40的供给。此外，控制器60运行DC/DC变换器41，以增加二次电池42的输出电压，为此，燃料电池组40的输出端电压维持在开路电压(OCV)，并且执行控制，以致在间歇运行期间不会从燃料电池组40流出任何电流。
控制器60监测从电压传感器74输出的燃料电池组40的电池电压，并且在这样的阶段执行电池电压恢复处理，即，在间歇运行期间电池电压的减小变到低于预定阈值的阶段。电池电压恢复处理表示用于将由于停止反应气体的供给而减小的电池电压恢复至被减小前的电压值附近的处理。具体地说，它表示这样的处理，即，空气压缩机14被驱动以供给氧化气体至燃料电池组40阴极，或者是截流阀28打开，并且驱动氢泵14以向燃料电池组40的阳极供给燃料气体。此外，除此处理之外，可以包括驱动冷却剂泵54以使冷却剂循环通过燃料电池组40的处理。
在燃料电池组40中，一部分氢通过电解膜以从阳极移动至阴极。因此，在阴极侧发生电化学反应，并且消耗留存在氧气供给通路11中的氧气。特别地，存在的氧气仅仅大约是空气中的20％，因此，该气体比氢气消耗得更快。作为电池电压恢复处理的一个实例，当驱动空气压缩机14以向燃料电池组40的阴极补充氧气时，电池电压可以恢复。
此外，如上所述，在车辆行驶及车辆停止时，恢复电池电压的需求不同。当车辆行驶时，在间歇运行期间电池电压的减小变成导致发电延迟的因素，并且影响驱动性能。另一方面，当车辆停止时，在间歇运行期间电池电压的减小只对驱动性能存在极小的影响。因此，与在车辆行驶期间的情况相比，在车辆停止期间的电池电压恢复处理执行条件以受限方式设定，因此，发电效率可以得到改善，同时抑制燃料电池组40对需求负载的响应延迟。
此处，电池电压恢复处理执行条件是执行电池电压恢复处理需要满足的必要条件。该条件的实例包括以下条件：电池电压低于特定值；燃料电池组40的反应气体(燃料气体或氧化气体)的压力或浓度低于特定值。具体地说，假定在车辆行驶期间电池电压恢复处理执行条件是阈值电压Vth1并且在车辆停止期间电池电压恢复处理执行条件是阈值电压Vth2，则Vth1>Vth2。可选地，例如，假定在车辆行驶期间电池电压恢复处理执行条件是反应气体压力P1，并且在车辆停止期间电池电压恢复处理执行条件是反应气体压力P2，则P1>P2。
电池电压恢复处理执行条件受到限制的事实表明，电池电压恢复处理执行条件不容易获得满足。根据上述实例，阈值电压Vth2表明，与阈值电压Vth1相比，电池电压恢复处理执行条件受到限制，并且反应气体压力P2表明，与反应气体压力P1相比，电池电压恢复处理执行条件受到限制。
下面将描述电池电压恢复处理的具体情况。
图2示出了电池电压恢复处理的时序图。在图中，＂间歇标志＂是表明是否执行间歇运行的标志信息。间歇标志＝开表示正在执行间歇运行(发电暂停)。间歇标志＝关表示没有执行间歇运行(电池正在运行)。例如，当关于燃料电池系统10的需求功率是预定值或更小时，间歇标志＝开。当关于燃料电池系统10的需求功率超过预定值时，间歇标志＝关。另一方面，＂行驶标志＂是表明车辆是否行驶的标志信息。行驶标志＝开表明车辆正在行驶。行驶标志＝关表明车辆停止。例如，当通过加速器传感器73检测到的车辆速度是预定值(例如若干kms/h或更小)或更小时，行驶标志＝关。当通过加速器传感器73检测到的车辆速度超过预定值时，行驶标志＝开。
对于时刻t1至t2的时段，间歇标志为开，行驶标志为开，因此，在车辆行驶的状态下执行间歇运行。此时段的电池电压恢复处理执行条件为＂电池电压低于阈值电压Vth1的条件＂。然而，如图所示，对于时刻t1至t2的时段，电池电压没有低于阈值电压Vth1，因此，不执行任何电池电压恢复处理。
对于时刻t2至t4的时段，间歇标志为为开，行驶标志为关，因此，在车辆停止的状态下执行间歇运行。此时段的电池电压恢复处理执行条件为＂电池电压低于阈值电压Vth2的条件＂。如图所示，在时刻t3，电池电压低于阈值电压Vth2，因此，驱动空气压缩机14(执行电池电压恢复处理)。
图3是示出了电池电压恢复处理程序的流程图。
电压恢复处理程序以一定的时间间隔周期性地重复执行。当电压恢复处理程序被调用时，控制器60判断间歇标志是否被设置为开(步骤301)。当间歇标志没有被设置为开时(步骤301；否)，控制器60从电池电压恢复处理程序中跳出。
另一方面，当间歇标志被设置为开时(步骤301；是)，控制器60判断行驶标志是否被设置为开(步骤302)。当行驶标志被设置为开时(步骤302；是)，控制器60将阈值电压Vth1设置为电池电压恢复处理执行条件(步骤303)。当行驶标志没有设置为开时(步骤302；否)，控制器60将阈值电压Vth2设置为电池电压恢复处理执行条件(步骤304)。
然后，控制器60判断电池电压是否低于阈值电压(步骤305)。当电池电压低于阈值电压时(步骤305；是)，控制器60驱动空气压缩机14或类似物，以执行电池电压恢复处理(步骤306)。当电池电压不低于阈值电压时(步骤305；否)，控制器60从电池电压恢复处理程序中跳出。
当燃料电池车辆停止时，需求负载小，因此恢复电池电压的需求小。当燃料电池车辆停止时，电池电压恢复处理受到限制，因此，可以有效地抑制由于不必要地执行电池电压恢复处理而导致的发电效率的减小。即，与燃料电池车辆行驶期间的情况相比，在燃料电池车辆停止期间的电池电压恢复处理执行条件可以受限方式设定。
应当注意的是，在此实施例中，当在间歇运行期间由二次电池42供给的功率超过需求负载时，电池电压恢复处理可以受到限制。即使在间歇运行期间，当由二次电池42供给的功率可满足需求负载时，恢复电池电压的需求也较小，因此，电池电压恢复处理受到限制，从而可以抑制由于不必要地执行电池电压恢复处理而导致的发电效率的减小。
此外，当二次电池42的剩余容量增加时，电池电压恢复处理执行条件可以受限方式设定。当二次电池42的剩余容量大时，即使在间歇运行期间，二次电池42供给的功率也能满足需求负载，因此，恢复电池电压的需求较小。当二次电池42的剩余容量大时，电池电压恢复处理受到限制，因此可以抑制由于不必要地执行电池电压恢复处理而导致的发电效率的减小。
应当注意的是，可能构造成当在间歇运行期间关于燃料电池组40的需求负载减小时，电池电压恢复处理执行条件以受限方式设定。即使在间歇运行期间，当关于燃料电池组40的需求负载小时，恢复电池电压的需求较小，因此，电池电压恢复处理受到限制，从而可以抑制由于不必要地执行电池电压恢复处理而导致的发电效率的减小。
在此实施例中，已经示出了一种使用构造，其中燃料电池系统10被用为电力供给系统安装在车辆上，但是燃料电池系统10的使用构造不限于此实例，并且，该系统可以用作电力供给系统安装在移动体上(船、飞机、机器人或类似物)。燃料电池系统10可以并入固定的热电联产系统(同时供给热能和电能)。热电联产系统可以是商用的或家用的。
工业实用性
根据本发明，可以实现燃料电池系统的响应延迟的抑制以及发电效率的改进。

Claims (7)

1.一种移动体，包括：
燃料电池系统，所述燃料电池系统具有控制装置，当对于燃料电池组的发电需求小于预定值时，所述控制装置执行间歇运行以暂停电池运行，当在所述间歇运行期间满足电池电压恢复处理执行条件时，所述控制装置执行电池电压恢复处理，
其中所述控制装置被构成为在所述移动体的停止期间限制所述电池电压恢复处理。
2.根据权利要求1所述的移动体，
其中在所述移动体的停止期间的所述电池电压恢复处理执行条件与在所述移动体的移动期间的所述电池电压恢复处理执行条件相比以受限方式设定。
3.根据权利要求1所述的移动体，还包括蓄电装置，
其中所述控制装置被构成为在所述间歇运行期间将电力从所述蓄电装置供给至电力负载。
4.根据权利要求1所述的移动体，
其中所述电池电压恢复处理是在所述间歇运行期间将反应气体供给至所述燃料电池组。
5.一种燃料电池系统，包括：
控制装置，当对于燃料电池组的发电需求小于预定值时，所述控制装置执行间歇运行以暂停电池运行，当在所述间歇运行期间满足电池电压恢复处理执行条件时，所述控制装置执行电池电压恢复处理；以及
蓄电装置，所述蓄电装置将电力供给至电力负载，
其中所述控制装置被构成为：在所述间歇运行期间，当从所述蓄电装置供给的电力超过需求负载时，所述控制装置限制所述电池电压恢复处理。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，
其中随着所述蓄电装置的剩余容量增加，以受限方式设定所述电池电压恢复处理执行条件。
7.一种燃料电池系统，包括：
控制装置，当对于燃料电池组的发电需求小于预定值时，所述控制装置执行间歇运行以暂停电池运行，在所述间歇运行期间，当满足电池电压恢复处理执行条件时，所述控制装置执行电池电压恢复处理，
其中随着在所述间歇运行期间对于所述燃料电池组的需求负载减小，以受限方式设定所述电池电压恢复处理执行条件。
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