CN101490887B - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的燃料电池系统具有：燃料电池(10)；供给流路(31)，用于使从燃料供给源(30)供给的燃料气体流入到燃料电池(10)；可变气体供给装置(35)，调整该供给流路31的上游侧的气体状态，并供给到下游侧；控制部(4)，PI控制对该可变气体供给装置(35)的气体供给指令量；异常判断部(4)，判断可变气体供给装置(35)的异常，其中，控制部(4)作为PI控制中的校正项的一部分，使用仅在燃料电池(10)的运转状态满足规定的学习允许条件的情况下积算I项而成的学习项，异常判断部(4)根据该学习项判断可变气体供给装置(35)的异常。
Description
技术领域
本发明涉及到一种在使从燃料供给源供给的燃料气体流入到燃料电池的供给流路中，具有可变气体供给装置的燃料电池系统。
背景技术
一直以来，具有接收反应气体(燃料气体及氧化气体)的供给并进行发电的燃料电池的燃料电池系统被提出、并实用化。并且近些年来提出了如下燃料电池系统：通过在将从氢罐等燃料供给源供给的燃料气体流入到燃料电池的燃料供给流路上设置机械式可变调节器、喷射器等可变气体供给装置，使来自燃料供给源的燃料气体的供给压力可根据系统的运转状态改变(例如参照日本特开2005-302563号公报)。
发明内容
在具有这种可变气体供给装置的燃料电池系统中，可逐渐改变供给到燃料电池的燃料气体的状态量(压力、流量等)，但当可变气体供给装置中产生长年变化、故障等异常时，无法高精度地控制到下游侧的气体供给状态量，因此需要在运转中判断该异常的技术。
本发明鉴于以上情况而产生，其目的在于供给一种可在运转中判断可变气体供给装置的异常的燃料电池系统。
为了实现上述目的，本发明涉及的燃料电池系统具有：燃料电池；供给流路，用于使从燃料供给源供给的燃料气体流入到上述燃料电池；可变气体供给装置，调整该供给流路的上游侧的气体状态并供给到下游侧；控制部，对相对于上述可变气体供给装置的气体供给指令量进行PI控制；和异常判断部，判断上述可变气体供给装置的异常，其中，上述控制部，作为上述PI控制中的校正项的一部分使用仅在上述燃料电池的运转状态满足规定的学习允许条件的情况下积算I项而成的学习项，上述异常判断部根据上述学习项判断上述可变气体供给装置的异常。
该学习项是积算PI控制中的I项获得的，换言之，是在规定条件下积算该PI控制下的控制目标值(例如可变气体供给装置的二次侧(下游侧、燃料电池侧)中的调压目标值)和实际的检测压力值的偏差的积分值(＝I项)而获得的，因此当可变气体供给装置中产生异常时，控制目标值和检测压力值的偏差变大为与正常时相比超过设计误差等允许范围的程度，该影响也波及到该学习项。因此，可根据该学习项判断可变气体供给装置的异常。
在上述燃料电池系统也可是：上述异常判断部仅在上述燃料电池的运转状态满足上述学习允许条件的情况下，实施基于上述学习项的异常判断。
根据该构成，基于学习项的异常判断的实施限定于燃料电池的运转状态适于I项学习的状态(满足学习允许条件的状态)，换言之，限定于燃料电池运转状态稳定时，因此提高了异常的判断精度。
并且，在上述燃料电池系统也可是：上述异常判断部在上述学习项的值处于规定范围外时，判断为上述可变气体供给装置异常。
在上述构成中，为了抑制可变气体供给装置正常时误判断为异常的情况而进一步提高判断精度，当上述学习项的值处于规定范围外的状态持续规定时间的情况下，判断上述可变气体供给装置异常。
在上述燃料电池系统也可是：上述学习项对应于每一个向上述燃料电池的气体供给需求量分别设定并更新，其中，将上述燃料电池中的燃料气体消耗量、上述燃料电池内的从阳极侧向阴极侧的交叉泄漏量、和上述PI控制中使用的P项相加而求出向上述燃料电池的气体供给需求量。
PI控制中形成校正项的一部分的I项是控制目标值和实际的检测值的偏差的时间累积值(或与该时间累积值相关的值)，与之相对，在PI控制中与该I项一起构成校正项的学习项存储了该I项的各气体供给需求量的累积值(或与该累积值相关的值)，因此即使在随着气体供给需求量的急剧变化控制目标值也急剧变化的情况下，也可通过作为I项的累积值的学习项迅速校正作为时间累积值的仅由I项产生的校正的响应延迟，可提高追踪性。
此外，对上述燃料电池的气体供给需求量也可根据以下计算：上述燃料电池中的燃料气体消耗量、上述燃料电池内的从阳极侧向阴极侧的交叉泄漏量、和上述可变气体供给装置下游侧的目标压力值的变动。
在上述燃料电池系统也可是：上述可变气体供给装置是通过电磁驱动力直接以规定的驱动周期驱动阀芯而使阀芯从阀座隔离的电磁驱动式的开关阀(例如喷射器)。
根据本发明，在具有可变气体供给装置的燃料电池系统中，可在运转中判断可变气体供给装置的异常。
附图说明
图1是本发明的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所示的燃料电池系统的控制方式的控制框图。
图3是用于说明图2所示的控制框图的I项计算功能的图。
图4是用于说明图2所示的控制框图的学习项计算功能的图。
图5是用于说明图1所示的燃料电池系统中的喷射器的异常判断的时间图。
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，对将本发明适用于燃料电池车辆(移动体)的车载发电系统的例子进行说明，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)。并且也可将本发明涉及的燃料电池系统适用于作为建筑(住宅、大厦等)用的发电设备使用的定置用发电系统。
首先，参照图1说明本发明的实施方式涉及的燃料电池系统1的构成。
本实施方式涉及的燃料电池系统1如图1所示，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，并且具有：向燃料电池10供给作为氧化气体的空气的氧化气体配管系统2、向燃料电池10供给作为燃料气体的氢气的氢气配管系统3、统一控制系统整体的控制装置(控制部、异常判断部)4等。
燃料电池10具有层积所需个数的单电池而形成的堆叠构造，上述单电池接收反应气体的供给通过电气化学反应发电。燃料电池10产生的电力供给到PCU(Power Control Unit：电力控制单元)11。PCU11具有配置在燃料电池10和牵引电动机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，将通过加湿器20加湿的氧化气体(空气)供给到燃料电池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；排气流路23，将氧化废气从加湿器21引导到外部。空气供给流路21上设有压缩机24，取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：存储了高压(例如70MPa)的氢气的作为燃料供给源的燃料氢罐30；将氢罐30的氢气供给到燃料电池10的作为燃料供给流路的氢供给流路(供给流路)31；用于将从燃料电池10排出的氢废气返回到氢供给流路31的循环流路(废气流路)32。
此外，也可替代氢罐30，将由烃系燃料生成富氢的改性气体的改性器、和将该改性器生成的改性气体形成为高压状态并蓄压的高压气体罐作为燃料供给源使用。并且，也可将具有储氢合金的罐作为燃料供给源使用。
氢供给流路31上设有：断开或允许来自氢罐30的氢气的供给的断开阀33；调整氢气的压力的调节器34；喷射器(可变气体供给装置)35。并且，喷射器35的上游侧设有检测氢供给流路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。
进一步，在喷射器35的下游侧的、氢供给流路31和循环流路32的合流部的上游侧，设有检测氢供给流路31内的氢气压力的二次侧压力传感器43、及氢供给流路31内达到规定的动作压力时打开的释放阀44。
调节器34是将其上游侧的压力(一次压力)调节为提前设定的二次压力的装置。在本实施方式中，将使一次压力减压的机械式减压阀作为调节器34使用。作为机械式减压阀的构成可采用下述公知构成：具有隔着隔膜形成背压室和调压室的筐体，通过背压室内的背压在调压室内使一次压力减压为规定的压力作为二次压力。
喷射器35是可通过电磁驱动力直接以规定的驱动周期驱动阀芯离开阀座、从而调整气体流量、气体压力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，该喷射器35还具有：将气体燃料供给引导到喷射孔的喷嘴主体；阀芯，相对该喷嘴主体在轴线方向(气体流动方向)上可移动地被收容保持，使喷射孔开关。
在本实施方式中，喷射器35的阀芯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接通/断开，可为二级、多级或无级地切换喷射孔的开口面积。
此外，通过喷射器35的阀芯的开关调整气体流量，并且供给到喷射器35的下游的气体压力相比喷射器35的上游的气体压力被减压，因此可将喷射器35解释为调压阀(减压阀、调节器)。并且，在本实施方式中也可解释为：可根据气体要求使喷射器35的上游气体压力的调压量(减压量)改变以在规定的压力范围内与要求压力一致。
如上所述，喷射器35调整氢供给流路31的上游侧的气体状态(气体流量、氢摩尔浓度、气体压力)并供给到下游侧，相当于本发明扣的可变气体供给装置。
此外，在本实施方式中，如图1所示，在氢供给流路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中虚线所示，作为燃料供给源使用多个氢罐30时，在从各氢罐30供给的氢气合流的部分(氢气合流部A2)的下游侧，配置喷射器35。
循环流路32通过气液分离器36及排气排水阀37与排出流路38连接。气液分离器36从氢废气中回收水分。排气排水阀37根据来自控制装置4的指令进行动作，将气液分离器36回收的水分、及含有循环流路32内的杂质的氢废气排出到外部。
并且，循环流路32中设有氢泵39，其使循环流路32内的氢废气加压而送出到氢供给流路31侧。此外，通过排气排水阀37及排出流路38排出的氢废气由稀释器40稀释，与排气流路32内的氧化废气合流。
控制装置4检测设置在车辆上的加速操作装置(加速器)的操作量，接受加速要求值(例如来自牵引电动机12等负荷装置的要求发电量)等控制信息，控制系统内的各设备的动作。
此外，负荷装置是除了牵引电动机12外，使燃料电池10动作所需的辅助装置(例如压缩机24、氢泵39、冷却泵的马达等)、与车辆行驶相关的各种装置(变速机、车轮控制装置、转向装置、悬架装置等)中使用的致动器、乘客空间的空调装置、照明、音响等的耗电装置的总称。
控制装置4由未图示的计算机系统构成。所述计算机系统具有CPU、ROM、RAM、HDD、输入输出接口及显示器等，CPU读入ROM中记录的各种控制程序并进行所需的计算，从而进行下述反馈控制、清洁控制等各种处理、控制。
具体而言，控制装置4如图2所示，根据由检测传感器13检测出的燃料电池10的发电电流值，计算出由燃料电池10消耗的氢气的流量(以下称为“氢消耗量”)(燃料消耗量计算功能：B1)。在本实施方式中，使用表示发电电流值和氢消耗量的关系的特定的运算式，按照控制装置4的每个计算周期计算并更新氢消耗量。
并且，控制装置4根据燃料电池10的发电电流值计算出供给到燃料电池10的氢气的喷射器35的下游位置的目标压力值(目标压力值计算功能：B2)。在本实施方式中，使用表示发电电流值和目标压力值的关系的特定的映射，按照控制装置4的每个计算周期计算出目标压力值。
并且，控制装置4计算出已算出的目标压力值与由压力传感器43检测出的喷射器35的下游位置的压力值(检测压力值)之间的偏差(压力差计算功能：B3)。并且，控制装置4为了降低计算出的偏差，进行作为反馈校正流量的P项(比例项)的计算(P项计算功能：B4)、及I项(积分项)的计算(I项计算功能：B5)。
在本实施方式的I项计算功能B5中，利用规定的映射等求出相对于通过压力差计算功能B3计算出的偏差ΔP以百分比对应的反馈值(以下称为FB值Δ％)(图3的实线)，进一步将以时间对该FB值Δ％积分而获得的时间累积值∫Δ％dt(图3的虚线)作为I项。因此在本实施方式中，使用目标追踪型的PI控制计算出反馈校正流量(校正项)。
并且，控制装置4仅在燃料电池10的运转状态满足规定条件(学习允许条件)时，将通过I项计算功能B5计算出的I项按照每个作为对燃料电池10的气体供给需求量的对喷射器35的喷射要求流量分别进行积算，从而作为该I项的学习值计算出可更新地存储到存储器等的学习项(学习项计算功能：B51)。该学习项与I项一起构成PI控制中的校正项。
在本实施方式的学习项计算功能B51中，仅在燃料电池10的运转状态满足规定的学习允许条件的情况下，对于每个将图4的横轴表示的喷射器35的喷射要求流量按照规定流量以虚线划分而成的学习区域A～F积算I项并存储到存储器，利用内插或外插等对按照各学习区域A～F计算的积算值(图4中的点)之间进行补插，从而求出各喷射要求流量的学习项。
此外，学习项也可以代替使按照各学习区域A～F计算出的I项积算值如图4所示在各学习区域A～F补插，而在各学习区域A～F内设定为一定的值。
并且，规定的学习允许条件例如是指根据燃料电池10的发电电流设定的条件，在本实施方式中，燃料电池10的发电电流大于上述无效喷射时间的影响相对变小的规定的发电电流值时、且该发电电流的变化在规定范围内稳定时，判断满足该学习允许条件。
学习项的值通过以下方法计算：设喷射器35的设计值为100％，向该设计值加上可取正负双方的值的I项的积算值，在该值脱离了由图4的第1异常阈值(例如140％)和第2异常阈值(例如60％)所规定上下限的规定正常范围(设计误差允许范围)时，换言之，I项的积算值脱离规定的正常范围时(例如±40％内的范围)，判断喷射器35异常。
并且，控制装置4通过向上述氢消耗量及在燃料电池10内产生的交叉泄漏量的加算值上加入上述P项，求出到喷射器35的喷射要求流量，另一方面为了将上述I项和该学习项作为一个积分项统合而将两者相加(积分项统合功能：B52)，将该加算值乘到向上述喷射器35的喷射要求流量上，从而计算出喷射器35的喷射流量(喷射流量计算功能：B7)。
其中，计算出与在喷射器35的下游位置上一次计算出的目标压力值与此次计算出的目标压力值之间的偏差对应的前馈校正流量(前馈校正流量计算功能)，将该前馈校正流量加到上述加算值(＝氢消耗量+交叉泄漏量+P项)，在该加算值上乘以上述I项，从而计算出喷射器35的喷射流量。
上述情况下的前馈校正流量是由目标压力值的变化导致的氢气流量的变动部分(目标压力变动校正流量)，例如采用表示目标压力值的偏差和前馈校正流量之间的关系的特定的运算式，按照装置4的各计算周期进行更新。
交叉泄漏量是从燃料电池10内的燃料气体流路(阳极侧)通过电解质膜透到氧化气体流路(阴极侧)的氢气的量，在本实施方式中，根据喷射器35的下游位置处的氢气的压力值(压力传感器43中的检测压力值)来计算(交叉泄漏量计算功能：B6)。具体而言，使用表示喷射器35的下游位置处的氢气的压力值和交叉泄漏量的关系的特定的映射计算出交叉泄漏量。
另一方面，控制装置4根据由喷射器35的上游的气体状态(压力传感器41检测出的氢气的压力及温度传感器42检测出的氢气的温度)，计算出喷射器35的上游的静态流量(静态流量计算功能：B8)。在本实施方式中，使用表示喷射器35的上游侧的氢气的压力及温度和静态流量的关系的特定的运算式，按照控制装置4的各计算周期计算、更新静态流量。
控制装置4对上述喷射器35的喷射流量除以上述静态流量(Duty(占空比)计算功能：B9)而计算出的值，乘以喷射器35的驱动周期，从而计算出喷射器35的基本喷射时间(基本喷射时间计算功能：B10)，并且向该基本喷射时间加上下述无效喷射时间，计算出喷射器35的总喷射时间(总喷射时间计算功能：B12)。
该驱动周期是表示喷射器35的喷射孔的开关状态的阶梯状(开/关)波形的周期，在本实施方式中，通过控制装置4将驱动周期设定为一定的值。
无效喷射时间是指喷射器35从控制装置4接受控制信号开始到实际开始喷射为止所需的时间，在本实施方式中，使用表示喷射器35的上游侧的氢气的压力、喷射器35的基本喷射时间、及该无效喷射时间的关系的特定的映射，按照控制装置4的各计算周期，计算并更新无效喷射时间(无效喷射时间计算功能：B11)。
并且，控制装置4通过输出用于实现经过以上步骤计算出的喷射器35的总喷射时间的控制信号，控制喷射器35的气体喷射时间及气体喷射时期，调整供给到燃料电池10的氢气的流量及压力。如上所述，本实施方式的控制装置4不仅作为本发明的控制部发挥作用，而且作为异常判断部发挥作用。
而当喷射器35中产生动作不良、故障等异常时，对喷射器35的喷射要求流量与来自该喷射器35的实际喷射流量之间的偏差变大，当该偏差大到例如超过喷射器35的设计允许误差的程度时，过剩的压力作用于配置在喷射器35下游侧的燃料电池10等的系统构成要素。
因此，本实施方式的燃料电池系统1为了抑制上述问题的产生，在燃料电池10运转时(反应气体供给到燃料电池10期间)，控制装置4根据通过上述学习项计算功能B51计算出的学习项的值，监视有无喷射器35的异常。具体而言，如上所述，判断该学习项的值是否大于第1异常阈值、或小于第2异常阈值，当任意一个判断结果是肯定时，判断为喷射器35存在异常。
接着使用图5的时间图说明喷射器35的异常判断。
在图5的时间图中，(a)表示喷射器35正常及异常(实际的喷射流量比要求多或少的状态)的状态，(b)表示对喷射器35的开关指令，(c)表示由二次侧压力传感器43检测出的喷射器35的出口压力，(d)表示是否满足I项的学习允许条件，(e)表示学习项的值的时间变化，(f)表示对喷射器35的喷射时间的指令值，(g)表示学习项的值产生异常、即表示喷射器35产生异常的喷射器异常标记。
控制装置4如图5(d)所示，以规定的控制周期判断燃料电池10的运转状态是否处于满足I项的学习允许条件的状态，当该学习允许判断的结果是否定时(图4：NO)(t1时以前)，禁止I项的学习、即禁止学习项的值的更新。
在本实施方式中，在该t1时之前，喷射器35在正常范围(设计误差允许范围)动作，这一情况下，根据图5(b)所示的对喷射器35的开关指令，喷射器35的出口压力也如图5(c)所示重复上下运动。此时，图5(f)所示的喷射器35的喷射时间指令值控制为，该喷射器35开阀时的喷射时间每次是一定的。
与之相对，在燃料电池10的运转状态处于满足I项的学习允许条件的情况下(t1时之后)，即上述学习允许判断结果为肯定时(图4：YES)，图5(e)所示的学习项的值按照各喷射器35的喷射需求量更新(学习)(图4)。
并且，在该更新中(学习中)，学习项的值大于第1异常阈值或小于第2异常阈值时(t2时点)，控制装置4判断喷射器35的喷射流量有异常可能性，使图5(f)所示的喷射器35的喷射时间指令值相比之前的指令值下降。此外，图5表示学习项的值小于第2异常阈值的情况。
之后控制装置4继续监视图5(e)所示的学习项的值，当该学习项的值不恢复到第1异常阈值和第2异常阈值之间(正常范围)而经过规定的待机时间T1时，最终判断为喷射器35的喷射流量存在异常，将图5(g)所示的喷射器异常标记从“OFF”设置为“ON”。
根据以上说明的实施方式涉及的燃料电池系统1，在喷射器35发生异常、与该喷射器35正常时相比喷射流量或大或小而超过设计误差等的允许范围时，控制装置4以规定的控制周期根据仅在规定的学习允许条件下更新(学习)的PI控制中的I项的学习结果、即随时更新的学习项的值，监视该异常有无发生，因此在运转时可不产生延迟地判断喷射器35的异常。
并且，当喷射器异常标记为“ON”时，控制装置4为了消除喷射器35的异常，可在燃料电池10运转期间执行一次或多次该喷射器35的开关驱动控制，或者停止燃料电池10的运转等喷射器异常判断后处理。并且，在维护时等通过从控制装置4读出该标记，可确认喷射器35中产生异常的故障历史，因此可快速进行喷射器35的更换或处理的应对。
Claims (7)
1.一种燃料电池系统，具有：燃料电池；供给流路，用于使从燃料供给源供给的燃料气体流入到上述燃料电池；可变气体供给装置，调整该供给流路的上游侧的气体状态并供给到下游侧；控制部，对相对于上述可变气体供给装置的气体供给指令量进行PI控制；和异常判断部，判断上述可变气体供给装置的异常，其中，
上述控制部，作为上述PI控制中的校正项的一部分使用学习项，该学习项是仅在上述燃料电池的运转状态满足允许进行学习的规定的条件的情况下对I项进行积分运算而得到的，
上述异常判断部根据上述学习项判断上述可变气体供给装置的异常。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，上述异常判断部仅在上述燃料电池的运转状态满足上述学习允许条件的情况下，实施基于上述学习项的异常判断。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，上述异常判断部在上述学习项的值处于规定范围外时，判断为上述可变气体供给装置异常。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，上述异常判断部在上述学习项的值处于规定范围外的状态持续规定时间的情况下，判断为上述可变气体供给装置异常。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，上述学习项对应于每一个向上述燃料电池的气体供给需求量分别设定并更新，其中，将上述燃料电池中的燃料气体消耗量、上述燃料电池内的从阳极侧向阴极侧的交叉泄漏量、和上述PI控制中使用的P项相加而求出向上述燃料电池的气体供给需求量。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，上述学习项对应于每一个向上述燃料电池的气体供给需求量分别设定并更新，其中，将上述燃料电池中的燃料气体消耗量、上述燃料电池内的从阳极侧向阴极侧的交叉泄漏量、根据上述可变气体供给装置下游侧的目标压力值的变动计算出的目标压力变动校正流量、和上述PI控制中使用的P项相加而求出向上述燃料电池的气体供给需求量。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，上述可变气体供给装置是通过电磁驱动力直接以规定的驱动周期驱动阀芯而使阀芯从阀座隔离的电磁驱动式的开关阀。
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