CN101517801A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供一种可避免伴随维持低效率运转所产生的问题、并能提高系统运转的稳定性的燃料电池系统。燃料电池系统的构成为，通过在规定的低温时进行与通常运转相比电力损失较大的低效率运转而与通常运转相比在短时间内使燃料电池升温。燃料电池系统在规定的低温时规定条件成立的情况下，禁止低效率运转而执行通常运转。规定条件包括：无法消耗燃料电池的发电电力的时候、无法由蓄电池蓄积该发电电力的时候、或产生了燃料电池的溢流的时候。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种通过低效率运转可使燃料电池迅速升温的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池汽车等中搭载的固体高分子型燃料电池通过供给阳极的燃料气体中的氢及供给阴极的氧化气体中的氧的化学反应产生电力。这种燃料电池一般最适于发电的温度范围是70～80℃。根据使用环境，存在燃料电池从起动到达到该温度范围需要较长时间的情况。
鉴于这种情况，在日本特开2002-313388号公报所述的燃料电池系统中，通过执行低效率运转而使燃料电池迅速地升温。在此，低效率运转是指与通常运转相比电力损失较大的运转，换句话说，是指与通常运转时相比降低燃料电池的发电效率、且与通常运转相比增大热能量的运转。并且，在该燃料电池系统中，当冷却液温度为0℃以下时，经常通过执行低效率运转来缩短燃料电池的预热时间。
发明内容
但是，当燃料电池系统经常执行低效率运转时，担心伴随维持低效率运转所产生的问题，要求进一步改善。
本发明的目的在于提供一种可避免这种问题并能提高系统运转稳定性的燃料电池系统。
为了实现上述目的，本发明的燃料电池系统的构成是通过在规定的低温时进行与通常运转相比电力损失大的低效率运转而使燃料电池与通常运转相比在短时间内升温。燃料电池系统具有控制装置，控制装置在规定低温时规定条件成立的情况下，禁止低效率运转而执行通常运转。
这样一来，在假设伴随维持低效率运转而产生问题的情况下，即规定条件成立的情况下，可从低效率运转切换为通常运转。由此，可避免伴随维持低效率运转所产生的问题，并能提高系统运转的稳定性。
根据本发明的优选的一个实施方式为，上述规定条件包括无法消耗低效率运转产生的燃料电池的发电电力的时候。
这是因为，在这种情况下无法维持低效率运转。通过将低效率运转切换为通常运转，并降低燃料电池的发电量，可稳定地进行系统运转。
根据本发明的优选的另一个实施方式为，燃料电池系统可具有蓄电装置，其构成为蓄积燃料电池的发电电力。并且，优选上述规定条件包括以下至少一种：无法将低效率运转产生的燃料电池的发电电力蓄积到蓄电装置中的时候、及蓄电装置的蓄电量大于规定量的时候。
这是因为，在这种情况下，在维持低效率运转的情况下，燃料电池的发电电力失去了耗用处。
根据本发明优选的一个实施方式，上述规定条件可包括燃料电池中产生溢流的时候。
例如，降低对燃料电池的反应气体的供给量而进行低效率运转的情况下，不能促进由燃料电池的发电反应生成的水的排出。因此担心燃料电池产生溢流，从而电压下降。根据上述本发明的构成，当发生溢流时，将低效率运转切换为通常运转，因此可促进生成水的排出，从而抑制电压下降。
优选：控制装置接收到燃料电池的发电停止要求的情况下，可禁止低效率运转，并停止燃料电池的发电。
这样一来，在例如存在燃料电池的间歇运转的要求、IG-OFF或系统异常时产生的发电停止要求的情况下，可停止燃料电池的发电。
优选：控制装置进行控制，以在燃料电池起动时执行低效率运转。
然而，当进行低效率运转时，不仅从燃料电池的阳极侧排出氢气，而且从阴极侧也会排出氢(主要是泵送氢)。将含有氢的氧化废气直接排出到大气中会对环境不利。
因此，根据本发明的优选的一个实施方式，燃料电池系统具有：供给路径，供给燃料电池的氧化气体在该路径中流动；排出路径，从燃料电池排出的氧化废气在该路径中流动；旁通路径，连接供给路径和排出路径，以使氧化气体绕过燃料电池而流动；旁通阀，开关旁通路径。优选：控制装置在低效率运转时打开旁通阀，但在通常运转时关闭旁通阀。
这样一来，在低效率运转时，通过绕过的氧化气体可稀释氧化废气中含有的氢。因此，可将氧化废气从排出路径适当地排出到大气中。而在通常运转时，无需使氧化气体绕过燃料电池，因此可适当地向燃料电池供给氧化气体。
附图说明
图1是实施方式的燃料电池系统的构成图。
图2是表示实施方式的FC电流和FC电压的关系的图表。
图3A、B是表示实施方式的泵送氢的生成机理的图，图3A表示通常运转时的电池反应，图3B表示低效率运转时的电池反应。
图4是表示实施方式的燃料电池系统起动时的处理流程的流程图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的优选实施方式的燃料电池系统。首先，说明本发明的燃料电池系统的概要，接着说明禁止低效率运转并切换为通常运转时的条件。
如图1所示，燃料电池系统1可搭载到燃料电池汽车(FCHV)、电动汽车、混合动力汽车等车辆上。但燃料电池系统1不仅可适用于车辆，而且也可适用于各种移动体(例如船舶、飞机、机器人等)、固定式电源。
燃料电池系统1具有：燃料电池2；氧化气体配管系统3，将作为氧化气体的空气供给燃料电池2；燃料气体配管系统4，将作为燃料气体的氢气供给燃料电池2；制冷剂配管系统5，向燃料电池2供给制冷剂以冷却燃料电池2；电力系统6，对系统1进行电力的充放电；以及控制装置7，对系统整体进行统一控制。
燃料电池2例如由固体高分子电解质型构成，具有层叠多个单电池而成的层叠构造。单电池在由离子交换膜构成的电解质的一侧的面上具有空气极(阴极)，另一侧的面上具有燃料极(阳极)，还具有一对隔板，其从两侧夹住空气极及燃料极。氧化气体被供给一个隔板的氧化气体流路2a，燃料气体被供给另一个隔板的燃料气体流路2b。通过提供的燃料气体及氧化气体的电化学反应，燃料电池2产生电力。燃料电池2的电化学反应是发热反应，固体高分子电解质型的燃料电池2的温度大约为60～80℃。
氧化气体配管系统3具有：供给路径11，向燃料电池2提供的氧化气体在该路径中流动；排出路径12，从燃料电池2排出的氧化废气在该路径中流动；旁通路径17，氧化气体绕过燃料电池2而在该路径中流动。供给路径11经由氧化气体流路2a与排出路径12连通。氧化废气可含有在燃料电池2的空气极侧生成的泵送氢等(稍后详述)。并且，氧化废气由于含有通过燃料电池2的电池反应生成的水分，因此变为高湿状态。
供给路径11中设有：压缩机14(供给机)，经由空气滤清器13取入外部气体；和加湿器15，加湿通过压缩机14压送到燃料电池2的氧化气体。加湿器15在供给路径11中流动的低湿状态的氧化气体及排出路径12中流动的高湿状态的氧化废气之间进行水分交换。这样一来，供给燃料电池2的氧化气体被适度地加湿。
供给燃料电池2的氧化气体的背压由设置在阴极出口附近的排出路径12上的背压调节阀16调节。背压调节阀16的附近设有检测排出路径12内的压力的压力传感器P1。氧化废气经过背压调节阀16及加湿器15最终作为排气被排出到系统外的大气中。
旁通路径17连接供给路径11和排出路径12。旁通路径17和供给路径11的供给侧连接部B位于压缩机14和加湿器15之间。并且，旁通路径17和排出路径12的排出侧连接部C位于加湿器15的下游侧。旁通路径17中设有由电机或螺线管等驱动的作为开关阀(切断阀)的旁通阀18。旁通阀18与控制装置7连接，开关旁通路径17。在以下说明中，将通过旁通阀18的打开而经过旁通阀18向旁通路径17的下游绕过的氧化气体称为“旁通气体”。
燃料气体配管系统4具有：氢供给源21；供给路径22，从氢供给源21供给燃料电池2的氢气在该路径中流动；循环路径23，用于使从燃料电池2排出的废氢气(燃料废气)返回到供给路径22的合流点A；泵24，将循环路径23内的废氢气压送到供给路径22；放气路径25，其与循环路径23分支连接。通过打开主阀26而从氢供给源21向供给路径22流出的氢气，经过调压阀27等减压阀及截止阀28被供给燃料电池2。放气路径25中设有用于将废氢气排出到氢稀释器(省略图示)的放气阀33。
制冷剂配管系统5具有：制冷剂流路41，与燃料电池2内的冷却流路2c连通；设置在制冷剂流路41上的冷却泵42；冷却从燃料电池2排出的制冷剂的散热器43；绕过散热器43的旁通流路44；以及切换阀45，设定向散热器43及旁通流路44通冷却水。制冷剂流路41具有：设置在燃料电池2的制冷剂入口附近的温度传感器46；和设置在燃料电池2的制冷剂出口附近的温度传感器47。温度传感器47检测出的制冷剂温度反映燃料电池2的内部温度(以下称为“燃料电池2的温度”)。冷却泵42在电机的驱动下将制冷剂流路41内的制冷剂循环供给燃料电池2。
电力系统6具有：高压DC/DC转换器61、蓄电池62、牵引逆变器63、牵引电机64及各种辅助逆变器65、66、67。高压DC/DC转换器61是直流的电压转换器。高压DC/DC转换器61具有以下功能：调整从蓄电池62输入的直流电压，并输出到牵引逆变器63一侧的功能；和调整从燃料电池2或牵引电机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的充放电。另外，由高压DC/DC转换器61控制燃料电池2的输出电压。通过SOC传感器68检测蓄电池62的蓄电量。
牵引逆变器63将直流电流转换为三相交流，并且供给牵引电机64。牵引电机64(动力发生装置)例如是三相交流电机。牵引电机64构成搭载有燃料电池系统1的例如车辆100的主动力源，并与车辆100的车轮101L、101R连接。辅助逆变器65、66、67分别控制压缩机14、泵24、冷却泵42的马达的驱动。
控制装置7作为内部具有CPU、ROM、RAM的微型计算机而构成。CPU根据控制程序执行希望的运算，并进行通常运转的控制及下述低效率运转的控制等各种处理、控制。ROM存储由CPU处理的控制程序、控制数据。RAM主要在用于控制处理的各种作业领域中使用。
控制装置7输入来自以下各种传感器的检测信号：各种压力传感器(P1)、湿度传感器(46、47)、检测放置燃料电池系统1的环境的外部气温的外部气温传感器51、SOC传感器68以及检测车辆100的加速器开度的加速器开度传感器等。控制装置7根据该输入向各构成要素(供给机14、背压调节阀16及旁通阀18等)输出控制信号。并且，控制装置7在低温起动时等需要对燃料电池2预热的情况下，利用ROM中存储的各种模型及程序进行发电效率较低的运转。进而，控制装置7在规定条件下禁止低效率运转。
图2是表示燃料电池2的输出电流(以下称为“FC电流”)和输出电压(以下称为“FC电压”)的关系的图。图2用实线表示燃料电池系统1进行发电效率较高的运转(以下称为“通常运转”)的情况，用虚线表示燃料电池系统1进行发电效率较低的运转(以下称为“低效率运转”)的情况。此外，通过由控制装置7至少控制氧化气体配管系统3及燃料气体配管系统4来进行通常运转及低效率运转。
使燃料电池系统1进行通常运转时，为了抑制电力损失并获得较高的发电效率，在将空气理想配比设定为1.0以上(理论值)的状态下运转燃料电池2(参照图2的实线部分)。在此，所谓空气理想配比是指氧气剩余率，表示所供给的氧相对于与氢恰好反应所需的氧而剩余的程度。
与此相对，在对燃料电池2进行预热的情况下，为了增大电力损失而使燃料电池2的温度上升，在将空气理想配比设定为不足1.0(理论值)的状态下运转燃料电池2(参照图2的虚线部分)。当将空气理想配比设定得较低而进行低效率运转时，在通过氢和氧的反应获得的能量中，电力损失量(即热损失量)显著地增大。因此，当进行低效率运转时，与通常运转相比，能在短时间内使燃料电池2升温，可缩短其预热时间。但另一方面，当进行低效率运转时，燃料电池2的空气极中产生泵送氢。
图3A、B是用于说明泵送氢的生成机理的图，图3表示通常运转时的电池反应，图3B表示低效率运转时的电池反应。
燃料电池2的各单电池80具有电解质膜81、夹持该电解质膜81的阳极及阴极。含有氢(H2)的燃料气体被供给阳极，含有氧(O2)的氧化气体被供给阴极。当燃料气体被供给阳极时，进行下述式(1)的反应，氢分离为氢离子和电子。在阳极生成的氢离子透过电解质膜81向阴极移动，而电子从阳极经过外部电路向阴极移动。
阳极：H2→2H++2e-    …(1)
如图3A所示的通常运转的情况下，即在向阴极供给充足的氧化气体的情况下(空气理想配比≥1.0)，进行下述式(2)的反应，从而由氧、氢离子及电子生成水。
阴极：2H++2e-+(1/2)O2→H2O    …(2)
如图3B所示的低效率运转时，即在向阴极供给的氧化气体不足的情况下(空气理想配比＜1.0)，根据不足的氧化气体量，进行下述式(3)的反应，从而氢离子及电子再次结合而生成氢。生成的氢与氧化废气一起被从阴极排出。此外，将通过分离的氢离子和电子的再次结合在阴极生成的氢、即在阴极中生成的阳极气体称为泵送氢。
阴极：2H++2e-→H2    …(3)
因此，在向阴极供给的氧化气体不足的状态下，氧化废气中含有泵送氢。
因此，当燃料电池系统1进行低效率运转时，控制装置7进行控制而使旁通阀18打开，使由压缩机13供给的一部分氧化气体分流到旁通路径17。通过该分流的旁通气体稀释氧化废气中的氢浓度，将氢浓度下降到安全范围的氧化废气从排出路径12排出到外部。
其中，低效率运转的主要目的在于对燃料电池2进行预热，其在燃料电池系统1起动时进行，特别是仅在低温起动时进行。例如，在燃料电池系统1起动时，当由外部气温传感器51检测出的外部气温为规定的低温(例如0℃以下)时，进行燃料电池系统1的低效率运转。之后，当燃料电池2的预热结束时，燃料电池系统1从低效率运转转换到通常运转。旁通阀18在进行低效率运转的燃料电池系统1起动时打开，并在低效率运转后的通常运转中关闭。
如图4所示，例如通过车辆100的司机对点火开关的接通操作等，指示燃料电池系统1开始运转时，控制装置7判断燃料电池2是否需要急速预热(步骤S1)。
其中，根据外部气温传感器51的检测温度来判断是否需要急速预热。该检测温度超过规定的低温(例如0℃以下)时，判断为无需急速预热(步骤S1；否)，转换到通常运转的模式(步骤S4)。另一方面，当检测温度在规定低温以下(例如0℃以下)时，判断为需要急速预热(步骤S1；是)，转换到下一步骤S2。
在步骤S2中，判断急速预热的禁止标志是否打开(ON)。当急速预热的禁止标志关闭(OFF)时，可以认为，即使不禁止急速预热，在之后的低效率运转中也不会产生问题。此时(S2；否)，按照急速预热的要求，开始低效率运转(S3)。这样一来，在燃料电池2起动时，使燃料电池2迅速升温。另一方面，当急速预热的禁止标志打开时(步骤S2；是)，禁止低效率运转而进行通常运转(S4)。
其中，急速预热的禁止标志打开的规定条件为：当执行低效率运转时，系统运转时产生问题的可能性高的情况。作为该规定条件，可以列举以下的(1)～(5)。
(1)无法消耗低效率运转产生的燃料电池2的发电电力的时候；
(2)无法将低效率运转产生的燃料电池2的发电电力蓄积到蓄电池62中的时候；
(3)蓄电池62的蓄电量大于规定量的时候；
(4)燃料电池2产生了溢流的时候；
(5)存在使燃料电池2停止发电的要求时。
当这些条件(1)～(5)中的至少一个成立时，禁止低效率运转。以下对各条件进行说明。
首先，当条件(1)成立时禁止低效率运转是因为低效率运转产生的燃料电池2的发电电力失去了耗用处。具体而言，为了维持低效率运转，需要使燃料电池2持续发电。但是在该发电电力无法被燃料电池系统1的辅机或牵引电机64耗尽的情况下，发电电力的一部分失去了耗用处。其结果是，无法维持低效率运转。因此，当条件(1)成立时，禁止低效率运转，而执行通常运转，降低燃料电池2的发电量即可。
条件(2)及(3)也可以说是条件(1)的具体例。
例如，由于蓄电池62的异常、故障，存在通过低效率运转所发出的燃料电池2的电力无法充到蓄电池62中的情况。并且，在蓄电池62的蓄电量超过规定量的情况下，燃料电池2的发电电力无法充到蓄电池62中，或者即使可充电，也很少，当持续低效率运转时，蓄电池62变为充满电的状态，也担心无法再继续充电。因此，在蓄电池62的充电允许功率下降的情况下，无法维持低效率运转下的燃料电池2的发电。因此，在条件(2)及(3)成立的情况下，禁止低效率运转，而执行通常运转，降低燃料电池2的发电量即可。
接着对条件(4)进行说明。
通过燃料电池2的发电反应，在燃料电池2的阴极侧生成水。这种水通常被氧化气体流吹散，并排出到燃料电池2外。但是在低效率运转中，燃料电池2的发电反应在限制氧化气体供给量的状态下进行。因此，处于无法促进生成水排出的状态。其结果是，特别是担心在阴极侧发生导致单电池电压下降的溢流(湿润过度)。因此，在发生溢流的情况下，即当条件(4)成立时，禁止低效率运转，而执行通常运转。这样一来，可消除溢流，并能抑制单电池电压的下降。
其中，可通过各种方法判断是否发生溢流。例如，可通过低效率运转的持续时间、燃料电池2的温度及燃料电池2的发电电流值来判断。或者例如通过交流阻抗法测定燃料电池2内的水分量，在该水分量超过阈值时可判断为产生了溢流。并且，通过推测从上一次系统运转停止时开始的燃料电池2的剩余水量或测定燃料电池2的单电池电压，也可判断是否发生溢流。
接着对条件(5)进行说明。
例如，当通过司机对点火开关的关闭操作(以下称为“IG-OFF”)指示燃料电池系统1停止运转时，要求燃料电池2停止发电。并且，在燃料电池系统1发生异常时(诊断等的发生)，也要求燃料电池2停止发电。进而，在伴随氢泄漏检测而存在间歇运转的要求的情况下，也要求燃料电池2停止发电。
此外，由检测向系统1的外部的氢泄漏的氢传感器(省略图示)进行氢泄漏检测。并且，间歇运转是指以下运转模式：例如在空转时、低速行驶时或再生制动时等低负载运转时，使燃料电池2暂时停止发电，另一方面从蓄电池62向牵引电机64进行供电，在燃料电池2中以可维持开放端电压的程度、间歇地进行氢气及氧气的供给。
上述IG-OFF、燃料电池系统1的异常及间歇运转的要求，不仅在燃料电池系统1起动时，而且在起动后的低效率运转期间也存在。在接收到因IG-OFF或燃料电池系统1发生异常而引起的燃料电池2的发电停止要求的情况下，禁止低效率运转，并且停止燃料电池系统1的运转，使燃料电池2停止发电。另一方面，在接收到因间歇运转要求而引起的燃料电池2的发电停止要求的情况下，在禁止低效率运转的基础上，经由通常运转而执行间歇运转。
如上所述，根据本实施方式的燃料电池系统1，在上述规定条件(1)～(5)中的至少一个成立的情况下，禁止低效率运转。因此，在假设伴随维持低效率运转而产生问题的情况下，可避免伴随维持低效率运转所产生的问题。并且，在规定条件(1)～(4)中的至少一个成立的情况，或者存在间歇运转要求(参考：条件(5))的情况下，可从低效率运转切换到通常运转，以提高系统运转的稳定性。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，其构成为通过在规定的低温时进行与通常运转相比电力损失大的低效率运转而与上述通常运转相比在短时间内使燃料电池升温，其中，
具有控制装置，在上述规定的低温时规定条件成立的情况下，禁止上述低效率运转而执行上述通常运转。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，上述规定条件包括无法消耗上述低效率运转产生的上述燃料电池的发电电力的时候。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，
具有蓄电装置，其构成为蓄积上述燃料电池的发电电力，
上述规定条件包括以下至少一种：无法将上述低效率运转产生的上述燃料电池的发电电力蓄积到上述蓄电装置的时候、及上述蓄电装置的蓄电量大于规定量的时候。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的燃料电池系统，上述规定条件包括在上述燃料电池中产生溢流的时候。
5.根据权利要求1至4的任意一项所述的燃料电池系统，上述控制装置在接收到上述燃料电池的发电停止要求的情况下，禁止上述低效率运转而停止该燃料电池的发电。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的燃料电池系统，上述控制装置进行控制，以在上述燃料电池起动时执行上述低效率运转。
7.根据权利要求1至6的任意一项所述的燃料电池系统，具有：
供给路径，供给上述燃料电池的氧化气体在该供给路径中流动；
排出路径，从上述燃料电池排出的氧化废气在该排出路径中流动；
旁通路径，连接上述供给路径和上述排出路径，以使上述氧化气体绕过上述燃料电池而流动；和
旁通阀，开关上述旁通路径，
上述控制装置在上述低效率运转时打开上述旁通阀，在上述通常运转时关闭上述旁通阀。
8.根据权利要求1至6的任意一项所述的燃料电池系统，具有：
氧化气体配管系统，向上述燃料电池供给氧化气体；和
燃料气体配管系统，向上述燃料电池供给燃料气体，
上述控制装置通过至少控制上述氧化气体配管系统及上述燃料气体配管系统来进行上述通常运转及上述低效率运转。
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