CN101523654B - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
燃料电池系统(10)具有：燃料电池堆(40)，接受反应气体的供给而发电；空气压缩机(14)，在发电停止时，对燃料电池堆(40)内部残留的水分进行扫气；二次电池(42)，向空气压缩机(14)提供工作电力；控制器(60)，控制向燃料电池堆(40)流入以及从燃料电池堆(40)流出的水收支，使利用空气压缩机(14)对燃料电池堆(40)内部残留的水分进行扫气所需的时间大致一定。
Description
技术领域
本发明涉及在发电停止时向燃料电池堆提供扫气气体、从而排出燃料电池堆内部的水分的燃料电池系统。
背景技术
近年来，作为解决环境问题的一环，低公害汽车的开发获得进展，其中之一是以燃料电池系统为车载电源的燃料电池车辆。燃料电池系统是如下能量转化系统：向在电解质膜的一个面上配置阳极、另一个面上配置阴极而构成的膜-电极接合体提供反应气体，从而发生电化学反应，将化学能转化为电能。其中，将固体高分子膜作为电解质使用的固体高分子电解质型燃料电池系统成本低，易于小型化，并具有较高输出密度，因此有望作为车载电源使用。
燃料电池堆的气体通道内部残留有因反应气体的电化学反应而产生的生成水、及用于加湿反应气体的加湿水等，在对这些残留水置之不理的情况下停止发电时，在低温环境下残留水冻结，妨碍反应气体向膜-电极接合体的扩散，低温启动性降低。
鉴于如上问题，目前进行如下扫气处理：发电停止时，通过蓄电装置的电力驱动空气压缩机，排出残留在燃料电池堆内部的气体通道内的水分。日本特开2003-297399号公报中提出了以下方法：推测燃料电池堆内部的残留水量，残留水量越多，越增加扫气时间。
专利文献1：日本特开2003-297399号公报
发明内容
但是，燃料电池堆内部的残留水量由于运转输出、气温、湿度等不同而有极大不同，因此在日本特开2003-297399号公报的方法中，扫气所需的时间必须每次根据残留水量进行调整，因此扫气控制变得复杂。
因此，本发明的课题是，解决上述问题，提出能使扫气控制简单化的燃料电池系统。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统具有：燃料电池堆，接受反应气体的供给而发电；扫气装置，在发电停止时，对燃料电池堆内部残留的水分进行扫气；蓄电装置，向扫气装置提供工作电力；水收支控制装置，控制向燃料电池堆流入以及从燃料电池堆流出的水收支，使扫气装置对燃料电池堆内部残留的水分进行扫气所需的时间大致一定。
通过控制向燃料电池堆流入以及从燃料电池堆流出的水收支(生成水量、带走水量及加湿水量的收支计算)，使扫气装置对燃料电池堆内部残留的水分进行扫气所需的时间大致一定，能使扫气控制简单化。
附图说明
图1是本实施方式涉及的燃料电池系统的系统构成图。
图2是表示用于将扫气处理所需时间调整得大致一定的水收支控制的流程图。
图3是表示目标交流阻抗的计算过程的说明图。
图4是表示水收支的控制过程的说明图。
具体实施方式
图1表示本实施方式的燃料电池系统10的系统构成。
燃料电池系统10作为燃料电池车辆的车载用发电系统而发挥作用，具有由层叠多个电池而成的堆结构所构成的固体高分子电解质型的燃料电池堆40。电池包括：在电解质膜的一个面上配置阳极、另一个面上配置阴极而形成的膜-电极接合体；和在膜-电极接合体上形成了用于使反应气体(燃料气体、氧化气体)流动的气体通道(阳极气体通道、阴极气体通道)、使致冷剂流动的致冷剂路径的隔板。燃料电池堆40在阳极接受氢气(燃料气体)的供给，并且在阴极接受氧气(氧化气体)的供给，从而进行发电。
在燃料电池堆40中，在阳极中发生(1)式的氧化反应，在阴极中发生(2)式的还原反应。作为燃料电池堆40整体，发生(3)式的反应。
H2→2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O …(2)
H2+(1/2)O2→H2O …(3)
燃料电池系统10的氧气供给系统中设有：向燃料电池堆40提供氧气的氧气供给路径11；和将从燃料电池堆40排出的氧废气排出到外部的氧废气排出路径12。氧气供给路径11中设有：除去大气中的氧气中含有的粉尘等的过滤器13；对氧气进行加压的空气压缩机14；和将由空气压缩机14加压后的氧气适当地加湿的加湿组件15。
加湿组件15在从大气取入的低湿的氧气(干燥气体)与从燃料电池堆40的阴极排出的高湿的氧废气(湿气体)之间，进行水分交换。如(2)式所示，在阴极中，由于生成了水，因此从阴极排出的氧废气含有大量的水分。通过加湿组件15加湿的氧气通过氧气供给路径11提供到燃料电池堆40，用于燃料电池堆40的发电。氧废气排出路径12是设置在氧气的排出系统中的配管，在加湿组件15和燃料电池堆40之间，设有调整燃料电池堆40内的氧气压力的调压阀16。在氧废气排出路径12中流动的氧废气通过调压阀16在加湿组件15中用于水分交换后，作为排气排出到系统外的大气中。
燃料电池系统10的氢气供给系统中设有：作为存储了高压氢气的氢供给源的氢罐21；将氢罐21内填充的氢气提供到燃料电池堆40的氢气供给路径22；控制从氢罐21到氢气供给路径22的氢气供给/停止的断开阀29；控制从氢气供给路径22到燃料电池堆40的氢气供给/停止的断开阀28；使从燃料电池堆40排出的氢废气(未反应的氢气)回流到氢废气排出路径22中的循环路径23；将在循环路径23中流动的氢废气压送到氢气供给路径22的氢泵24；和从循环路径23分支，与氧废气排出路径12合流的排出路径25。
在氢废气排出路径22的上游侧，设有调整从氢罐21流出的高压氢气的压力的调节器27，循环路径23与调节器27的下游侧合流。从氢罐21流出到氢气供给路径22的氢气与在循环路径23中回流的氢废气在氢气供给路径22和循环路径23之间的连接点上合流，变为混合气体，提供到燃料电池堆40。循环路径23的氢泵24的下游侧设有止回阀26，用于抑制回流到燃料电池堆40的氢废气的倒流。
在氢泵24的上游侧设有气液分离器30，用于将水分从在循环路径23中流动的氢废气中分离。在循环路径23中流动的流体包括：从燃料电池堆40排出的氢废气；由于燃料电池堆40中的电化学反应而生成的生成水。气液分离器30将该生成水从氢废气中分离。水分被分离后的氢废气通过氢泵24回流到燃料电池堆40，而在气液分离器30中回收的水分通过排水阀31从流体配管32排出到氧废气排出路径12中。
流体配管32的上游端与气液分离器30的排水阀31连接，其下游端与氧废气排出路径12连接，使由气液分离器30分离出来的水分流入到氧废气排出路径12中。排出路径25中设有作为对其进行开关的关闭阀发挥作用的放气阀33。通过适当开关放气阀33，能将氢废气中含有的杂质与氢废气一起经由排出路径25而排出到氧废气排出路径12中。通过将氢废气中含有的杂质从排出路径25排出，能降低氢废气中的杂质浓度，并且提高循环提供到燃料电池堆40的氢废气中的氢浓度。
燃料电池系统10的电力系统中设有：作为蓄电装置的二次电池42，用于将燃料电池堆40的发电电力或车辆制动时的再生能量蓄电；DC/DC转换器41，调整燃料电池堆40的输出电压，从而控制燃料电池堆40和二次电池42的电力供给分配；和牵引逆变器43，将从燃料电池堆40或二次电池42提供的直流电力转化为交流电力，并提供到牵引电动机(车辆行驶电动机)44。
二次电池42是能进行电力蓄电及放电的蓄电装置，作为制动再生时的再生能量存储源、伴随燃料电池车辆的加速或减速的负荷变化时的能量缓冲器发挥作用。作为二次电池42，例如优选镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池等。也可替代二次电池42而搭载电容等蓄电装置。
燃料电池系统10的冷却系统中设有：致冷剂流路51，用于使在燃料电池堆40内循环的致冷剂流动；致冷剂泵54，用于沿着致冷剂流路51压送致冷剂；散热器53，用于冷却致冷剂的；和旁通阀52，用于使散热器53旁通，从而使致冷剂流入到致冷剂路径51。通过增减旁通散热器53的致冷剂的旁通量，能够调整致冷剂温度。
在燃料电池系统10的控制系统中配置有控制器60，用于控制燃料电池系统10整体。控制器60是具有中央处理装置(CPU)、存储装置(ROM、RAM)、输入输出接口等的控制单元(ECU)。控制器60根据来自各种传感器的传感输出，监视运转状态，控制燃料电池系统10。
作为传感器，包括：输出启动/停止信号的点火开关71；检测车速的车速传感器72；检测加速开度的加速传感器73；检测构成燃料电池堆40的各电池的输出电压的电压传感器74；检测燃料电池堆40的输出电流(FC电流)的电流传感器75；检测燃料电池堆40的温度(FC温度)的温度传感器76；检测从燃料电池堆40的阴极出口流出的空气的流量的空气流量传感器77；检测从燃料电池堆40的阴极出口流出的空气的压力的空气压力传感器78；检测二次电池42的SOC的SOC(State ofcharge：充电状态)传感器79等。
例如，控制器60接收到从点火开关71输出的启动信号时，开始燃料电池系统10的运转，根据从加速传感器73输出的加速开度信号、从车速传感器72输出的车速信号等，求出系统整体的要求电力。系统整体的要求电力是车辆行驶电力和辅机电力的总值。辅助电力例如包括：车载辅机类(加湿器、空气压缩机、氢泵、冷却水循环泵等)所消耗的电力，车辆行驶所需的装置(变速机、车轮控制装置、转向装置、悬挂装置等)消耗的电力，乘员空间内配置的装置(空调装置、照明器具、音响等)消耗的电力等。
并且，控制器60决定燃料电池堆40和二次电池42的输出电力的分配，为了使燃料电池堆40的发电量和目标电力一致，调整空气压缩机14的转速、调节器27的阀开度，从而调整提供到燃料电池堆40的反应气体供给量，并且通过控制DC/DC转换器41而调整燃料电池堆40的输出电压，从而控制燃料电池堆40的运转点(输出电压、输出电流)。进一步，控制器60为了获得与加速开度对应的目标车速，例如作为开关指令，将U相、V相及W相的各交流电压指令值输出到逆变器43，控制牵引电动机44的输出转矩及转速。
接着，参照图2概括说明用于将扫气处理所需时间调整为大致一定的水收支控制。
控制器60接收到从点火开关71输出的启动信号时，进行通常运转(步骤201)。通常运转时，控制器60根据从加速传感器73输出的加速开度信号、从车速传感器72输出的车速信号等，求出系统整体的要求电力，决定燃料电池堆40和二次电池42的输出电力的分配，控制辅机类，以使燃料电池堆40的发电量与目标电力一致。
控制器60取入来自温度传感器76的传感输出，测量燃料电池堆40的温度(步骤202)。
并且，控制器60根据步骤202中测量的FC温度，计算燃料电池堆40的目标交流阻抗(步骤203)。关于根据FC温度测量目标交流阻抗的过程，稍后进行论述。
而且，可知：若将向燃料电池堆40施加交流信号时的燃料电池堆40的响应电压设为E、响应电流设为I、交流阻抗设为Z，则以下关系式成立。
E＝E0expj(ωt+Ф)
I＝I0expjωt
Z＝E/I＝(E0/I0)expjФ＝R+jχ
其中，E0表示响应电压的振幅，I0表示响应电流的振幅。ω表示角频率，Ф表示初始相位。R表示电阻成分(实数部分)，χ表示电抗成分(虚数部分)。J表示虚数单位，t表示时间。
控制器60控制向燃料电池堆40流入以及从燃料电池堆40流出的水收支(步骤204)，使燃料电池堆40的交流阻抗与目标交流阻抗一致。水收支控制的详情稍后论述。
控制器60控制DC/DC转换器41，将交流信号重叠到燃料电池堆40，通过电压传感器74检测出该电压响应，从而能够测量交流阻抗。作为用于测量交流阻抗的其他方法，也可以是控制器60使用内部电阻测量器测量燃料电池堆40的交流阻抗。内部阻抗测量器是如下高频阻抗测量器：通过向燃料电池堆40施加高频电流，检测其电压响应，从而能够求出燃料电池堆40的交流阻抗。
并且，控制器60判断是否有发电停止要求(步骤205)。当点火开关71从接通切换为断开时，发电停止要求输出到控制器60。只要没有发电停止要求(步骤205：NO)，控制器60就进行步骤201～步骤204的处理。
燃料电池堆40的温度根据运转状态而时刻变化，因此目标交流阻抗也根据运转状态而时刻变化。控制器60控制向燃料电池堆40流入以及从燃料电池堆40流出的水收支，以追踪时刻变化的目标交流阻抗。
控制器60接收到发电停止要求时(步骤205：YES)，使用二次电池42中蓄存的电力驱动空气压缩机14，向燃料电池堆40内部的气体通道提供扫气气体，从而对气体通道内的水分进行扫气(步骤206)。空气压缩机14作为用于对燃料电池堆40内的水分进行扫气的扫气装置发挥作用。
在此，参照图3详细说明目标交流阻抗的计算过程(步骤203)。
控制器60根据在步骤202中测量的FC温度103、温度-干燥速度图数据(T-V图数据)301，计算出与FC温度103对应的干燥速度V。温度-干燥速度图数据301是以横轴为温度、纵轴为干燥速度(每单位时间内扫气的水分量)的图数据，绘制与各温度对应的干燥速度而成图。
控制器60根据干燥速度V、干燥速度-干燥量图数据(V-Q图数据)302，计算与干燥速度V对应的干燥量Q。干燥速度-干燥量图数据302是以横轴为干燥速度、纵轴为干燥量的图数据，绘制与各干燥速度对应的干燥量而成图。干燥量Q通过用干燥速度V乘以扫气时间ΔtT来计算。
控制器60根据温度103、温度-目标水量图数据(T-QTGT图数据)303，计算与温度103对应的目标水量QTGT。温度-目标水量图数据303是以横轴为温度、纵轴为目标水量的图数据，绘制与各温度对应的目标水量而成图。目标水量QTGT是干燥量Q和残留水量QEND的和。其中，干燥量Q是扫气处理时从燃料电池堆40排出的水分量，残留水量QEND是扫气处理后残留在燃料电池堆40中的水分量。
控制器60根据温度103、温度-目标交流阻抗图数据(T-Z图数据)304，计算与温度103对应的目标交流阻抗123。温度-目标交流阻抗图数据304是以横轴为温度、纵轴为目标交流阻抗的图数据，绘制与各温度对应的目标交流阻抗而成图。已知交流阻抗与目标水量QTGT有相关关系，因此能根据目标水量QTGT求出目标交流阻抗。
而且，为了便于说明，表示了使用温度-干燥速度图数据301、干燥速度-干燥量图数据302、温度-目标水量图数据303和温度-目标交流阻抗图数据304计算目标交流阻抗123的过程，但由于温度-干燥速度图数据301、干燥速度-干燥量图数据302和温度-目标水量图数据303是用于理论性地导出温度-目标交流阻抗图数据304的物理模型，因此在实际的运用中，只要有温度-目标交流阻抗图数据304就足够。
在此，参照图4详细说明在向燃料电池堆40流入以及从燃料电池堆40流出的水收支的控制过程(步骤204)。
控制器60通过使由电流传感器75的输出值测量的FC电流值107乘以增益110，计算出生成水量W1[g/sec]。增益110是具有电池数/LVFF/2×18的值的常数，LVFF是法拉第常数(96500C/mol)。进一步，控制器60根据由温度传感器76的输出值测量的FC温度103及水饱和蒸汽特性图数据111，计算出水蒸汽压U1，由空气压力传感器78的输出值测量空气压力值109(以下称为空气压力值U2)。并且，控制器60将自变量U1、U2代入到函数112中，计算水蒸汽和空气的分压比V1。
控制器60通过使由电流传感器75的输出值测量的FC电流值107乘以增益113，计算出空气消耗量A1[mol/sec]。增益113是具有电池数/LVFF/4的值的常数。控制器60由空气流量传感器77的输出值，测量阴极出口的空气流量值108(以下称为空气流量值A2[mol/sec])。并且，控制器60根据空气流量A2-空气消耗量A1计算出转换为带走水分的空气流量V2。控制器60通过将自变量V1、V2代入到乘法函数115中，并使该函数值乘以增益116，计算出带走水量W2[g/sec]。增益116是具有18的值的常数。带走水量W2乘以具有-1的值的增益117，符号变为-。
控制器60根据加湿组件水蒸汽交换率图数据118，计算出与空气流量A2对应的水蒸汽交换率X1。控制器60将自变量W1、W2代入到MIN函数119中，将其函数值设为X2。MIN函数119是将多个自变量中的最小值作为函数值的函数。控制器60将自变量X1、X2代入到乘法函数120中，其函数值为加湿水量W3[g/sec]。控制器60将自变量W1、-W2、W3代入到加法函数121中，将其函数值作为残留在燃料电池堆40中的水分量122。
控制器60控制生成水量W1、带走水量W2和加湿水量W3，以使水分量122与目标水量QTGT一致。具体而言，当水分量122小于目标水量QTGT时，控制器60进行增加FC电流107的操作、增加来自加湿组件15的加湿量的操作等，从而增大生成水量W1或加湿水量W3。另一方面，当水分量122大于目标水量QTGT时，控制器60进行增大空气流量值108的操作、减小空气压力值109的操作等，从而增大带走水量W2。
根据本实施方式，通过控制向燃料电池堆40流入以及从燃料电池堆40流出的水收支(生成水量、带走水量和加湿水量的收支计算)，使利用空气压缩机14对燃料电池堆40内部残留的水分进行扫气所需的时间大致一定，能够使扫气控制简单化。
此外，控制器60作为水收支控制装置发挥作用，控制向燃料电池堆40流入以及从燃料电池堆40流出的水收支，以使利用空气压缩机14对燃料电池堆40内部残留的水分进行扫气所需的时间大致一定(步骤204)。
产业上的利用可能性
根据本发明，由于扫气时间大致一定，因此能使扫气控制简单化。
Claims (3)
1.一种燃料电池系统，具有：
燃料电池堆，接受反应气体的供给而发电；
扫气装置，在发电停止时，对所述燃料电池堆内部的水分进行扫气；
蓄电装置，向所述扫气装置提供工作电力；
水收支控制装置，控制向所述燃料电池堆流入以及从所述燃料电池堆流出的水收支，使利用所述扫气装置对所述燃料电池堆内部的水分进行扫气所需的时间大致一定，
所述水收支控制装置根据所述燃料电池堆的温度计算目标交流阻抗，并控制向所述燃料电池堆流入以及从所述燃料电池堆流出的水收支，使发电停止时的所述燃料电池堆的交流阻抗与所述目标交流阻抗相等。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述水收支控制装置通过控制所述燃料电池堆的发电电流来控制所述水收支。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述水收支控制装置通过控制施加到所述燃料电池堆的加湿水量来控制所述水收支。
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