CN101536229A - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题是提供一种燃料电池系统,其能够在系统停止指令之后使燃料电池在短时间内干燥。燃料电池系统具备控制装置,该控制装置控制普通运行和与普通运行相比使燃料电池的含水量减少的干燥运行的执行。控制装置在系统停止指令之前执行干燥运行,使得在系统停止指令的时间点与普通运行时相比减少燃料电池的含水量。控制装置,在预测为系统停止时或者下次系统启动时的燃料电池的温度为预定的低温的情况下,在系统停止指令之前执行干燥运行。
Description
技术领域
本发明涉及具备燃料电池的燃料电池系统,尤其是涉及当系统停止时使燃料电池的含水量降低的控制。
背景技术
固体高分子型的燃料电池,通过供给到阳极的燃料气体中的氢和供给到阴极的氧化气体中的氧的化学反应而产生电力。在该电化学反应中,在阴极侧生成水。从系统停止后至下一次系统启动时为止,如果将燃料电池放置在0℃以下的低温环境下,则由于在燃料电池内已冻结的生成水的影响,下一次系统起动不能良好地进行,或者要花费较多时间。
在日本特开2005-251576号公报中,公开了即使在低温环境下也要确保稳定的起动性,在系统停止时使燃料电池的含水量降低的控制方法。在该控制方法中,在指令系统停止后,由外部气温传感器检测出外部气温,基于外部气温判断24小时以内的冻结的可能性。然后,在冻结的可能性存在的情况下,由空气压缩机将氧化气体供给至燃料电池,将燃料电池内的水分排出到外部。进行这样的燃料电池的扫气处理直至使电解质膜变干为止。
发明内容
但是,日本特开2005-251576号公报中记载的燃料电池系统,在出现了系统停止指令之后,为了进行使燃料电池的含水量减少的处理(氧化气体的供给),会浪费电力(能量),还在直到燃料电池的干燥为止花费较长的时间。
本发明的目的是提供能够在系统停止指令后以短时间使燃料电池干燥的燃料电池系统。
用于达成上述目的的本发明的燃料电池系统,具备控制装置,该控制装置控制普通运行和与普通运行相比使燃料电池的含水量减少的干燥运行的执行。控制装置,在系统停止指令之前执行干燥运行,使得在系统停止指令的时间点与普通运行时相比燃料电池的含水量减少。
利用该结构,由于从系统停止指令前开始使燃料电池的含水量减少,所以在系统停止指令的时间点燃料电池的含水量减少。由此,在系统停止指令之后能够以短时间使燃料电池干燥。另外,能够节约燃料电池的干燥所需要的电力。
优选,控制装置,在预测为系统停止时或者下次系统启动时的燃料电池的温度为预定的低温的情况下,在系统停止指令之前执行干燥运行。
利用该结构,能够结合系统停止时或者下次系统启动时的预计的状况执行干燥运行。例如在燃料电池的温度高而不会发生冻结的情况下可以继续普通运行,能够避免干燥运行。
在此,“预定的低温”例如设定为0℃,或者距离冻结还有富余的2℃。另外,所谓燃料电池的温度为“预定的低温”的预测能够基于外部气温、几日内的最低气温、日历或者四季、地理或地域、时间段以及天气预报中的至少一个进行。外部气温的数据通过参照从ITS(Intelligent TransportSystem:智能交通系统)等取得的外部数据、或者预先保存在控制装置内的存储部等的内部数据等而取得。
优选,控制装置具备预测燃料电池系统所处的状况的状况预测部,基于所预测的结果在系统停止指令之前执行干燥运行。
利用该结构,预测结果成为触发,在系统停止指令之前能够执行与状况预测相应的干燥运行。此外,优选,控制装置基于状况预测部的预测结果决定干燥运行的条件并执行。
更为优选的是,状况预测部为预测系统停止指令的停止指令预测部。并且,控制装置,在预测到有系统停止指令的情况下,在该预测到的系统停止指令之前执行干燥运行,另一方面,在预测到没有系统停止指令的情况下,继续普通运行。
根据该结构,由于系统停止指令的预测结果成为触发,所以能够在系统停止指令之前可靠性良好地使燃料电池的含水量减少。另外,在不需要系统停止指令之前的干燥运行的情况下能够将其避免。此外,继续进行普通运行直至有系统停止指令,或者直至有与系统停止指令有关的下一次预测。
更为优选的是,停止指令预测部,基于搭载有燃料电池系统的移动体的位置和使用移动体的用户的使用倾向,预测系统停止指令。
更为优选的是,控制装置具备学习部,该学习部学习移动体的停止场所和在停止场所的停止时间,据此掌握用户的使用倾向。
依据该结构,在靠近用户使移动体频繁且长时间停止的场所(例如自己家、公司)的情况下,由于能够预测系统停止指令,所以能够根据该预测在系统停止指令之前执行干燥运行。另外,由于能够更新用户的使用倾向,所以能够提高系统停止指令的预测的准确性(命中率)。
此外,当预测系统停止指令时,如果也考虑移动体的移动速度,则能够更加提高准确性。另外,移动体的位置例如能够使用GPS(GlobalPositioning System:全球定位系统)进行定位。
依据本发明的优选的一个方式,控制装置,在预测到的系统停止指令之前执行干燥运行之后,在停止指令预测部预测为没有系统停止指令的情况下或者在预定时间内没有系统停止指令的情况下,从干燥运行切换为普通运行。
依据该结构,能够适当地恢复为普通运行,燃料电池能够适当地发电产生与要求相应的电力。
依据本发明的另一优选实施方式,状况预测部为预测燃料电池的冻结的冻结预测部。并且,控制装置在预测到燃料电池会冻结的情况下在系统停止指令之前执行干燥运行,另一方面,在预测到没有燃料电池的冻结的情况下继续普通运行。
依据该结构,通过进行冻结预测,能够避免不必要的干燥运行。
优选,冻结预测部基于燃料电池系统的位置、外部温度、从系统停止开始数日内经历的预计最低气温和日历的至少一个,预测系统停止时或者下次系统启动时的燃料电池的冻结。
依据本发明的另一优选实施方式,状况预测部,预测搭载有燃料电池系统的移动体在停止场所的倾斜状态。
依据该结构,在预测为移动体在停止场所的倾斜较大的情况下,能够在系统停止指令之前执行干燥运行。由此,即使在易于局部性积水的倾斜地停止移动体的情况下,也能够在该停止之前使燃料电池的内部处于难以积水的状态。
优选,控制装置具备学习部,该学习部学习移动体的停止场所、在该停止场所的停止时间、和在该停止场所移动体相对于路面的倾斜角,由此掌握用户的使用倾向。并且,状况预测部,基于用户的使用倾向,预测移动体的停止场所,并且预测在该停止场所的移动体的倾斜状态。
依据该结构,以过去的经验为基础(用户的使用倾向),能够在移动体停止在倾斜地之前切换为干燥运行。
依据本发明的优选的一个方式,控制装置通过与普通运行相比限制燃料电池的发电量,执行干燥运行。
依据该结构,通过进行燃料电池的发电限制,能够节约电力并且减少燃料电池的含水量。
依据本发明的另一优选实施方式,控制装置通过与普通运行相比提高燃料电池的温度,执行干燥运行。
依据该结构,能够促进在燃料电池内滞留的水分的蒸发。由此,通过供给到燃料电池的反应气体(氧化气体或者燃料气体),能够适当地带出燃料电池内的水分。
依据本发明的另一优选实施方式,燃料电池系统具备对燃料电池供给冷媒的冷媒配管,干燥运行在减少了所述冷媒对燃料电池的冷却量的状态下使燃料电池发电。
依据该结构,能够促进燃料电池内滞留的水分的蒸发,并且能够减少燃料电池的含水量。
依据本发明的另一优选实施方式,燃料电池系统具备对燃料电池供给氧化气体的氧化气体管系,控制装置通过与普通运行相比改变氧化气体的流量、压力、温度和露点温度的至少一个,执行干燥运行。
依据该结构,能够提高氧化气体的扫气效果,使燃料电池内干燥。
依据本发明的另一优选实施方式,燃料电池系统具备对燃料电池供给燃料气体的燃料气体管系,控制装置通过与普通运行相比改变燃料气体的流量、压力、吹扫频度和露点温度的至少一个,执行干燥运行。
依据该结构,能够提高燃料气体的扫气效果,使燃料电池内干燥。
附图说明
图1是本发明的燃料电池系统的结构图。
图2是表示本发明的燃料电池系统的特征部分的框图。
图3关于本发明的燃料电池系统的停止控制,是表示第一控制例的流程图。
图4关于本发明的燃料电池系统的停止控制,是表示第二控制例的流程图。
图5关于本发明的燃料电池系统的停止控制,是表示第三控制例的流程图。
图6是表示作为控制目标值的FC温度与外部气温或者下次启动时的FC温度的关系的图。
图7是表示执行本发明的第三控制例和比较例的情况下的FC温度与时间的关系的图,图7(A)表示时间轴和动作内容,图7(B)是表示FC温度的推移的图表。
图8关于本发明的燃料电池系统的停止控制,是表示第四控制例的流程图。
图9是搭载有本发明的燃料电池系统的车辆的侧面图,是表示用于说明燃料电池系统的停止控制(第五控制例)的特征部分的图。
图10是表示用于执行本发明的第五控制例的特征部分的框图。
图11是表示本发明的第五控制例的流程图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的最佳实施方式的燃料电池系统进行说明。
如图1所示,燃料电池系统1能够搭载在燃料电池汽车(FCHV)、电动汽车、混合动力汽车等车辆100上。但是,燃料电池系统1也能够适用于车辆100以外的各种移动体(例如,船舶、飞机、机器人等)、固定型电源。
燃料电池系统1具备燃料电池2、为燃料电池2供给作为氧化气体的空气的氧化气体管系3、为燃料电池2供给作为燃料气体的氢气的燃料气体管系4、为燃料电池2供给冷媒的冷媒管系5、针对系统1进行电力的充放电的电力系统6、和总体控制系统1的运行的控制装置7。氧化气体与燃料气体能够统称为反应气体。
燃料电池2例如以固体高分子电解质型构成,具有层叠有多个单体电池的堆叠构造。单体电池在由离子交换膜构成的电解质的一个面上具有空气极(阴极),在另一个面上具有燃料极(阳极),还以从两侧夹住空气极和燃料极的方式具有一对隔板(separator)。对一方的隔板的氧化气体流道2a供给氧化气体,对另一方的隔板的燃料气体流道2b供给燃料气体。通过被供给的燃料气体与氧化气体的电化学反应,燃料电池2产生电力。由于在燃料电池2中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的温度大约变为60~80℃。
氧化气体管系3具备供给路11和排出路12。供给路11中流通对燃料电池2供给的氧化气体。排出路12中流通从燃料电池2排出的氧化尾气。氧化尾气由于包含由燃料电池2的电池反应而生成的水分,所以成为高湿润状态。
在供给路11上设置有压缩机14和加湿器15。压缩机14经由空气清洁器13取得外界气体,压送至燃料电池2。加湿器15进行供给路11中流过的低湿润状态的氧化气体与排出路12中流过的高湿润状态的氧化气体之间的水分交换,对向燃料电池2供给的氧化气体进行适当的加湿。背压调整阀16调整燃料电池2的空气极侧的背压。背压调整阀16被设置在排出路12的阴极出口附近,其旁边还设置有检测排出路12内的压力的压力传感器P1。氧化尾气经过背压调整阀16和加湿器15,最终作为排放气体被排放至系统外的大气中。
燃料气体管系4具有:氢供给源21、从氢供给源21被供给至燃料电池2的氢气所流通的供给路22、用于使从燃料电池2排出的氢尾气(燃料尾气)返回至供给路22的汇流点A的循环路23、将循环路23内的氢尾气压送至供给路22的泵24、和分支连接在循环路23上的吹扫路25。通过打开源头断流阀26,从氢供给源21向供给路22流出的氢气体经过调压阀27或其他的减压阀、和隔断阀28被供给至燃料电池2。在吹扫路25上,设置有为了将氢尾气排出至氢稀释器(图中省略)的吹扫阀33。
冷媒管系5具有:与燃料电池2内的冷却流道2c连通的冷媒流道41、设置在冷媒流道41上的冷却泵42、冷却从燃料电池2排出的冷媒的散热器43,绕过散热器43的旁通流道44、和设定散热器43与旁通流道44的冷却水流通的切换阀45。冷媒流道41具有被设置在燃料电池2的冷媒入口附近的温度传感器46与被设置在燃料电池2的冷媒出口附近的温度传感器47。
冷却泵42由马达驱动,为燃料电池2循环供给冷媒流道41内的冷媒。温度传感器47所检测出的冷媒温度,反映燃料电池2的内部温度,也就是电池内温度(以下简称为“FC温度”)。另外,在下文中称温度传感器47为“FC温度传感器”。但是,也可以通过另外设置温度传感器直接检测燃料电池2的温度。
电力系统6具有:高压DC/DC转换器61、蓄电池62、牵引变换器63、牵引马达64、和各种辅机变换器65、66、67。高压DC/DC转换器61为直流电压转换器,具有将从蓄电池62输入的直流电压进行调整并输出至牵引变换器63侧的功能与将从燃料电池2或牵引马达64输入的直流电压进行调整并输出至蓄电池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。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,通过高压DC/DC转换器61控制燃料电池2的输出电压。
牵引变换器63将直流电流变换为三相交流电并供给至牵引马达64。牵引马达64(动力产生装置)例如为三相交流马达。牵引马达64构成搭载有燃料电池系统1的例如车辆100的主动力源,与车辆100的车轮101L、101R相连接。辅机变换器65、66和67分别控制压缩机14、泵24、以及冷却泵42的马达的驱动。
控制装置7作为内部具有CPU、ROM、RAM的微型计算机构成。CPU依照控制程序执行所希望的运算,进行普通运行、干燥运行和扫气运行的控制等各种处理、控制。ROM存储由CPU进行处理的控制程序、控制数据。RAM主要作为用于控制处理的各种作业区域使用。
控制装置7输入来自各种压力传感器(P1)、温度传感器(46、47)、以及检测车辆100的加速踏板开度的加速踏板开度传感器等各种传感器的检测信号。并且,控制装置7向燃料电池系统1的各个构成要素输出控制信号。
在控制装置7上连接有外部气温传感器71、计时器72、信号接收器73、时钟74、和速度传感器75,其中任一个都搭载在车辆100上。外部气温传感器71检测燃料电池1被放置的环境的外部气温。计时器72计量为了控制燃料电池系统1的运行所需的各种时间。本实施方式中的计时器72计量停止行驶的车辆100的停止时间。
信号接收器73例如为导航装置,通过天线82接收来自GPS卫星81、ITS的电波信号。例如,信号接收器73接收表示车辆100的位置(即,行驶位置或停止位置)的测位数据,并且接收车辆100在某地区过去的气温推移数据和预计气温推移数据。时钟74取得表示当前的日期和时间(日历)的年月日数据。速度传感器75检测车辆100的行驶速度(移动速度)。另外,也可以通过使信号接收器73或者控制装置7具有作为时钟的功能,不另外在车辆100上搭载时钟74。
如图2所示,控制装置7为了实现在系统停止指令前的干燥运行,具有学习部91、存储部92、状况预测部93、判断部94、和运行控制部90。
学习部91被输入来自计时器72、信号接收器73和时钟74的数据。学习部91学习车辆100的停止场所和在该停止场所的停止时间,把握车辆100的用户(驾驶者)的使用倾向。具体而言,学习部91根据来自信号接收器73的测位数据和来自计时器72的停车时间数据,学习用户经常停车的场所及其停车时间,并且根据来自时钟74的年月日数据学习停车时期和停车时间段。因此,学习部91也学习用户根据季节不同常去的场所(冬天的滑雪场、温泉等)。通过这样的学习,学习部91掌握用户的使用倾向、即驾驶模式。
存储部92存储由学习部91所掌握的用户的使用倾向。例如存储部92存储用户经常停车的多个场所(如:自家、公司、店铺等)。优选,存储部92将该停车场所与时期(四季)或时间段(早、中、晚)相关联地存储。例如,在上下班时使用车辆的情况下,将公司地点与出公司时间相关联地存储,并且将自家地点与回家时间相关联地存储。优选,存储部92在存储预定量的数据之后,在存储新的数据时删除最旧的数据,并存储基于最近的行动的数据。并且,优选,存储部92具有根据停车的几率(频率)进行了加权的图,优选,该图通过由学习部91的学习进行随时更新。另外,在存储部92中,也能够通过用户的输入操作存储停车频率高的场所、该情况下的时期和时间段。
状况预测部93被输入来自FC温度传感器47、外部气温传感器71、信号接收器73、时钟74和速度传感器75的数据。状况预测部93对这些输入数据参照存储部92的存储数据,预测燃料电池1以后所处的状况。例如,预测以后是否有系统停止指令、冻结,还预测最低温度、FC温度的变化等。并且,为了执行这些预测,状况预测部93具有停止指令预测部95、冻结预测部96、最低温度预测部97和FC温度预测部98。
停止指令预测部95预测工作中的燃料电池系统1的系统停止指令。系统停止指令是指使燃料电池系统1的运行停止的指令。系统停止指令通常由用户的点火开关的关闭操作完成。停止指令预测部95根据来自信号接收器73的测位数据、与存储部92中所存储的用户的使用倾向的数据预测系统停止指令。例如,在车辆100靠近自家的情况下,停止指令预测部95预测为即将会有系统停止指令。另一方面,在车辆100远离作为目的地的自家的情况下,停止指令预测部95预测为没有停止指令。优选,停止指令预测部95也预测系统停止指令发出的定时,并且也预测在系统停止指令之后系统停止了的情况下的停车时间。
尤其是,优选停止指令预测部95还考虑到来自速度传感器75的车速数据,预测系统停止指令。例如,在存储部92所存储的频率高的停车场所的附近车速在20km/h以下的情况下,将车辆100停在停车场的可能性大。因此,在这种情况下,停止指令预测部95预测为会有系统停止指令。另一方面,即使在存储部92所存储的频率高的停车场所的附近也没有减速而车速在50km/h以上的情况下,车辆100从停车场前经过的可能性高。因此,在这种情况下,停止指令预测部95预测为不会有系统停止指令。这样一来,通过还考虑车速数据,系统停止指令的预测的准确率能够得到提高。
冻结预测部96预测燃料电池2的冻结。在此,由于在燃料电池2内残留有水分的状态下使燃料电池2暴露在低温环境下(冰点以下)而发生燃料电池2的冻结。在燃料电池2发电的过程中,虽然通过运行温度的管理,冻结的可能性很低,但是如果系统停止后将其置于冰点以下的环境中,燃料电池2内的水分会冻结,从而发生燃料电池2的冻结。冻结预测部96根据“预定的信息”预测系统停止时或下次系统启动时燃料电池2的冻结。
在此,“预定的信息”至少为车辆100的位置(地理坐标)、外部气温、包括从系统停止开始在预定期间之间经历的预计最低气温的预计气温、预计天气和日历中的至少一个,优选为这其中的多个。在此,预计气温可以是车辆100的预定停止场所(目的地)的气温。预定气温的数据既可以是经由信号接收器73从ITS接收到的外部数据,也可以是由FC温度预测部98预测到的内部数据。预计最低气温可以是从系统停止开始24小时以内或数日以内经历的气温。预计最低气温的数据同样可以是从ITS接收到的外部数据,也可以是由最低温度预测部97预测到的内部数据。预计天气的数据能够使用从ITS接收到的数据。另外,日历的数据能够使用来自时钟74的时期数据和时间段数据。
例如,在车辆100的停止预定场所的预计最低气温为0℃以下的情况下,冻结预测部96预测为在系统停止时或者下次系统启动时燃料电池2有冻结的可能性。另一方面,在车辆100的停止预定场所的预计最低气温超过5℃的情况下,冻结预测部96预测为在系统停止时或者下次系统启动时燃料电池2没有冻结的可能性。优选,冻结预测部96也预测燃料电池2的冻结级别为何种程度,换言之,也预测以何种程度防备低温下启动的防备等级。
最低温度预测部97预测车辆100在从系统停止开始起24小时以内或数日之内经历的预计最低气温。该预测基于车辆100的停止预定场所或当前场所的测位数据、来自外部气温传感器71的外部气温数据以及来自时钟74的日历数据等进行。
FC温度预测部98预测系统停止时或者系统下次启动时燃料电池2的内部温度。该预测基于来自外部气温传感器71的外部气温数据和/或由最低气温预测部97得到的预计最低气温数据进行。另外,在系统停止时间长的情况下,由FC温度预测部98预测的FC温度与车辆100所处的环境的预计气温一致。
判断部94基于由状况预测部93预测的结果判断应该进行何种运行。具体而言,判断部94基于停止指令预测部95或冻结预测部96的预测结果,判断继续普通运行或是切换至干燥运行。例如,在由停止指令预测部95预测到会有系统停止指令的情况下,或者由冻结预测部96预测到会有冻结的情况下,判断为在系统停止指令之前应切换至干燥运行。
运行控制部90接收由判断部94得到的判断结果。运行控制部90基于该判断结果,为了执行普通运行或干燥运行,控制燃料电池系统1的各种构成设备(压缩机14、背压调整阀16、泵24,吹扫阀33、冷却泵42、切换阀45、散热器43用的冷却风扇、高压DC/DC转换器61等)。另外,运行控制部90,为了执行燃料电池2的扫气运行,控制燃料电池系统1的各种构成设备。
在此,对普通运行、干燥运行和扫气运行进行说明。
在普通运行中,为了抑制电力损失并得到高发电效率,将空气化学计量比(air stoichiometric)设定在1.0以上(理论值)的状态下燃料电池2进行运行(发电)。在此,空气化学计量比是指氧剩余率,表示相对于与氢恰好完全反应时必要的氧,所供给的氧剩余多少。
干燥运行是与普通运行相比使燃料电池2的含水量减少的运行。换而言之,在干燥运行中,燃料电池2输出根据各种参数设定的要求输出,相对于普通运行,为燃料电池2的内部更容易干燥的运行状态。从这个意义上讲,扫气运行包含在干燥运行的概念中。干燥运行并不一定要使燃料电池2内(电解质膜、扩散层、流道)的湿度为0%,只需要使水分减少。与普通运行相比,如果执行干燥运行,则电解质膜变得更加干燥。干燥运行能够通过使用与普通运行时使用的控制参数的值不同的值,通过多种方法执行。
具体而言,在第一例中,与普通运行相比,干燥运行通过限制燃料电池2的发电量执行。这能够通过由高压DC/DC转换器61限制燃料电池2的最大输出实现。通过这样的干燥运行,能够在节省电力的同时使燃料电池2的含水量减少。
在第二例中,与普通运行相比,干燥运行通过提高FC温度执行。这能够通过由外部加热装置进行的加热、燃料电池2的自身发热量的增大、或者燃料电池2的冷却量的减少来实现。使燃料电池2自身发热量增大的控制,例如,可以通过利用反应气体(氧化气体或燃料气体)的化学计量比值的降低等使发电效率降低来执行。燃料电池2的冷却量的减少能够在使燃料电池2发电的状态下,通过控制冷却泵42的转速和/或者散热器43用的冷却风扇的转速,抑制基于散热器43的冷却量,或者是将切换阀45切换至旁通流道44来实现。通过进行这样的干燥运行,能够促进燃料电池2内滞留的水分的蒸发,使该蒸发的水分被氧化尾气或燃料尾气带出。
在第三例中,与普通运行相比,干燥运行通过改变氧化气体的流量、压力、温度以及露点温度的至少一个来执行。具体而言,通过提高压缩机14的转速而使氧化气体的流量增加;调整背压调整阀16的开度使氧化气体的供给压下降;用省略图示的外部的加热器使氧化气体的温度上升;或者使露点温度下降来进行干燥运行。通过进行这样的干燥运行,能够响应性良好地使燃料电池2干燥。另外,在干燥运行中,可以绕过加湿器15向燃料电池2供给氧化气体,也可以进行控制使得加湿器对氧化气体的加湿量降低。
在第四例中,与普通运行相比,干燥运行通过改变燃料气体的流量、压力、吹扫频率和露点温度的至少一个来执行。具体而言,通过调整泵24和/或省略图示的喷射器使燃料气体流量增加,通过调整调节器28或者喷射器使燃料气体的供给压力下降,增加吹扫阀33的吹扫频度,或者使露点温度下降来进行干燥运行。通过执行这样的干燥运行,也能够使燃料电池2内干燥。
另外,也可以将上述的第一~第四例适当组合,进行干燥运行。
扫气运行是在燃料电池系统2的运行结束时(系统停止时),通过将燃料电池2内的水分排出到外部对燃料电池2内扫气。本实施方式中,扫气运行在出现了系统停止指令之后执行。扫气运行通过例如在使燃料电池2怠速运行的状态下,或是向燃料电池2的氢气的供给停止了的状态下,由压缩机14向氧化气体流道2a供给氧化气体,燃料电池2中剩余的水分由氧气带出来进行。
接下来,关于由控制装置7进行的燃料电池系统1的停止控制,说明多个例子。
<第一控制例>
如图3所示,燃料电池系统1执行普通运行(步骤S1)。在普通运行中,取得外部气温数据、FC温度数据、车速数据、测位数据、和季节等时间数据等各种信息(步骤2)。这些数据在普通运行中随时取得。接下来,停止指令预测部95预测是否有由用户发出的系统停止指令(步骤3)。该预测如上所述,通过对测位数据参照存储部92的用户的使用倾向的数据,优选也同时参照车速数据来进行。
在预测为没有系统停止指令的情况下(步骤S3:否),判断部94判断为应该继续普通运行,并将表示该意思的信号发送至运行控制部90。由此,运行控制部90以继续普通运行而不进行干燥运行的方式控制各种设备(步骤S1)。
另外,在预测为会有系统停止指令的情况下(步骤S3:是),判断部94判断为应该执行干燥运行,并将表示该意思的信号发送至运行控制部90。由此,运行控制部90为了从普通运行切换而执行干燥运行,控制各种设备(步骤S4)。由此,燃料电池2的含水量比普通运行时降低。
在接下来的步骤S5中,判断是否在预定的时间之内出现了系统停止指令。这里的预定时间如上所述,为由停止指令预测部95预测的系统停止指令被发出的时间。在超过了该预定的时间而由用户仍没有发出系统停止指令的情况下(步骤S5:否),再次切换至普通运行(步骤S1)。
另外,按照预测在预定的时间之内发出了系统停止指令的情况下(步骤S5:是),以该系统停止指令为触发从干燥运行切换至扫气运行(步骤S6)。通过该扫气运行,将燃料电池2中残余的水分几乎完全地或完全地带出,使燃料电池2的电解质膜、电极成为干燥状态。这之后,燃料电池系统1停止并预备下次启动。
如上所述的说明,利用本实施方式的第一控制例,在系统停止指令之前进行干燥运行,所以能够在系统停止指令的时间点预先减少燃料电池2的含水量。由此,能够在系统停止指令之后在短时间内对燃料电池2进行扫气(干燥)。另外,因为扫气运行所需时间缩短,所以能够节约燃料电池2的干燥所需的电力,提高能量效率。并且,以系统停止指令的预测结果为触发切换至干燥运行或继续执行普通运行。因此,在不需要系统停止指令前的干燥运行的情况下,可以将其避免,并可结合燃料电池系统1的状况运行。
另外,在上述步骤S4与S5之间,也可以设置再次判断是否由停止指令预测部95预测到系统停止指令的步骤(即相当于步骤S3的步骤)。在设置有该步骤的情况下,由停止指令预测部95预测到系统停止指令的情况下进入步骤S5即可,相反地,没有预测到系统停止指令的情况下返回至步骤S1,切换至普通运行即可。
虽未详述,当在预测到有系统停止指令之前,由用户加入系统停止指令时,则从普通运行切换至扫气运行。
<第二控制例>
接下来,参照图4对第二控制例进行说明。与第一控制例不同的是,追加了冻结预测判断(步骤13)。另外,因步骤S11、12和S14~S17与图3的步骤S1~S6相同,所以在此略去说明。
在步骤13中,冻结预测部96预测在系统停止时或下次系统启动时燃料电池2是否会冻结。
预测为会冻结的情况下,或者是预测为系统停止时或下次系统启动时的FC温度为预定的低温的情况下(步骤S13;是),进入步骤14进行处理。在这里,预定的低温能够设定为燃料电池2发生冻结的0℃(冰点)以下,也能够设定为距冻结有一定富余的温度(例如2℃以下)。
在预测到会有这样的冻结的情况下(步骤S13;是),优选冻结预测部96预测燃料电池2的冻结级别的排序。这是因为系统停止时或下次系统启动时的FC温度越低,已冻结的情况下的解冻花费时间就越长。例如,与-10℃的情况相比,-20℃情况下预测为冻结级别更高。
这之后,与第一控制例相同,在步骤14预测有无系统停止指令,预测为会有系统停止指令的情况下(步骤S14;是),执行干燥运行(步骤S15)。该干燥运行(步骤S15)或这之后的扫气运行(步骤S17)根据上述的冻结级别的预测执行即可。例如,冻结级别越低,使干燥运行的干燥程度越小,扫气运行的扫气时间越短。
另外,在预测为不会冻结的情况下,或者是预测为系统停止时或下次系统启动时的FC温度超过预定的低温的情况下(步骤S13;否),继续普通运行。在该情况下,当由用户加入系统停止指令时,变成从普通运行向扫气运行切换。
如以上所述说明,依据第二控制例,在第一控制例产生的作用·效果的基础上,能够结合系统停止时或者下次系统启动时的预计的冻结的状况,执行干燥运行的执行或者继续普通运行。因此可以确保冰点下等低温环境中燃料电池1的稳定启动性。并且,可以根据预测的冻结级别的排序,决定干燥程度的条件,执行干燥运行。另一方面,在不发生冻结的环境下,能够继续普通运行,避免干燥运行。
另外,在其他的实施方式中,冻结预测(步骤13)也可以在系统停止指令的预测(步骤S14)之后执行。另外,在其他的实施方式中,也可以不进行系统停止指令的预测(步骤S14)。即,预测到会冻结的情况下(步骤S13;是),无论有无系统停止指令的预测,都可以执行干燥运行(步骤S15)。
<第三控制例>
接下来,参照图5至图7对第三控制例进行说明。第三控制例为表示干燥运行的具体例子。并且,在以下的说明中,省略与第一以及第二控制例中共同的步骤的详细说明。
首先,在步骤21中,开始燃料电池2的发电,进入普通运行状态。接下来,测量FC温度(S22)。进一步,推定数日内车辆100经历的最低温度(气温)(步骤23)。该推定能够由最低温度预测部97进行。接下来,根据推定(预测)的最低气温,由判断部94判断是否有必要进行干燥运行(步骤S24)。如果没有必要进行干燥运行(步骤S24;否)则退出处理。
在有必要进行干燥运行的情况下(步骤S24;是),决定干燥运行中的FC温度(冷却水温度)的目标值(步骤S25)。该目标值的决定通过参照例如图6所示的图M1进行。
图6所示的图M1说明了作为控制目标值的FC温度与外部气温或下次启动时的FC温度之间的关系。在此,外部气温为当前时间的外部气温,另外,下次启动时的FC温度为由FC温度预测部98预测到的温度。在该图M1中,外部气温或下次启动时的FC温度低的情况下,对应的FC温度目标值升高。即,观测到的外部气温或预测到的FC温度越低,FC温度的目标值就被设定的越高,使干燥运行时的FC温度上升。由此,系统停止时燃料电池2的MEA更易于干燥。相反地,观测到的外部气温或预测到的FC温度高的情况下,FC温度的目标值就被设定的越低。并且,代替外部气温或下次启动时的FC温度,图M1的横轴也可以使用在步骤S23预测到的最低气温。
接下来,为了达到步骤S25决定的FC温度,由普通运行切换至干燥运行,实际地控制FC温度(步骤S26)。FC温度的变更,能够通过由散热器43产生的冷却量或者控制切换阀45进行。为了使FC温度提高,可以如上述的干燥运行的第二例所示,在使燃料电池2发电的状态下,通过抑制散热器43的冷却量,或者将切换阀45切换至旁通流道44侧,使燃料电池2的冷却水温度上升来实现。
这之后,在预定时间内出现了系统停止指令的情况下(步骤S27;是)执行扫气运行(步骤S28)。另一方面,在超过预定时间还没有系统停止指令的情况下、或预测为没有系统停止指令的情况下(步骤S27:否),优选退出处理而返回到普通运行。
参照图7,对以上说明的第三实施例的效果进行说明。
图7(B)所示的曲线L1表示进行第三实施例的情况下的FC温度的变化,曲线L2表示进行比较例的情况下的FC温度的变化。
如曲线L2所示,在比较例中,由用户发出了系统停止指令时(时间点t1),执行使FC温度上升的干燥运行。因此,干燥运行前的FC温度T1达到目标温度T2为时间点t3,从系统停止指令开始经过了预定的时间(t3-t1)。
与此相对,如曲线L1所示,在第三实施例中,当判断为有必要进行干燥运行时(图5的步骤S24;是,图7的时间点t0),执行使FC温度上升的干燥运行(图5的步骤S26)。因此,在由用户发出系统停止指令时(图5的步骤S27;是,图7的时间点t1),FC温度比干燥运行前的FC温度T1有所上升。由此,干燥运行前的FC温度T1达到目标温度T2为时间点t2,从系统停止指令开始达到目标温度T2的时间比比较例缩短。
如上述说明,根据第三控制例,由于在系统停止指令之前进行使FC温度上升的干燥运行,所以能够在系统停止指令的时间点减少燃料电池2的含水量。由此,能够在短时间内结束系统停止指令后的扫气,能够不需要或节约用于扫气的能量。另外,由于基于外部气温或下次启动时的FC温度决定干燥运行的条件(干燥程度),因此,能够根据状况执行适当的干燥运行。另外,在低温气氛下,因为燃料电池2的发电性能降低,所以能够通过提高FC温度来提高发电性能。另外,在外部气温低时,散热器43的热交换效率也提高,因此尽管伴随输出增加而FC温度上升,燃料电池2的冷却也能够易于进行。
<第四控制例>
接下来参照图8对第四控制例进行说明。第四控制例为第三控制例的变形例。并且,在以下的说明中,省略与上述第一~第三控制例中相同的步骤的详细说明。
首先,在步骤31中,在普通运行中取得车辆位置信息等(步骤S32)。作为取得的信息,与图3的步骤S2同样,例如为外部气温数据、FC温度数据、车速数据、测位数据、和季节等的时间数据。然后,基于这些取得的数据,判断燃料电池2的干燥的必要性(步骤S32)。
例如根据测位数据、外部气温数据,判断为不需要燃料电池2的干燥的情况下(步骤S32;不需要),退出一系列的处理。另一方面,在判断为需要干燥的情况下(步骤S32;需要),再次取得作为测位数据的车辆位置信息(步骤S33)。接下来,根据该测位数据,停止指令预测部95预测车辆100的停车位置和停车时间,FC温度预测部98预测下次系统启动时的FC温度。根据这些预测结果,判断部94再次判断燃料电池2的干燥的必要性(步骤S34)。
在此,例如预测到下次系统启动时的FC温度超过0℃的情况下,判断为燃料电池2没有必要干燥(步骤S34;不需要),退出一系列的处理。另一方面,在预测为下次系统启动时的FC温度在0℃以下的情况下,判断为燃料电池2有必要干燥(步骤S34;需要),开始干燥运行(步骤S35)。该干燥运行如图5的步骤S25所示,基于被决定的干燥程度执行。然后,再次取得测位数据(步骤S36),基于该测位数据再次判断燃料电池2的干燥的必要性(步骤S37)。
在此,车辆100从例如停车推定场所,即由停止指令预测部95预测到的车辆100的停车位置离开的情况下,判断为燃料电池2没有必要进行干燥运行(步骤S37;不需要)。在该情况下,退出一系列的处理,恢复普通运行。另一方面,在车辆100去向停车推定场所的情况下,继续进行燃料电池2的干燥运行(步骤S37;需要)。此后,在出现了作为车辆停车的指令的系统停止指令或电池扫气指令的情况下(步骤S38),执行扫气运行(步骤S39),停止燃料电池系统1。
通过以上说明的第四控制例,能够起到与第一控制例相同的效果,尤其是,在车辆100从预测的停止位置远离的情况下能够恢复为普通运行。
<第五控制例>
接下来,参照图9至图11对第五控制例进行说明。第五控制例加入了车辆100停靠地的停车条件,作为用于判断是否执行干燥运行的参数。
如图9所示,车辆100在倾斜的路面200上时,水平地搭载于车辆100上的燃料电池2也按照路面200的倾斜而倾斜。车辆100在倾斜的状态下长时间低负荷运行的情况下,在燃料电池2的内部,生成水210局部地积存,有降低生成水210的排水性的可能。尤其是,在长的下坡路的前方有停车场的情况下,因为燃料电池系统1长时间低负荷运行,在燃料电池2内车辆前方方向容易积存生成水210。另外,车辆100在倾斜地的路面200停车的情况下,与在平地的路面200停车的情况相比,燃料电池2即使有相同的含水率,也更容易局部地积存生成水210,成为低温启动的不利条件。
因此,优选,车辆100在停车之前,预测车辆100在停车场的倾斜状况,进行不易积存生成水210的运行。与燃料电池系统1的停止控制有关的第5控制例适用于执行这样的运行。
如图9和图10所示,作为用于执行第五控制例的结构,燃料电池系统1具有检测车辆100的倾斜状态的倾斜角传感器220。倾斜角传感器220能够使用伺服型等公知的传感器,能够搭载在车辆100上。倾斜角传感器220只要是能够检测出车辆100前后方向(行驶方向)上的车辆100的倾斜角、即俯仰角的传感器即可。但是,作为倾斜角传感器220,也可以采用检测车辆100的左右方向(车宽方向)的车辆100的倾斜角(滚动角)的传感器。
此外,作为检测车辆100的倾斜状态的方法,也可以采用检测路面200的坡度值的方法而不是使用倾斜角传感器220。这样的坡度值的检测方法因为是公知的,所以不做详细说明,例如可以列举出从作为导航装置的信号接收器73取得与车辆100的停车场所(包括预测停车场所)的坡度值相关的信息的方法。
如图10所示,在学习部91被输入来自上述的计时器72、信号接收器73、和时钟74的数据,并且也被输入来自倾斜角传感器220的数据。因此,学习部91学习车辆100的停止场所、在该停止场所的停止时间、和在该停止场所车辆100相对于路面200的的倾斜角,掌握用户的使用倾向(驾驶模式)。此外,所谓车辆100的停止场所为包括车辆100的停车场所的概念,所谓停止时间为包括车辆100的停车时间的概念。
存储部92存储由学习部91掌握的用户的使用倾向。例如存储部92存储用户经常停车的停靠场所(比如自家,公司等),并且也存储该场所的环境、即车辆100的倾斜角。此时,车辆100的倾斜角以绝对值被存储。这是因为预测车辆100相对于路面200以哪个方向停车很困难。并且,如上所述,存储部92与停车场所相关联地存储时期或时间段,根据最近的行动更新数据即可,进一步,也可以具有根据停车的频率进行了加权的图。
对于第五控制例的流程加以说明。
如图11所示,当燃料电池系统1进行普通运行(步骤S41)时,在该普通运行中取得车辆位置信息等(步骤S42)。作为所取得的信息,与图3的步骤S2同样,例如为外部气温数据、FC温度数据、车速数据、测位数据、和季节等的时间数据。并且,基于该取得数据,状况预测部93预测车辆100是否停车(步骤S43)。该预测由停止指令预测部95进行,停止指令预测部95对测位数据参照在存储部92中存储的用户的使用倾向的数据,预测使燃料电池系统1停止的车辆100的停车。
其结果是,在预测为车辆100不停车的情况下(步骤S43;否),继续普通运行(步骤S41)。另一方面,在预测为车辆100停车的情况下(步骤S43;是),状况预测部93根据用户的使用倾向的数据与当前的测位数据预测车辆100的停车场所和车辆100在该停车场所的倾斜角(步骤S44)。然后,由判断部94判断该预测倾斜角是否比阈值大。
在预测倾斜角为阈值以下的情况下(步骤S45:否),在停车后的车辆100中生成水局部地积存的可能性也较低。因此,判断部94判断为应该继续进行普通运行(步骤S46),等待系统停止指令(步骤S48)。此外,虽然图中省略,但是即使是生成水局部地积存的可能性较低的情况下,判断部94也可以根据来自冻结预测部96等的预测结果综合地进行判断,判断为应该切换至干燥运行。
在预测倾斜角超过阈值的情况下(步骤S45:是),在停车后的车辆100中生成水局部地积存的可能性较高。在这样的情况下,由判断部94判断为应该执行干燥运行,执行干燥运行(步骤S47)。由此,因为燃料电池2的含水量比普通运行时降低,停车后与原来相比,即使是在下坡行驶中,也能够抑制生成水局部地积存。
此后,在即使经过预定时间仍还没有系统停止指令的情况下、预测为没有系统停止指令的情况下(步骤S48;否),退出处理返回至普通运行。另一方面,车辆100停车,在预定时间内出现了系统停止指令的情况下(步骤S48;是),执行扫气运行(步骤S49)。由此,燃料电池系统1和车辆100停止,准备下次启动。
通过以上说明的第五控制例,能够事先预测停车场所的环境(车辆100的倾斜角),在系统停止指令之前执行干燥运行。因此,能够从停车前准备好而使燃料电池2内的水分难以积存的状态,从而能够稳定性良好地进行下次的系统启动。
此外,还考虑到即使在车辆100到达了停车场所时,不对点火开关进行关闭操作而使车辆怠速运行的情况。在倾斜路面200上的车辆100长时间进行怠速运行的话,有可能生成水局部地积存。为了防止该情况,可以向驾驶者(用户)发出警报,使得在停车后不能长时间怠速运行。因此,控制装置7即使在车辆100停止后也参照来自倾斜角传感器220的信息,运行控制部90限制燃料电池系统1的运行条件使得避免进行生成水容易积存的运行,并向驾驶者发出警告即可。
<变形例>
在以上说明的第一~第五控制例中,虽然在系统停止指令之后进行扫气运行,但是本发明也适用于不进行扫气运行的方式。
Claims (17)
1.一种燃料电池系统,具备:
燃料电池;和
控制装置,其对普通运行和与该普通运行相比使所述燃料电池的含水量减少的干燥运行的执行进行控制,
所述控制装置,在系统停止指令之前执行所述干燥运行,使得在所述系统停止指令的时间点与所述普通运行时相比所述燃料电池的含水量减少。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统,其中,
所述控制装置,在预测为系统停止时或者下次系统启动时的所述燃料电池的温度为预定的低温的情况下,在所述系统停止指令之前执行所述干燥运行。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统,其中,
所述控制装置具备预测该燃料电池系统所处的状况的状况预测部,基于所预测的结果在所述系统停止指令之前执行所述干燥运行。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统,其中,
所述状况预测部为预测所述系统停止指令的停止指令预测部,
所述控制装置,在已预测为有所述系统停止指令的情况下,在所预测到的系统停止指令之前执行所述干燥运行,另一方面,在已预测为没有所述系统停止指令的情况下,继续所述普通运行。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统,其中,
所述停止指令预测部,基于搭载有该燃料电池系统的移动体的位置和使用该移动体的用户的使用倾向,预测所述系统停止指令。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统,其中,
所述控制装置具备学习部,所述学习部学习所述移动体的停止场所和在该停止场所的停止时间,据此掌握所述用户的使用倾向。
7.根据权利要求4~6中任一项所述的燃料电池系统,其中,
所述控制装置,在所述预测到的系统停止指令之前执行了所述干燥运行之后,在所述停止指令预测部已预测为没有所述系统停止指令的情况下,从所述干燥运行切换为所述普通运行。
8.根据权利要求4~6中任一项所述的燃料电池系统,其中,
所述控制装置,在所述预测到的系统停止指令之前执行了所述干燥运行之后,在预定时间内没有发出所述系统停止指令的情况下,从所述干燥运行切换为所述普通运行。
9.根据权利要求3所述的燃料电池系统,其中,
所述状况预测部为预测所述燃料电池的冻结的冻结预测部,
所述控制装置,在已预测为所述燃料电池会冻结的情况下,在所述系统停止指令之前执行所述干燥运行,另一方面,在已预测为所述燃料电池不会冻结的情况下,继续所述普通运行。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统,其中,
所述冻结预测部,基于该燃料电池系统的位置、外部气温、从系统停止开始在数日以内经历的预计最低气温和日历的至少一个,预测系统停止时或者下次系统启动时的所述燃料电池的冻结。
11.根据权利要求3所述的燃料电池系统,其中,
所述状况预测部,预测搭载有该燃料电池系统的移动体在停止场所的倾斜状态。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统,其中,
所述控制装置具备学习部,所述学习部学习所述移动体的停止场所、在该停止场所的停止时间和在该停止场所移动体相对于路面的倾斜角,据此掌握用户的使用倾向,
所述状况预测部,基于所述用户的使用倾向,预测所述移动体的停止场所,并且预测该移动体在该停止场所的倾斜状态。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的燃料电池系统,其中,
所述控制装置,通过与所述普通运行相比限制所述燃料电池的发电量,执行所述干燥运行。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的燃料电池系统,其中,
所述控制装置,通过与所述普通运行相比使所述燃料电池的温度上升,执行所述干燥运行。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统,其中,
具备对所述燃料电池供给冷媒的冷媒管系,
所述干燥运行,在减少了所述冷媒对所述燃料电池的冷却量的状态下,使所述燃料电池发电。
16.根据权利要求1至12中任一项所述的燃料电池系统,其中,
具备对所述燃料电池供给氧化气体的氧化气体管系,
所述控制装置,通过与所述普通运行相比改变所述氧化气体的流量、压力、温度和露点温度的至少一个,执行所述干燥运行。
17.根据权利要求1至12中任一项所述的燃料电池系统,其中,
具备对所述燃料电池供给燃料气体的燃料气体管系,
所述控制装置,通过与所述普通运行相比改变所述燃料气体的流量、压力、吹扫频度和露点温度的至少一个,执行所述干燥运行。
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