CN101755355A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，包括燃料电池、反应气体供给装置以及当燃料电池处于发电暂时停止状态时向各种设备供给电力的蓄电装置，上述燃料电池系统根据规定的电流指令值驱动反应气体供给装置向燃料电池供给反应气体，由此来进行发电。上述燃料电池系统包括控制装置，上述控制装置在燃料电池的含水量小于规定的阈值且蓄电装置的蓄电量为规定的阈值以上的情况下，对电流指令值是否小于水平衡零电流值进行判断，在得到了肯定的判断时使燃料电池的发电状态转移到发电暂时停止状态。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
以往，具有接受反应气体(燃料气体和氧化气体)的供给而进行发电的燃料电池的燃料电池系统被实用化。当在燃料电池系统进行发电时，通过电化学反应在燃料电池的内部生成水分。在冰点以下等的低温环境下，如果在水分滞留于燃料电池内的状态下使燃料电池停止而放置，则存在由于水分的冻结而使下次起动时的起动性能降低的情况。因此，现在提出了各种用于使燃料电池内的水分量降低的技术。
另一方面，为了在燃料电池内高效率地进行发电，需要维持构成燃料电池的电解质膜的湿润状态。因此，近年来，提出了如下技术：通过在需要对燃料电池的含水量进行控制的状况下强制性地使燃料电池的发电继续，从而维持燃料电池的湿润状态(例如，参照日本特开2005-26054号公报)。
然而，在燃料电池系统中，设置有用于向燃料电池供给反应气体的反应气体供给装置(例如，供给空气作为氧化气体的空气的压缩机)。以往，根据规定的电流指令值来驱动控制这样的反应气体供给装置并向燃料电池供给反应气体，由此来进行发电。
但是，在上述的日本特开2005-26054号公报中记载的现有技术的燃料电池系统中，在电流指令值低于水平衡零电流值(燃料电池内的水平衡为零时的电流值)那样的低电流发电区域中，一定量的反应气体由于反应气体供给装置的机械性制约而被供给至燃料电池，担心燃料电池变为过分干燥状态。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而作出的，其目的在于，在通过驱动空气压缩机等反应气体供给装置向燃料电池供给反应气体来进行发电的燃料电池系统中，抑制燃料电池的过分干燥。
为了达成上述目的，本发明所涉及的燃料电池系统包括燃料电池、反应气体供给装置以及当燃料电池处于发电暂时停止状态时向各种设备供给电力的蓄电装置，上述燃料电池系统根据规定的电流指令值驱动反应气体供给装置向燃料电池供给反应气体，由此来进行发电，上述燃料电池系统包括控制装置，上述控制装置在燃料电池的含水量小于规定的阈值且蓄电装置的蓄电量为规定的阈值以上的情况下，对电流指令值是否小于水平衡零电流值进行判断，在得到了肯定的判断时使燃料电池的发电状态转移到发电暂时停止状态。
此外，本发明所涉及的控制方法是一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统包括燃料电池、反应气体供给装置以及当上述燃料电池处于发电暂时停止状态时向各种设备供给电力的蓄电装置，上述燃料电池系统根据规定的电流指令值驱动反应气体供给装置向燃料电池供给反应气体，由此来进行发电，上述燃料电池系统的控制方法包括：第一工序，其在燃料电池的含水量小于规定的阈值且蓄电装置的蓄电量为规定的阈值以上的情况下，对电流指令值是否小于水平衡零电流值进行判断；以及第二工序，其当在该第一工序中得到了肯定的判断的情况下，将燃料电池的发电状态转移到发电暂时停止状态。
根据所述结构和方法，在燃料电池干燥(含水量小于规定的阈值)、蓄电装置的充电量比较多(为规定的阈值以上)、并且电流指令值低(小于水平衡零电流值)的情况下，能够将燃料电池的发电状态转移到发电暂时停止状态。因此，即使是在由于机械性制约而无法将从反应气体供给装置供给的反应气体的流量设定在规定的下限流量以下的情况下，也能够在像燃料电池干燥这样的条件下使反应气体供给装置自动地停止，使反应气体向燃料电池的供给暂时停止。其结果为，能够抑制燃料电池的过分干燥。另外，“发电状态”是指燃料电池继续地进行发电的状态，“发电暂时停止状态”是指使由燃料电池进行的发电暂时停止了的状态。
在上述燃料电池系统中，可以采用如下所述的控制装置：在燃料电池的含水量小于规定的阈值且蓄电装置的蓄电量小于规定的阈值的情况下，在将电流指令值设定为水平衡零电流值以上的状态下维持燃料电池的发电状态。
此外，在上述燃料电池系统的控制方法中，可以包括第三工序，其在燃料电池的含水量小于规定的阈值且蓄电装置的蓄电量小于规定的阈值的情况下，在将电流指令值设定为水平衡零电流值以上的状态下维持燃料电池的发电状态。
如果采用所述结构和方法，则在燃料电池干燥(含水量小于规定的阈值)且蓄电装置的充电量少(小于规定的阈值)的情况下，能够在将电流指令值设定为水平衡零电流值以上的状态下维持燃料电池的发电状态。因此，能够抑制燃料电池的过分干燥，并且实现蓄电装置的充电。
此外，在上述燃料电池系统中，可以采用向燃料电池供给氧化气体的空气压缩机作为反应气体供给装置。
根据本发明，在通过驱动空气压缩机等反应气体供给装置向燃料电池供给反应气体来进行发电的燃料电池系统中，能够抑制燃料电池的过分干燥。
附图说明
图1是本发明的实施方式所述的燃料电池系统的结构图。
图2是表示燃料电池的电流值与从空气压缩机供给的空气流量之间的关系的映射。
图3是表示燃料电池的电流值与燃料电池内的水平衡之间的关系的映射。
图4是表示本发明的实施方式所述的燃料电池系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式所述的燃料电池系统1进行说明。在本实施方式中，对将本发明应用于燃料电池车辆的车载发电系统的示例进行说明。
如图1所示，本实施方式所述的燃料电池系统1包括：燃料电池2，其接受反应气体(氧化气体和燃料气体)的供给而产生电力；氧化气体配管系统3，其向燃料电池2供给作为氧化气体的空气；氢气配管系统4，其向燃料电池2供给作为燃料气体的氢气；电力系统5，其充放电系统的电力；以及控制装置6，其集中控制系统整体。
燃料电池2例如由固体高分子电解质型构成，具有层积多个单体电池而成的堆叠构造。燃料电池2的单体电池在由离子交换膜构成的电解质的一侧面上具有空气极，在另一侧面上具有燃料极，进而具有从两侧夹持空气极和燃料极的一对隔板。向一侧的隔板的燃料气体流路供给燃料气体，向另一侧的隔板的氧化气体流路供给氧化气体，通过该气体供给，燃料电池2产生电力。在燃料电池2上安装有含水量传感器2a，该含水量传感器2a对构成单体电池的电解质中所含有的水分的量(含水量)进行检测。与利用含水量传感器2a检测出的含水量相关的信息被输入到控制装置6中，用于燃料电池2内的发电控制。
氧化气体配管系统3具有供给到燃料电池2的氧化气体流过的空气供给流路11和从燃料电池2排出的氧化废气流过的排气流路12。在空气供给流路11上设置有：经由过滤器13吸入氧化气体的空气压缩机14；以及对由空气压缩机14压送来的氧化气体进行加湿的加湿器15。流过排气流路12的氧化废气通过背压调整阀16而在加湿器15供于水分交换后，在未图示的稀释器中与氢废气汇合而稀释氢废气，并最终作为废气排出到系统外的大气中。空气压缩机14相当于本发明的反应气体供给装置的一个实施方式。
在本实施方式中，控制装置6根据规定的电流指令值对空气压缩机14进行驱动控制，从而对供给到燃料电池2的空气的流量(空气流量)进行调整。此时，由于空气压缩机14的机械性制约，如图2所示，无法将从空气压缩机14向燃料电池2供给的空气流量设定在规定的下限流量QU以下。当电流指令值降低而从空气压缩机14供给的空气流量到达下限流量QU时，如图3所示，燃料电池2内的水平衡变为零甚至负值，因此如果这样的低电流发电持续很长时间的话，燃料电池2的干燥就会加剧。另外，从空气压缩机14供给的空气流量为下限流量QU的电流值的最大值是燃料电池2的水平衡为零的电流值(水平衡零电流值I0)。
氢气配管系统4具有：氢供给源21；从氢供给源21供给到燃料电池2的氢气流过的氢供给流路22；用于使从燃料电池2排出的氢废气(燃料废气)返回到氢供给流路22的汇合点A1的循环流路23；将循环流路23内的氢废气压送至氢供给流路22的氢泵24；以及与循环流路23分支连接的排气排水流路25。
氢供给源21例如由高压罐、贮氢合金等构成，并且构成为能够贮存规定压力(例如35MPa或70MPa)的氢气。另外，也可以由改性器和高压气体罐构成氢供给源21，所述改性器从烃类燃料生成富氢的改性气体，所述高压气罐使在该改性器生成的改性气体为高压状态而蓄压。此外，也可以采用具有贮氢合金的罐作为氢供给源21。
在氢供给流路22上设置有：截止阀26，其截止或者允许来自氢供给源21的氢气的供给；调节器27，其对氢气的压力进行调整；以及电磁驱动式的开闭阀28，其对供给到燃料电池2的氢气的供给压力/流量等进行调整。当打开截止阀26时，氢气从氢供给源21向氢供给流路22流出。氢气通过调节器27和开闭阀28最终被减压至例如200kPa左右，并供给到燃料电池2。截止阀26和开闭阀28的动作由控制装置6进行控制。
在循环流路23上经由气液分离器30和排气排水阀31连接有排气排水流路25。气液分离器30是从氢废气中回收水分的装置。排气排水阀31根据来自控制装置6的指令而动作，由此将在气液分离器30回收的水分以及循环流路23内的含有杂质的氢废气(燃料废气)排出(清洁)到外部。经由排气排水阀31和排气排水流路25排出的氢废气在未图示的稀释器中与排气流路12内的氧化废气(空气)汇合而被稀释。此外，在循环流路23上设置有将循环流路23内的氢废气加压而向氢供给流路22侧送出的氢泵24。氢泵24通过未图示的电动机的驱动，将循环系统内的氢气循环供给到燃料电池2。
电力系统5包括高压DC/DC转换器61、蓄电池62、牵引变换器63、牵引电动机64以及未图示的各种辅机变换器等。高压DC/DC转换器61是直流的电压变换器，其具有如下功能：对从蓄电池62输入的直流电压进行调整而向牵引变换器63侧输出的功能；以及对从燃料电池2或牵引电动机64输入的直流电压进行调整而向蓄电池62输出的功能。通过高压DC/DC转换器61的这些功能来实现蓄电池62的充放电。此外，通过高压DC/DC转换器61来控制燃料电池2的输出电压。
蓄电池62通过未图示的蓄电池计算机的控制来进行剩余电力的充电、向牵引电动机62和辅机装置的电力供给，所述蓄电池62是本发明中的蓄电装置的一个实施方式。蓄电池62进行急加速时或间歇运转模式下的电力辅助(对各种设备的电力供给)。另外，所谓间歇运转模式，是指如下所述的运转模式：在例如空转时、低速行驶时、再生制动时等那样的低负载运转时使燃料电池10的发电暂时停止，从蓄电池62向牵引电动机64等负载装置进行电力供给，并向燃料电池10间歇地进行能够维持开放端电压的程度的氢气和空气的供给。间歇运转模式相当于本发明中的发电暂时停止状态。作为蓄电池62，例如可以采用镍氢电池或锂离子电池。
此外，在本实施方式中，设置有对蓄电池62的充电量(SOC：充电状态(State of Charge))进行检测的SOC传感器62a。与由SOC传感器62a检测出的蓄电池62的充电量相关的信息被输入到控制装置6中，用于燃料电池系统1的发电控制。
牵引变换器63将直流电流变换成三相交流，并供给到牵引电动机64。牵引电动机64例如为三相交流电动机，其构成搭载于燃料电池系统1上的车辆的主动力源。辅机变换器是对各电动机的驱动进行控制的电动机控制部，其将直流电流变换为三相交流而供给到各电动机。辅机变换器例如为脉宽调制方式的PWM变换器，其根据来自控制装置6的控制指令将从燃料电池2或蓄电池62输出的直流电压变换成三相交流电压，对由各电动机产生的旋转转矩进行控制。
控制装置6对设置于车辆上的加速操作部件(油门等)的操作量进行检测，接受加速要求值(例如来自牵引电动机64等负载装置的要求发电量)等控制信息，对系统内的各种设备的动作进行控制。另外，所谓负载装置是电力消耗装置的总称，该电力消耗装置除了牵引电动机64以外，还包括为了使燃料电池2动作所必需的辅机装置(例如空气压缩机14或者氢泵24的电动机等)、在参与车辆的行驶的各种装置(变速器、车轮控制装置、转向装置、悬架装置等)中使用的致动器、乘员空间的空调装置(空调机)、照明、音响等。
控制装置6由未图示的计算机系统构成。所述计算机系统包括CPU、ROM、RAM、HDD、输入输出接口以及显示器等，通过CPU读入记录在ROM中的各种控制程序并执行这些程序，从而实现各种控制动作。
具体来说，控制装置6根据由未图示的加速传感器检测出的加速操作量，计算出燃料电池2的电流指令值(目标电流值)。然后，控制装置6根据计算出的电流指令值对空气压缩机14或开闭阀28进行驱动控制，由此对供给到燃料电池2的反应气体(作为氧化气体的空气以及作为燃料气体的氢气)的流量进行调整。由此，控制装置6进行与来自负载装置的要求发电量相对应的发电。像这样燃料电池2为了向负载装置供给电力而继续地进行发电的运转模式称为通常运转模式。通常运转模式相当于本发明中的发电状态。
此外，在使用含水量传感器2a检测出的燃料电池2的含水量小于规定的阈值且使用SOC传感器62a检测出的蓄电池62的蓄电量小于规定的阈值的情况下，控制装置6在将电流指令值设定为水平衡零电流值I0(图2和图3)以上的状态下维持通常运转模式。由此，能够抑制燃料电池2的过分干燥。
另一方面，在使用含水量传感器2a检测出的燃料电池2的含水量小于规定的阈值且使用SOC传感器62a检测出的蓄电池62的蓄电量为规定的阈值以上的情况下，控制装置6对电流指令值是否小于水平衡零电流值I0进行判断。并且，控制装置6在判断为电流指令值小于水平衡零电流值I0的情况下，将燃料电池2的运转模式从通常运转模式转移到间歇运转模式。由此，能够暂时停止通过空气压缩机14的驱动进行的向燃料电池2的空气供给，因此能够抑制燃料电池2的过分干燥。
接下来，使用图4的流程图，对燃料电池系统1的控制方法进行说明。
在燃料电池系统1的通常运转模式下，将氢气从氢供给源21经由氢供给流路22供给到燃料电池2的燃料极，并且将进行了加湿调整的空气经由空气供给流路11供给到燃料电池2的氧化极，由此来进行发电。此时，应从燃料电池2引出的电力(发电要求量)由控制装置6进行运算，将与该发电要求量对应的量的氢气和空气供给至燃料电池2内。在本实施方式中，抑制了在这样的通常运转模式下的燃料电池2的过分干燥。
首先，燃料电池系统1的控制装置6对使用含水量传感器2a检测出的燃料电池2的含水量是否小于规定的阈值进行判断(含水量判断工序：S1)，在得到了肯定的判断的情况下，对使用SOC传感器62a检测出的蓄电池62的蓄电量是否小于规定的阈值进行判断(蓄电量判断工序：S2)。然后，当在蓄电量判断工序S2中判断为蓄电池62的蓄电量小于规定的阈值时，控制装置6在将电流指令值设定为水平衡零电流值I0以上的状态下维持通常运转模式(发电量调整工序：S3)。
另一方面，当在蓄电量判断工序S2中判断为蓄电池62的蓄电量是规定的阈值以上时，控制装置6对电流指令值是否小于水平衡零电流值I0进行判断(电流判断工序：S4)。然后，当在电流判断工序S4中判断为电流指令值小于水平衡零电流值I0时，控制装置6将燃料电池2的运转模式从通常运转模式转移到间歇运转模式(间歇打开工序：S5)。与此相对，当在电流判断工序S4中判断为电流指令值是水平衡零电流值I0以上的情况下，控制装置6使燃料电池2的运转模式维持通常运转模式(间歇关闭工序：S6)。
另外，电流判断工序S4相当于本发明中的第一工序，间歇打开工序S5相当于本发明中的第二工序。此外，发电量调整工序S3相当于本发明中的第三工序。
在以上说明的实施方式所涉及的燃料电池系统1中，在燃料电池2干燥(含水量小于规定的阈值)、蓄电池62的充电量比较多(为规定的阈值以上)、并且电流指令值较低(小于水平衡零电流值I0)的情况下，能够将燃料电池2的运转模式从通常运转模式转移到间歇运转模式。因此，即使在由于机械性制约而无法将从空气压缩机14供给的空气流量设定为规定的下限流量以下的系统中，也能够在像燃料电池2干燥这样的条件下使空气压缩机14自动地停止，使空气向燃料电池2的供给暂时停止。其结果为，能够抑制燃料电池2的过分干燥。
此外，在以上说明的实施方式所涉及的燃料电池系统1中，在燃料电池2干燥(含水量小于规定的阈值)且蓄电池62的充电量少(小于规定的阈值)的情况下，能够在将电流指令值设定为水平衡零电流值I0以上的状态下维持燃料电池2的通常运转模式。因此，能够抑制燃料电池2的过分干燥，并且能够实现蓄电池62的充电。
另外，在以上的实施方式中，示出了在燃料电池干燥且蓄电池的充电量少的情况下，在将电流指令值设定为“水平衡零电流值I0以上”的状态下维持通常运转模式的例子，但是也可以在将电流指令值设定为“燃料电池系统的最大效率点的电流值”的状态下维持通常运转模式。这样，能够更可靠地抑制燃料电池的过分干燥。
此外，在以上的实施方式中，采用了对燃料电池的含水量进行检测的含水量传感器，但是对于含水量传感器的结构和含水量的阈值判断方法并没有特别进行限制。例如，可以采用如下结构(方法)：设置对燃料电池的电阻值(阻抗)进行检测的电阻传感器，在由该电阻传感器检测出的电阻值增大而超过了规定的阈值的情况下，判断为燃料电池的含水量小于规定的阈值。
产业上的可利用性
如以上的实施方式所示，本发明所涉及的燃料电池系统能够搭载在燃料电池车辆上，此外，也能够搭载在除燃料电池车辆以外的各种移动体(机器人、船舶、飞机等)上。此外，也可以将本发明所涉及的燃料电池系统应用在作为建筑物(住宅、大厦等)用发电设备中使用的定置用发电系统中。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，包括燃料电池、反应气体供给装置以及当上述燃料电池处于发电暂时停止状态时向各种设备供给电力的蓄电装置，上述燃料电池系统根据规定的电流指令值驱动上述反应气体供给装置向上述燃料电池供给反应气体，由此来进行发电，
上述燃料电池系统包括控制装置，上述控制装置在上述燃料电池的含水量小于规定的阈值且上述蓄电装置的蓄电量为规定的阈值以上的情况下，对上述电流指令值是否小于水平衡零电流值进行判断，在得到了肯定的判断时使上述燃料电池的发电状态转移到发电暂时停止状态。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，
在上述燃料电池的含水量小于规定的阈值且上述蓄电装置的蓄电量小于规定的阈值的情况下，上述控制装置在将上述电流指令值设定为水平衡零电流值以上的状态下维持上述燃料电池的发电状态。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，
上述反应气体供给装置是向上述燃料电池供给氧化气体的空气压缩机。
4.一种燃料电池系统的控制方法，上述燃料电池系统包括燃料电池、反应气体供给装置以及当上述燃料电池处于发电暂时停止状态时向各种设备供给电力的蓄电装置，上述燃料电池系统根据规定的电流指令值驱动上述反应气体供给装置向上述燃料电池供给反应气体，由此来进行发电，
上述燃料电池系统的控制方法包括：
第一工序，在上述燃料电池的含水量小于规定的阈值且上述蓄电装置的蓄电量为规定的阈值以上的情况下，对上述电流指令值是否小于水平衡零电流值进行判断；以及
第二工序，在上述第一工序中得到了肯定的判断时，使上述燃料电池的发电状态转移到发电暂时停止状态。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统的控制方法，
上述燃料电池系统的控制方法包括第三工序，该第三工序在上述燃料电池的含水量小于规定的阈值且上述蓄电装置的蓄电量小于规定的阈值的情况下，在将上述电流指令值设定为水平衡零电流值以上的状态下维持上述燃料电池的发电状态。
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