CN101790813A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种燃料电池系统，能够在从间歇运转恢复到通常运转后使燃料电池的发电状态稳定。具备：燃料电池；燃料气体系统，用于使从燃料供给源供给的燃料气体向燃料电池流动的燃料气体供给流路；可变调压阀，进行在燃料气体供给流路中流通的气体的可变调压；及净化阀，用于从燃料气体系统排出气体，在从燃料电池的发电暂时停止状态向发电状态转换后，经由净化阀将燃料气体系统内的杂质排出到外部，其中，具备控制单元，在发电暂时停止状态下的燃料气体系统内的杂质量超过规定量而增加的情况下，控制可变调压阀的开闭动作，以使在从发电暂时停止状态向发电状态转换后向燃料电池供给的燃料气体的压力高于规定的基准值。
Description
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，具备接受反应气体(燃料气体及氧化气体)的供给而进行发电的燃料电池的燃料电池系统被实用。公知在该燃料电池系统的燃料电池的内部、燃料废气的循环流路中，伴随着发电历时性地蓄积氮气等的杂质。在现在，提出了为了将这样的杂质向外部排出(进行净化)，在与循环流路连接的排出流路上设置净化阀而进行净化阀的开闭控制的燃料电池系统。
另外，在现在，提出了如下燃料电池系统：除了燃料电池外还具备蓄电池等的二次电池，在低负载时等进行使燃料电池的发电暂时停止的运转(间歇运转)，在负载增加时等恢复到通常运转而再次开始发电。在近年也提出了如下技术：在燃料电池的间歇运转时间较长的情况下，通过使从间歇运转恢复到通常运转后的净化频率变高，从而有效地排出杂质(例如，参照日本特开2007-26843号公报)。
但是，即使采用上述日本特开2007-26843号公报记载的技术，也存在基于净化的杂质排出需要较长时间的情况。该情况下，担心在从间歇运转恢复到通常运转后，不能确保燃料电池的发电状态的稳定性。
发明内容
本发明鉴于该情况而做出，其目的在于提供一种燃料电池系统，能够在从间歇运转恢复到通常运转后使燃料电池的发电状态稳定。
为了达成上述目的，一种燃料电池系统，具备：燃料电池；燃料气体系统，具有用于使从燃料供给源供给的燃料气体向燃料电池流动的燃料气体供给流路；可变调压阀，进行在燃料气体供给流路中流通的气体的可变调压；及净化阀，用于从燃料气体系统排出气体，在从燃料电池的发电暂时停止状态向发电状态转换后，使燃料气体系统内的杂质经由净化阀排出到外部，还具备控制单元，在发电暂时停止状态的燃料气体系统内的杂质量超过规定量而增加的情况下，对可变调压阀的开闭动作进行控制，以使在从发电暂时停止状态向发电状态转换后向燃料电池供给的燃料气体的压力高于规定的基准值。
另外，本发明的燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具备：燃料电池；燃料气体系统，具有用于使从燃料供给源供给的燃料气体向燃料电池流动的燃料气体供给流路；可变调压阀，进行在燃料气体供给流路中流通的气体的可变调压；及净化阀，用于从燃料气体系统排出气体，在从燃料电池的发电暂时停止状态向发电状态转换后，使燃料气体系统内的杂质经由净化阀排出到外部，还具备如下工序：在发电暂时停止状态的燃料气体系统内的杂质量超过规定量而增加的情况下，对可变调压阀的开闭动作进行控制，以使在从发电暂时停止状态向发电状态转换后向燃料电池供给的燃料气体的压力高于规定的基准值。
采用该构成及方法时，在燃料电池的发电暂时停止状态下燃料气体系统内的杂质量超过规定量的情况下，能够将从发电暂时停止状态向发电状态转换后供给的燃料气体的压力设定得较高(高于规定的基准值的值)。因此，即使在从发电暂时停止状态向发电状态转换后燃料气体系统内的杂质的排出需要比较长的时间的情况下，也能够使燃料电池的发电状态稳定。所谓“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的状态，所谓“发电状态”是指燃料电池继续进行发电的状态。
在上述燃料电池系统中，能够采用具有用于使从燃料电池排出的燃料废气循环的循环泵的燃料气体系统。在该情况下，能够采用控制单元，其对可变调压阀的开闭动作进行控制，以使在从发电暂时停止状态向发电状态转换后直到燃料气体系统的总容积内的气体通过循环泵被置换为止维持向燃料电池供给的燃料气体的压力高于规定的基准值的状态。
采用该构成时，能够在从燃料电池的发电暂时停止状态向发电状态转换后直到燃料气体系统总容积内的气体通过循环泵被置换为止(即，到杂质完全排出为止)，始终将向燃料电池供给的燃料气体的压力维持得较高(高于规定的基准值的值)。因此，由于能够迅速且可靠地排出在发电暂时停止状态下蓄积在燃料气体系统内的杂质，从而可使燃料电池的发电状态更稳定。
另外，在上述燃料电池系统中，可采用喷射器作为可变调压阀。
所谓喷射器是电磁驱动式的开闭阀，可通过利用电磁驱动力直接以规定的驱动周期驱动阀芯远离阀座，从而调整气体状态(气体流量、气体压力)。规定的控制部驱动喷射器的阀芯来控制燃料气体的喷射时期、喷射时间，从而可高精度地控制燃料气体的流量、压力。
根据本发明，可提供一种燃料电池系统，其能够在从间歇运转恢复到通常运转后，使燃料电池的发电状态稳定。
附图说明
图1是本发明的实施方式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法的流程图。
图3A是用于说明图1所示的燃料电池系统的控制方法的时序图，表示间歇运转的时间履历。
图3B是用于说明图1所示的燃料电池系统的控制方法的时序图，表示氢气系统内的杂质分压的时间履历。
图3C是用于说明图1所示的燃料电池系统的控制方法的时序图，表示氢调压值的时间履历。
图3D是用于说明图1所示的燃料电池系统的控制方法的时序图，表示净化动作的时间履历。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式的燃料电池系统进行说明。在本实施方式中，对将本发明应用于燃料电池车辆(移动体)的车载发电系统中的例子进行说明。
首先，使用图1对本发明的实施方式的燃料电池系统的构成进行说明。
如图1所示，本实施方式的燃料电池系统1具有接受反应气体(氧化气体及燃料气体)的供给而产生电力的燃料电池2。燃料电池2上连接有：氧化气体系统3，向燃料电池2供给作为氧化气体的空气，并将来自燃料电池2的氧化废气排出；及燃料气体系统4，向燃料电池2供给作为燃料气体的氢气，并使作为燃料废气的氢废气与氢气一起循环到燃料电池2。燃料气体系统4具有可使氢废气从燃料气体系统4排出的排气排水阀29。从排气排水阀29排出的氢废气在稀释部5与从氧化气体系统3排出的氧化废气(空气)混合而被排出到外部。控制部6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，具备层积多个单体电池的堆叠构造。燃料电池2的单体电池在固体高分子电解质膜的一侧的面上具有空气极(阴极)，在另一侧的面上具有燃料极(阳极)，进而具有一对配置为从两侧夹持空气极及燃料极的隔板。向阳极侧的隔板的流路供给燃料气体，向阴极侧的隔板的流路供给氧化气体，从而燃料电池2产生电力。
氧化气体系统3具有流过向燃料电池2供给的氧化气体的空气供给流路11和流过从燃料电池2排出的氧化废气的排气流路12。空气供给流路11具有取入氧化气体的压缩机14、对通过压缩机14压送的氧化气体进行加湿的加湿器15。排气流路12具有背压调整阀16，与加湿器15连接。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，向稀释部5输送。
燃料气体系统4具有：氢罐21，作为贮存高压的氢气的燃料供给源；氢供给流路22，作为用于向燃料电池2供给氢罐21的氢气的燃料气体供给流路；及循环流路23，使从燃料电池2排出的氢废气返回氢供给流路22。可以采用如下装置代替氢罐21作为燃料供给源：改性器，由烃类的燃料生成富氢的改性气体；及高压气体罐，使在该改性器生成的改性气体为高压状态而蓄压。另外，也可以采用具有贮氢合金的罐作为燃料供给源。
在氢供给流路22上设置有：截止阀24，截止或允许来自氢罐21的氢气的供给；调节器25，调整氢气的压力；及喷射器26。另外，在喷射器26的下游侧、氢供给流路22和循环流路23的汇合部的上游侧设置有对氢供给流路22内的氢气的压力进行检测的压力传感器27。与由压力传感器27检测出的氢气的压力相关的信息被传送到控制部6，用于氢循环系统的控制。
调节器25是将其上游侧压力(一次压力)调压为预先设定的二次压力的装置。在本实施方式中，采用对一次压力进行减压的机械式的减压阀作为调节器25。作为机械式的减压阀的构成，能够采用如下公知的构成：具有隔着隔膜形成背压室和调压室的壳体，通过背压室内的背压在调压室内将一次压力减压为规定的压力而作为二次压力。
喷射器26是电磁驱动式的开闭阀，其可通过利用电磁驱动力直接以规定的驱动周期驱动阀芯远离阀座，从而调整气体流量、气体压力。在本实施方式中，如图1所示，在氢供给流路22和循环流路23的汇合部的上游侧配置有喷射器26。喷射器26具有阀座，所述阀座具有喷射氢气等的气体燃料的喷射孔，并且具有：喷嘴，将该气体燃料供给引导到喷射孔；及阀芯，相对于该喷嘴体可沿轴线方向(气体流动方向)移动地被收容保持，并对喷射孔进行开闭。在本实施方式中，喷射器26的阀芯利用作为电磁驱动装置的螺线管进行驱动。通过对向该螺线管供电的脉冲状励磁电流的开/闭进行控制而驱动阀芯，从而可以两级或多级地切换喷射孔的开口面积。利用从控制部6输出的控制信号来控制喷射器26的气体喷射时间及气体喷射时期。由此，能够高精度地控制氢气的流量及压力。喷射器26利用电磁驱动力直接开闭驱动阀(阀座及阀芯)，由于能够将阀的驱动周期控制到高响应的区域，因此具有高响应性。
喷射器26调整向下游侧(燃料电池2侧)供给的气体流量(或氢摩尔浓度)。具体而言，喷射器26为了供给其下游侧要求的气体流量，改变设置在喷射器26的气体流路上的阀的开口面积(开度)及开放时间中的至少一方。通过喷射器26的阀的开闭调整气体流量，并且向喷射器26的下游供给的气体压力比喷射器26的上游的气体压力减压，因此能够将喷射器26解释为调压阀(减压阀、调节器)。另外，在本实施方式中，喷射器26作为可变调压阀起作用，其可根据气体要求在规定的压力范围中改变喷射器26的上游气体压力的调压量(减压量)以与要求压力一致。
在循环流路23上经由气液分离器28及排气排水阀29而与排出流路30连接。气液分离器28从氢废气中回收水分。排气排水阀29利用来自控制部6的指令进行动作，从而将在气液分离器28回收的水分和循环流路23内包含杂质的氢废气(燃料废气)排出(净化)到外部，作为本发明的净化阀的一实施方式起作用。通过执行该净化，杂质量(杂质分压及杂质浓度)降低，供给到燃料电池2的氢气的浓度上升。作为杂质分压是例如从氢罐21供给的氢气中含有的氮气、从氧化气体系统3透过固体高分子电解质膜而向燃料气体系统4供给的氮气、通过燃料电池2的发电生成的水蒸气等氢气以外的气体的分压的总和。另外，在循环流路23上设置有对循环流路23内的氢废气加压而向氢供给流路22侧送出的循环泵31。经由排气排水阀29及排出流路30排出的氢废气在稀释器5中与排气流路12的氧化废气汇合而被稀释。
控制部6对设置在车辆上的加速用的操作部件(油门等)的操作量进行检测，并接受加速要求值(例如来自牵引电动机等的负载装置的要求发电量)等的控制信息，对系统内的各种设备的动作进行控制。所谓负载装置是除了牵引电动机以外，包括用于使燃料电池2动作所需的辅机装置(例如压缩机14的电动机、循环泵31的电动机等)、与车辆行驶相关的各种装置(变速机、车轮控制部、转向装置、悬架装置)所使用的致动器、乘员空间的空调装置(空气调节器)、照明、及音响等的电力消耗装置的总称。
控制部6由未图示的计算机系统构成。该计算机系统具备CPU、ROM、RAM、HDD、输入输出接口及显示器等。计算机系统通过CPU读入ROM中记录的各种控制程序来执行希望的运算，从而进行后述的净化控制等各种处理、控制。
具体而言，控制部6进行通常运转模式和间歇运转模式之间的切换。所谓通常运转模式是指为了向牵引电动机等的负载装置的电力供给，燃料电池2连续地进行发电的运转模式。所谓间歇运转模式是指例如在空转时、低速行驶时、再生制动时等的低负载运转时暂时地停止燃料电池2的发电，并进行从蓄电池、电容器等的蓄电装置向负载装置的电力供给，对于燃料电池2间歇地进行可维持开路端电压程度的氢气及空气的供给的运转模式。通常运转模式相当于本发明的发电状态，间歇运转模式相当于本发明的发电暂时停止状态。
另外，控制部6对燃料电池2的间歇运转中的燃料气体系统4内的杂质量的增加量进行推定。并且，控制部6在推定的杂质量的增加量超过规定量的情况下，控制喷射器26的开闭动作，以使在从间歇运转模式转换到通常运转模式后向燃料电池2供给的氢气的压力上升。此时，控制部6在从间歇运转模式转换到通常运转模式后直到燃料气体系统4的总容积内的气体通过循环泵31被置换为止，维持上升了的氢气的压力。即，控制部6作为本发明的控制单元起作用。
接着，使用图2的流程图及图3的时序图对本实施方式的燃料电池系统1的控制方法进行说明。
首先，控制部6在起动时等设定基于燃料电池2的构造的系统条件。作为系统条件，例如可以举出在燃料电池2的各单体电池的固体高分子电解质膜的有效面积上乘以单体电池数而获得的固体高分子电解质膜的有效面积、固体高分子电解质膜的单位面积内的氮气的透过率等。并且，控制部6进行用于在起动后实现通常运转模式的控制(通常运转模式控制工序：S1)。
在通常运转控制工序S1中，控制部6为了在燃料电池2发出所要求的发电量而控制各种设备，从而进行氧化气体的调整、氢气的调整。氧化气体的调整通过控制氧化气体系统3的压缩机14的转速、调整从燃料电池2排出的氧化废气的背压等来实现。氢气的调整通过控制燃料气体系统4的截止阀24和喷射器26、控制循环泵31的转速、及控制排气排水阀29等来实现。
接着，控制部6判断是否满足用于使燃料电池2的运转模式从通常运转模式向间歇运转模式切换的条件(运转切换条件)(间歇运转开始判断工序：S2)。作为运转切换条件，例如能够采用要求电力量、发电量的历时变化低于规定的阈值等。并且，控制部6在间歇运转开始判断工序S6中判断为满足运转切换条件的情况下，如图3A所示，使燃料电池2的运转模式从通常运转模式切换到间歇运转模式(间歇运转控制工序：S3)。在间歇运转控制工序S3中，控制部6使燃料电池2的发电暂时停止，进行从蓄电装置向负载装置的电力供给，对于燃料电池2间歇地进行可维持开路端电压的程度的氢气及空气的供给。
然而，实现间歇运转模式而使燃料电池2的发电暂时停止时，燃料气体系统4内的杂质量历时性地增加。例如，与燃料电池2内的固体高分子电解质膜的氮气的透过性相对应，氮气从残留于氧化气体系统3中的空气向燃料气体系统4透过而氮气分压增加。因此，控制部6对间歇运转中的燃料气体系统4内的杂质量的增加量进行推定，并在推定的杂质量的增加量超过规定量的情况下，使间歇运转模式结束时的氢调压值(向燃料电池2供给的氢气的压力的目标值)上升。
在本实施方式中，控制部6如图3B所示，对间歇运转中的燃料气体系统4的杂质分压的上升量ΔP进行推定(杂质增加量推定工序：S4)。所谓杂质分压是燃料气体系统4内的氢气以外的气体的总分压，能够主要基于氮气分压和水蒸气分压进行推定。氮气分压能够主要使用从氢罐21供给的氢气中含有的氮量、和从阴极侧向阳极侧透过的氮量来计算。另外，水蒸气分压能够通过燃料电池2的温度的饱和水蒸气压进行推定。
接着，控制部6判断在杂质增加量推定工序S4中推定的杂质分压的上升量ΔP是否超过规定值(杂质增加量判断工序：S5)。并且，控制部6在杂质增加量判断工序S5中判断为杂质分压的上升量ΔP超过规定值的情况下，如图3C所示，将间歇运转模式结束时的氢调压值设定为高于通常时的值(规定的基准值)P0的值(上升值P1)(氢调压值设定工序：S6)。在本实施方式中，使用规定的映射设定与推定的杂质分压的上升量ΔP的值相对应的上升值P1。
继氢调压值设定工序S6之后，控制部6判断是否经过了间歇运转时间(间歇运转结束判断工序：S7)，在判断为经过了间歇运转时间的情况下，如图3A所示，结束间歇运转模式而向通常运转模式转换(通常运转再开始工序：S8)。其后，控制部6如图3D所示，打开排气排水阀28，排出(净化)包含残留于燃料气体系统4中的杂质的气体，并进行喷射器26的控制以使由压力传感器27检测出的氢气的压力值与在氢调压值设定工序S6中设定的氢调压值(上升值P1)一致(净化/上升调压工序：S9)。
在净化/上升调压工序S9中，控制部6如图3C所示，从间歇运转模式刚刚结束后到经过特定时间T为止(从间歇运转模式刚刚结束到燃料气体系统4的总容积内的气体通过循环泵31被置换为止)，使氢气的压力维持在上升值P1。并且，控制部6在经过特定时间T后控制喷射器26，使氢气的压力返回到通常时的值P0。通过净化而排出的氢气在稀释部5中被氧化废气稀释。其后，控制部6继续进行净化直到具备设定的净化条件(特别是净化时间)为止，在满足净化条件的情况下结束净化，结束一系列的控制动作。
另一方面，控制部6在杂质增加量判断工序S5中判断为杂质分压的上升量ΔP为规定值以下的情况下，以间歇运转结束时的氢调压值为通常时的值(规定的基准值)P0，判断是否经过了间歇运转时间(间歇运转结束判断工序：S10)，在判断为经过了间歇运转时间的情况下，结束间歇运转模式而向通常运转模式转换(通常运转再开始工序：S11)。其后，控制部6进行净化并进行通常的调压(净化/通常调压工序：S12)。
在以上说明的实施方式的燃料电池系统1中，在间歇运转模式的燃料气体系统4内的杂质量超过规定量而增加的情况下，能够将在从间歇运转模式转换到通常运转模式后所供给的氢气的压力设定得较高(高于规定的基准值P0的值P1)。因此，即使在从间歇运转模式转换到通常运转模式后燃料气体系统4内的杂质的排出需要比较长的时间，也可使燃料电池2的发电状态稳定。
另外，在以上说明的实施方式的燃料电池系统1中，能够从间歇运转模式刚刚结束后直到燃料气体系统4的总容积内的气体通过循环泵31被置换为止(即到杂质完全排出为止)，使供给到燃料电池2的氢气的压力维持得较高(高于规定的基准值P0的值P1)。因此，由于能够迅速并可靠地排出在间歇运转中蓄积在燃料气体系统4内的杂质，因此可使燃料电池2的发电状态更稳定。
在以上的实施方式中，表示了将实现排气和排水这两者的排气排水阀29作为净化阀设置在循环流路23上的例子，但是可以分别设置将由气液分离器28回收的水分向外部排出的排水阀、和用于将循环流路23内的气体向外部排出的排气阀(净化阀)，由控制部6控制排气阀。
另外，在以上的实施方式中，表示了采用“杂质分压”作为燃料气体系统4内的杂质量的例子，但是也可以采用其他的物理量(例如“杂质浓度”)。在采用“杂质浓度”作为杂质量的情况下，控制部推定间歇运转中燃料气体系统4内的杂质浓度的增加量，并在推定的杂质浓度的增加量超过规定量的情况下，使间歇运转模式结束时的氢调压值上升。
另外，在以上的实施方式中，表示了将本发明的燃料电池系统搭载在燃料电池车辆上的例子，但是也能够将本发明的燃料电池系统搭载在燃料电池车辆以外的各种移动体(机器人、船舶、飞机等)上。另外，也可以将本发明的燃料电池系统应用于作为建筑物(住宅、大厦等)用的发电设备使用的定置用发电系统中。
根据本发明的燃料电池系统，在从间歇运转恢复到通常运转后，可使燃料电池的发电状态稳定。
Claims (4)
1.一种燃料电池系统，具备：燃料电池；燃料气体系统，具有用于使从燃料供给源供给的燃料气体向所述燃料电池流动的燃料气体供给流路；可变调压阀，进行在所述燃料气体供给流路中流通的气体的可变调压；及净化阀，用于从所述燃料气体系统排出气体，在从所述燃料电池的发电暂时停止状态向发电状态转换后，使所述燃料气体系统内的杂质经由所述净化阀排出到外部，其中，
还具备控制单元，在所述发电暂时停止状态下的所述燃料气体系统内的杂质量超过规定量而增加的情况下，控制所述可变调压阀的开闭动作，以使在从所述发电暂时停止状态向所述发电状态转换后向所述燃料电池供给的燃料气体的压力高于规定的基准值。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料气体系统具有用于使从所述燃料电池排出的燃料废气循环的循环泵，
所述控制单元控制所述可变调压阀的开闭动作，以在从所述发电暂时停止状态向所述发电状态转换后直到所述燃料气体系统的总容积内的气体通过所述循环泵被置换为止，维持向所述燃料电池供给的燃料气体的压力高于规定的基准值的状态。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，
所述可变调压阀是喷射器。
4.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具备：燃料电池；燃料气体系统，具有用于使从燃料供给源供给的燃料气体向所述燃料电池流动的燃料气体供给流路；可变调压阀，进行在所述燃料气体供给流路中流通的气体的可变调压；及净化阀，用于从所述燃料气体系统排出气体，在从所述燃料电池的发电暂时停止状态向发电状态转换后，使所述燃料气体系统内的杂质经由所述净化阀排出到外部，
所述燃料电池系统的控制方法具备如下工序：在所述发电暂时停止状态下的所述燃料气体系统内的杂质量超过规定量而增加的情况下，控制所述可变调压阀的开闭动作，以使在从所述发电暂时停止状态向所述发电状态转换后向所述燃料电池供给的燃料气体的压力高于规定的基准值。
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