CN101861671B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

在燃料供给流路上配置开关阀而构成的燃料电池系统中，通过恰当地对开关阀上游侧的燃料气体的检测压力值进行校正，实现高精度的开关阀控制。所述燃料电池系统具备：燃料电池；用于将从燃料供给源供给的燃料气体向燃料电池供给的燃料供给流路；调整燃料供给流路上游侧的气体状态而供给到下游侧的开关阀；检测燃料供给流路的开关阀上游侧的燃料气体的压力值的压力传感器；及基于由压力传感器检测出的检测压力值来控制开关阀的控制单元。还具备基于在燃料电池的燃料消耗量、开关阀的驱动周期来校正由压力传感器检测出的检测压力值的压力校正单元。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术
以往，提出了具备接受反应气体(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，并被实用化。现在，提出了在燃料电池系统的燃料供给流路上配置喷射器等的电磁式开关阀并通过控制该开关阀的动作状态来调整燃料供给流路内的燃料气体的压力的技术。
在具备这样的喷射器的以往的燃料电池系统中，使用压力传感器来检测燃料供给流路内的喷射器上游侧的燃料气体的压力值，使用该检测压力值进行喷射器的喷射流量控制(例如参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2007-165163号公报
但是，燃料供给流路内的喷射器上游侧的燃料气体的压力根据与燃料电池系统的运转状态相关的各种物理量(燃料电池的发电量、喷射器的驱动周期等)而变动。因此，如上述专利文献1所述的技术，仅使用喷射器上游侧的燃料气体的检测压力值可能难于高精度地进行喷射器的喷射流量控制。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于，在燃料供给流路上配置喷射器等的开关阀而构成的燃料电池系统中，通过恰当地对开关阀上游侧的燃料气体的检测压力值进行校正来实现高精度的开关阀控制。
为了达成上述目的，本发明的燃料电池系统具备：燃料电池；燃料供给流路，用于将从燃料供给源供给的燃料气体向燃料电池供给；开关阀，调整该燃料供给流路上游侧的气体状态而向下游侧供给；压力传感器，对燃料供给流路的开关阀上游侧的燃料气体的压力值进行检测；及控制单元，根据该压力传感器的检测压力值来控制开关阀，其中，燃料电池系统具备压力校正单元，压力校正单元根据燃料电池的发电量、燃料电池的燃料消耗量、开关阀的驱动周期、及开关阀的开阀指令时间中的至少任意一项来对压力传感器的检测压力值进行校正。
采用所述构成时，能够基于与系统的运转状态相关的各种物理量(燃料电池的燃料消耗量和开关阀的驱动周期等)来对由压力传感器检测出的开关阀上游侧的燃料气体的压力值(检测压力值)进行校正。因此，即使系统的运转状态(例如驱动周期)发生了变化的情况下，也可使用校正后的检测压力值来高精度地控制开关阀。所谓“气体状态”是指由流量、压力、温度、摩尔浓度等表示的气体的状态，特别是包含气体流量及气体压力中至少一个。
在上述燃料电池系统中，可采用压力校正单元，压力校正单元具有校正映射，所述校正映射用于根据燃料电池的发电量、燃料电池的燃料消耗量、开关阀的驱动周期、及开关阀的开阀指令时间中的至少任意一项来计算校正用压力降低量，所述压力校正单元根据压力传感器的检测压力值和使用校正映射计算出的校正用压力降低量来校正检测压力值。
另外，在上述燃料电池系统中，可以采用检测压力传感器上游侧的燃料气体的压力值的上游压力检测单元(例如检测作为燃料供给源的氢罐内部的氢气的压力的罐压力传感器)，并可以采用基于由该上游压力检测单元检测出的检测压力值来对由压力传感器检测出的检测压力值进行校正的压力校正单元。
另外，在上述燃料电池系统中，可采用喷射器作为开关阀。
所谓喷射器是电磁驱动式的开关阀，其借助于电磁驱动力直接以规定的驱动周期驱动阀芯远离阀座，从而可调整气体状态(气体流量和气体压力)。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和喷射时间，从而可高精度地控制燃料气体的流量和压力。
根据本发明，在燃料供给流路上配置喷射器等的开关阀而构成的燃料电池系统中，可通过恰当地对开关阀上游侧的燃料气体的检测压力值进行校正来实现高精度的开关阀控制。
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中的例子进行说明。
首先使用图1～图4对本发明的实施方式的燃料电池系统1的构成进行说明。
本实施方式的燃料电池系统1如图1所示，具备接受反应气体(氧化气体及燃料气体)的供给而产生电力的燃料电池10，并且具备向燃料电池10供给作为氧化气体的空气的氧化气体配管系统2、向燃料电池10供给作为燃料气体的氢气的氢气配管系统3、及集中控制系统整体的控制装置4等。
燃料电池10具有将接受反应气体的供给而发电的单电池层积所需数量而构成的堆叠构造。由燃料电池10产生的电力被供给至PCU(Power Control Unit：功率控制单元)11。PCU11具备在燃料电池10和牵引电动机12之间配置的变换器和DC-DC转换器等。另外，在燃料电池10上安装有检测发电中的电流的电流传感器13。
氧化气体配管系统2具备将由加湿器20加湿的氧化气体(空气)供给到燃料电池10的空气供给流路21、将从燃料电池10排出的氧化废气引导到加湿器20的空气排出流路22、及用于将氧化废气从加湿器21引导到外部的排气流路23。在空气供给流路21上设置有取入大气中的氧化气体而压送至加湿器20的压缩机24。
氢气配管系统3具备：作为燃料供给源的氢罐30，贮存高压(例如70MPa)的氢气；作为燃料供给流路的氢供给流路31，用于将氢罐30的氢气供给到燃料电池10；及循环流路32，用于使从燃料电池10排出的氢废气返回到氢供给流路31。在本实施方式中，设置有检测氢罐30的内部的氢气的压力的未图示的罐压力传感器。由罐压力传感器检测出的与氢罐30内部的氢气的压力相关的信息被传送到控制装置4，用于后述的一次压力校正。罐压力传感器相当于本发明的上游压力检测单元的一实施方式。
也可以代替氢罐30而采用如下装置作为燃料供给源：改性器，从烃类燃料生成富氢的改性气体；及高压气体罐，将由该改性器生成的改性气体形成高压状态而蓄压。另外，也可以将具有贮氢合金的罐作为燃料供给源使用。
在氢供给流路31上设有：截止阀33，截止或允许来自氢罐30的氢气的供给；调节器34，调整氢气的压力；及喷射器35。另外，在喷射器35的上游侧设有对氢供给流路31内的氢气的压力值及温度进行检测的一次侧压力传感器41及温度传感器42。另外，在喷射器35的下游侧、氢供给流路31和循环流路32的汇合部的上游侧设有对氢供给流路31内的氢气的压力值进行检测的二次侧压力传感器43。
调节器34是用于将其上游侧压力(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34。作为机械式的减压阀的构成可采用如下所述的公知的构成：具有隔着隔膜形成背压室和调压室的壳体，利用背压室内的背压在调压室内将一次压力减压至规定的压力而作为二次压力。在本实施方式中，如图1所示，通过在喷射器35的上游侧配置两个调节器34，能够有效地降低喷射器35的上游侧压力。由此可提高喷射器35的机械构造(阀芯、壳体、流路、驱动装置等)的设计自由度。另外，由于可以降低喷射器35的上游侧压力，因此能够抑制因喷射器35的上游侧压力和下游侧压力的差压的增大而引起的喷射器35的阀芯难于移动的情况。因此，可以扩大喷射器35的下游侧压力的可变调压宽度，并且可以抑制喷射器35的响应性的降低。
喷射器35是电磁驱动式的开关阀，其通过以电磁驱动力直接以规定的驱动周期驱动阀芯远离阀座，而可调整气体流量、气体压力。喷射器35具有阀座，该阀座具有喷射氢气等的气体燃料的喷射孔，并且具有：喷嘴管体，将所述气体燃料供给引导到喷射孔；阀芯，相对于该喷嘴管体沿轴线方向(气体流动方向)可移动地被收容保持，并开关喷射孔。喷射器35的阀芯例如由螺线管驱动，通过供给到该螺线管的脉冲状励磁电流的开/关，可双级或多级地切换喷射孔的开口面积。通过从控制装置4输出的控制信号来控制喷射器35的气体喷射时间及气体喷射时期，由此高精度地控制氢气的流量及压力。喷射器35通过电磁驱动力直接开关驱动阀(阀芯及阀座)，该驱动周期可控制在高响应的区域，因此具有较高的响应性。
在本实施方式中，如图1所示，在氢供给流路31和循环流路32的汇合部A1的上游侧配置有喷射器35。另外，如图1中虚线所示，在采用多个氢罐30作为燃料供给源的情况下，在从各氢罐30所供给的氢气汇合的部分(氢气汇合部A2)的下游侧配置有喷射器35。
在循环流路32上经由气液分离器36及排气排水阀37连接有排出流路38。气液分离器36从氢废气回收水分。排气排水阀37利用来自控制装置4的指令动作，从而将在气液分离器36回收的水分和循环流路32内包含杂质的氢废气排出(清洁)至外部。另外，在循环流路32上设有对循环流路32内的氢废气进行加压而向氢供给流路31侧送出的氢泵39。经由排气排水阀37及排出流路38排出的氢废气通过稀释器40被稀释而与排气流路23内的氧化废气汇合。
控制装置4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12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12外还包括以下装置的总称：使燃料电池10动作所需的辅机装置(例如压缩机24的电动机和氢泵39的电动机等)；与车辆行驶相关的各种装置(变速机、车轮控制装置、转向装置、悬架装置等)中使用的致动器；和乘员空间的空调装置(空调)、照明、音响等。
控制装置4由未图示的计算机系统构成。所述计算机系统具有CPU、ROM、RAM、HDD、输入输出接口及显示器等，通过CPU读入ROM中存储的各种控制程序并执行，从而实现各种控制动作。
具体而言，控制装置4如图2所示，根据燃料电池10的运转状态(由电流传感器13检测出的燃料电池10的发电时的电流值)，计算在燃料电池10消耗的氢气的量(以下称为“耗氢量”)(燃料消耗量计算功能：B1)。在本实施方式中，使用表示燃料电池10的电流值和耗氢量之间的关系的特定的计算式，在控制装置4的每一个计算周期计算出耗氢量并进行更新。
另外，控制装置4根据燃料电池10的运转状态(由电流传感器13检测出的燃料电池10的发电时的电流值)，计算出喷射器35下游位置的氢气的目标压力值(向燃料电池10的目标气体供给压力)(目标压力值计算功能：B2)。在本实施方式中，使用表示燃料电池10的电流值和目标压力值之间的关系的特定的映射，在控制装置4的每一个计算周期计算出配置了二次侧压力传感器43的位置的目标压力值并进行更新。
另外，控制装置4根据计算出的目标压力值与由二次侧压力传感器43检测出的喷射器35下游位置的压力值(检测压力值)之间的偏差，计算反馈校正流量(反馈校正流量计算功能：B3)。反馈校正流量是为了降低目标压力值和检测压力值之间的偏差而加到耗氢量上的氢气流量。在本实施方式中，使用PI型反馈控制律，在控制装置4的每一个计算周期计算反馈校正流量并进行更新。
另外，控制装置4基于计算出的耗氢量和由罐压力传感器检测出的罐压力(氢罐30内部的氢气的压力)来对由一次侧压力传感器41检测出的一次压力(喷射器35上游侧的氢气的压力值)进行校正(一次压力校正功能：B4)。即，控制装置4作为本发明的压力校正单元起作用。
在此，使用图3及图4对一次压力校正进行说明。因氢供给流路31的配管压力损失及调节器34的响应性的降低等，喷射器35上游侧的氢气的压力值(一次压力)与喷射器35的开关动作相对应地变动。具体而言，如图3A～图3C所示，从喷射器35的开阀指令开始少许延迟而与喷射器35实际开阀同时，一次压力开始降低。并且，一次压力持续下降至喷射器35实际关阀为止，与喷射器35关阀同时开始上升。其后，一次压力与喷射器35的开关动作相对应地重复降低/上升，在经过规定时间后趋于大致一定的基准压力PM。在本实施方式中，利用以下的关系式计算该基准压力PM的推测值(一次压力校正值)。
PM＝P1-(1/2)*ΔP
在上述关系式中，P1如图3B及图3C所示，是喷射器35刚开阀之后的一次压力检测值，ΔP是从P1检测时开始到喷射器35最初关阀时为止的一次压力降低量(校正用压力降低量)。ΔP根据燃料电池系统1的运转状态而变动。因此，在本实施方式中，使用图4所示的校正映射(表示燃料电池10的耗氢量和一次压力降低量之间的关系的映射)来计算与耗氢量相对应的一次压力降低量。另外，在本实施方式中，如图4所示，对每一个罐压力制成校正映射(例如设罐压力是PT1时的校正映射为M1、罐压力是PT2时的校正映射为M2)。因此，与耗氢量及罐压力相对应的一次压力降低量由校正映射计算出。
另外，控制装置4基于喷射器35上游的气体状态(一次压力校正值及由温度传感器42检测出的氢气的温度)来计算喷射器35上游的静态流量(静态流量计算功能：B5)。在本实施方式中，使用表示喷射器35上游侧的氢气的压力及温度、静态流量之间的关系的特定的计算式，在控制装置4的每一个计算周期计算出静态流量并进行更新。
另外，控制装置4基于喷射器35上游的气体状态(一次压力校正值及温度)及施加电压来计算喷射器35的无效喷射时间(无效喷射时间计算功能：B6)。在此，所谓无效喷射时间是指从喷射器35接受来自控制装置4的控制信号起至实际开始喷射为止所需的时间。在本实施方式中，使用表示喷射器35上游侧的氢气的压力及温度、施加电压、无效喷射时间的关系的映射，在控制装置4的每一个计算周期计算出无效喷射时间并进行更新。
另外，控制装置4通过将耗氢量和反馈校正量相加来计算喷射器35的喷射流量(喷射流量计算功能：B7)。另外，控制装置4基于喷射器35的喷射流量和一次压力校正值来计算喷射器35的驱动周期(驱动周期计算功能：B8)。在此，所谓驱动周期是指表示喷射器35的喷射孔的开关状态的台阶状(开/关)波形的周期。在本实施方式中，使用表示喷射器35的喷射流量、一次压力和驱动周期之间的关系的特定的映射，在控制装置4的每一个计算周期计算驱动周期并进行更新。在本实施方式中，如图4所示，驱动周期被设定为在耗氢量为Q1以下的区域内驱动周期变化，在耗氢量超过Q1的区域内驱动周期为一定。
另外，控制装置4通过在喷射器35的喷射流量除以静态流量所得的值上乘以喷射器35的驱动周期，而计算出喷射器35的基本喷射时间，并且将该基本喷射时间和无效喷射时间相加而计算喷射器35的总喷射时间(总喷射时间计算功能：B9)。并且，控制装置4通过输出用于实现经以上的顺序计算出的喷射器35的总喷射时间的控制信号，控制喷射器35的气体喷射时间及气体喷射时期来调整供给至燃料电池10的氢气的流量及压力。控制装置4作为本发明的控制单元起作用。
接着使用图5的流程图，对本实施方式的燃料电池系统1的运转方法进行说明。
在燃料电池系统1的通常运转时，氢气从氢罐30经由氢供给流路31被供给到燃料电池10的燃料极，并且被加湿调整后的空气经由空气供给流路21而被供给到燃料电池10的氧化极，从而进行发电。此时，通过控制装置4计算应从燃料电池10取出的电力(要求电力)，向燃料电池10内供给与该发电量相对应的量的氢气及空气。在本实施方式中，在这样的通常运转时高精度地控制供给到燃料电池10的氢气的压力。
即，首先，燃料电池系统1的控制装置4使用电流传感器13来检测燃料电池10的发电时的电流值(电流检测工序：S1)。接着，控制装置4基于由电流传感器13检测出的电流值，计算由燃料电池10消耗的氢气的量(耗氢量)(燃料消耗量计算工序：S2)。
接着，控制装置4基于由电流传感器13检测出的电流值，计算喷射器35下游位置的氢气的目标压力值，并且使用二次测压力传感器43来检测喷射器35下游位置的压力值，基于计算出的目标压力值和检测出的压力值(检测压力值)之间的偏差来计算反馈校正流量(反馈校正流量计算工序：S3)。接着，控制装置4通过将在燃料消耗量计算工序S2中计算出的耗氢量和在反馈校正流量计算工序S3中计算出的反馈校正流量相加，从而计算喷射器35的喷射流量(喷射流量计算工序：S4)。
接着，控制装置4使用一次压力传感器41来检测一次压力(喷射器35上游侧的氢气的压力值)，并且基于在燃料消耗量计算工序S2中计算出的耗氢量等，对检测出的一次压力进行校正(一次压力检测校正工序：S5)。并且，控制装置4基于在一次压力检测校正工序S5中计算出的一次压力校正值和由温度传感器42检测出的喷射器35的上游的氢气的温度来计算喷射器35上游的静态流量(静态流量计算工序：S6)。
接着，控制装置4基于在喷射流量计算工序S4中计算出的喷射器35的喷射流量和在一次压力检测校正工序S5中计算出的一次压力校正值来计算喷射器35的驱动周期(驱动周期计算工序：S7)。并且，控制装置4通过在喷射器35的喷射流量除以静态流量所得的值上乘以喷射器35的驱动周期，计算喷射器35的基本喷射时间(基本喷射时间计算工序：S8)。
接着，控制装置4基于在一次压力检测校正工序S5中计算出的一次压力校正值、由温度传感器42检测出的喷射器35的上游的氢气的温度、及施加电压来计算喷射器35的无效喷射时间(无效喷射时间计算工序：S9)。并且，控制装置4通过将在基本喷射时间计算工序S8中计算出的喷射器35的基本喷射时间和在无效喷射时间计算工序S9中计算出的无效喷射时间相加来计算喷射器35的总喷射时间(总喷射时间计算工序：S10)。
其后，控制装置4通过输出在总喷射时间计算工序S10中计算出的喷射器35的总喷射时间的控制信号来控制喷射器35的气体喷射时间及气体喷射时期，调整供给至燃料电池10的氢气的流量及压力。
在以上说明的实施方式的燃料电池系统1中，可以基于与系统的运转状态相关的物理量(燃料电池10的耗氢量和罐压力)来对由一次侧压力传感器41检测出的一次压力(喷射器35上游侧的氢气的压力值)进行校正。因此，即使在系统的运转状态变化的情况下也可使用校正后的一次压力来高精度地控制喷射器35。
在以上的实施方式中，例示了基于耗氢量及罐压力来校正一次压力的例子，但是也可以基于与系统的运转状态相关的其他的物理量来校正一次压力。例如，如图6所示，也可以基于喷射器35的驱动周期及罐压力来校正一次压力。该情况下，预先准备表示驱动周期、罐压力、及一次压力降低量之间的关系的校正映射，能够使用该校正映射来计算与检测出(计算出)的驱动周期及罐压力相对应的一次压力降低量，使用上述的关系式来计算一次压力校正值。另外，如图7所示，可以基于燃料电池10的发电量(发电电流值)来校正一次压力，或基于喷射器35的开阀指令时间来校正一次压力。
另外，在以上的实施方式中，例示了采用检测氢罐30的内部的氢气的压力的罐压力传感器作为上游压力检测单元的例子，但是也可以在氢供给流路31的调节器34上游侧(调节器34和截止阀33之间或截止阀33和氢罐30之间)设置压力传感器，使该压力传感器作为上游压力检测单元发挥作用。
另外，在以上的实施方式中，例示了在燃料电池系统1的氢气配管系统3中设置循环流路32的例子，但是也可以在燃料电池10上直接连接排出流路38而废除循环流路32。即使在采用该构成(死端方式)的情况下，也可以通过控制装置4与上述实施方式同样地校正一次压力，从而获得与上述实施方式同样的作用效果。
另外，在以上的实施方式中，例示了在循环流路32上设置氢泵39的例子，但是也可以取代氢泵39而采用喷射器。另外，在以上的实施方式中，例示了在氢供给流路31上设置截止阀33及调节器34的例子，但是喷射器35发挥作为可变调压阀的功能且发挥作为截止氢气的供给的截止阀的功能，因此也可以不必设置截止阀33和调节器34。因此，由于采用喷射器35时可以省去截止阀33和调节器34，因此系统的小型化及低廉化成为可能。
工业实用性
本发明的燃料电池系统如以上的实施方式所述，可搭载在燃料电池车辆上，另外也可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。
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装置的控制状态的控制框图。
图3A是图1所示的燃料电池系统的喷射器的开阀指令的时序图。
图3B是图1所示的燃料电池系统的喷射器的实际开阀动作的时序图。
图3C是图1所示的燃料电池系统的喷射器上游侧的检测压力值的时序图。
图4是表示图1所示的燃料电池系统的燃料电池的耗氢量和一次压力降低量之间的关系的映射。
图5是用于说明图1所示的燃料电池系统的运转方法的流程图。
图6是用于说明图1所示的燃料电池系统的控制装置的其他的控制方式的控制框图。
图7是用于说明图1所示的燃料电池系统的控制装置的其他的控制方式的控制框图。
标号说明：
1…燃料电池系统、4…控制装置(控制单元、压力校正单元)、10…燃料电池、30…氢罐(燃料供给源)、31…氢供给流路(燃料供给流路)、35…喷射器(开关阀)、41…一次侧压力传感器

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，具备；
燃料电池；
燃料供给流路，用于将从燃料供给源供给的燃料气体向所述燃料电池供给；
开关阀，调整该燃料供给流路上游侧的气体状态而向下游侧供给；
压力传感器，对所述燃料供给流路的所述开关阀上游侧的燃料气体的压力值进行检测；及
控制单元，根据该压力传感器的检测压力值来控制所述开关阀，
其中，所述燃料电池系统具备压力校正单元，所述压力校正单元根据所述燃料电池的发电量、所述燃料电池的燃料消耗量、所述开关阀的驱动周期、及所述开关阀的开阀指令时间中的至少任意一项来对所述压力传感器的检测压力值进行校正。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述压力校正单元具有校正映射，所述校正映射用于根据所述燃料电池的发电量、所述燃料电池的燃料消耗量、所述开关阀的驱动周期、及所述开关阀的开阀指令时间中的至少任意一项来计算校正用压力降低量，所述压力校正单元根据所述压力传感器的检测压力值和使用所述校正映射计算出的所述校正用压力降低量来校正所述检测压力值。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
具备上游压力检测单元，所述上游压力检测单元检测所述压力传感器的上游侧的燃料气体的压力值，
所述压力校正单元根据所述上游压力检测单元的检测压力值来对所述压力传感器的检测压力值进行校正。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料供给源是贮存作为燃料气体的氢气的氢罐，
所述上游压力检测单元是检测所述氢罐内部的氢气压力的罐压传感器。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述开关阀是喷射器。
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