CN101868877B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

在燃料供给流路上配置喷射器等开关阀而构成的燃料电池系统中，将开关阀附近的燃料气体的压力检测误差抑制得较小。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供给到燃料电池的燃料供给流路；调整燃料供给流路上游侧的气体状态而向下游侧供给的开关阀；及以规定的驱动周期驱动控制开关阀的控制单元，控制单元设定开关阀的各驱动周期的占空比的上限值。

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，对燃料供给流路内的喷射器下游侧(或上游侧)的燃料气体的压力进行检测，基于该检测出的压力来进行喷射器的反馈控制和配管的异常检测(例如参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2007-165237号公报
但是，在上述专利文献1中记载的以往的燃料电池系统中，在喷射器的非喷射时间(关阀时点)极短时，关阀时的气压振动等的影响引起的喷射器上游侧附近或下游侧附近的燃料气体的压力检测误差变大时。这样喷射器附近的燃料气体的压力检测误差变大时，担心喷射器的反馈控制和异常检测的精度降低。
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，将开关阀附近的燃料气体的压力检测误差抑制得较小。
为了达成上述目的，本发明的燃料电池系统具备：燃料电池；用于将从燃料供给源供给的燃料气体供给到燃料电池的燃料供给流路；调整该燃料供给流路上游侧的气体状态而向下游侧供给的开关阀；及以规定的驱动周期对该开关阀进行驱动控制的控制单元，控制单元设定开关阀的各驱动周期的占空比的上限值。
采用所述构成时，能够设定开关阀的各驱动周期的占空比(各驱动周期的开阀时间的比率)的上限值(即在开关阀的各驱动周期中强制性确保规定的关阀时点)。因此，能够将因开关阀的关阀时点极短引起的燃料气体的压力检测误差抑制得较小。因此，可提高基于燃料气体的压力检测结果的各种控制(例如开关阀的反馈控制等)的精度。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，特别是至少包含气体流量及气体压力中的至少一个。
在上述燃料电池系统中，能够具备对燃料供给流路的开关阀下游侧的燃料气体的压力值进行检测的压力传感器。在所述情况下，采用控制单元，其根据从开关阀的关阀指令时点到压力传感器的检测压力值恢复的时点所需的压力恢复时间来设定占空比的上限值。
另外，在上述燃料电池系统中，可以采用控制单元，其设定占空比的上限值，以使开关阀动作时的由压力传感器检测出的压力值和目标压力值之差为规定值以下。
另外，在上述燃料电池系统中，可采用控制单元，其在从开关阀的关阀时点起经过一定时间后执行由压力传感器进行的燃料气体的压力检测。
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，可将开关阀附近的燃料气体的压力检测误差抑制得较小。
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关指令信号的时序图。
图3B是图1所示的燃料电池系统的喷射器下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喷射器驱动周期和占空比上限值之间的关系的映射。
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。
标号说明：
1…燃料电池系统、4…控制装置(控制单元)、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)、43…二次侧压力传感器
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体电池层积规定数量而构成的堆叠构造。由燃料电池10产生的电力被供给到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。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的下游侧且氢供给流路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，采用将一次压力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之差压的增大引起的喷射器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，从而可调整气体流量、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，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排出的氢废气由稀释器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；和乘客空间的空调装置(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(检测出的压力值)的偏差，计算出反馈校正流量(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出的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型反馈控制法则，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根据喷射器35的上游的气体状态(由一次侧压力传感器41检测出的氢气的压力及由温度传感器42检测出的氢气的温度)，计算出喷射器35的上游的静态流量(静态流量计算功能：B4)。在本实施方式中，使用表示喷射器35的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静态流量并进行更新。
另外，控制装置4根据喷射器35的上游的气体状态(氢气的压力及温度)及施加电压，计算出喷射器35的无效喷射时间(无效喷射时间计算功能：B5)。在此无效喷射时间是指喷射器35从控制装置4接受控制信号起到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的上游侧氢气的压力及温度、施加电压、无效喷射时间之间的关系的特定映射，在控制装置4的每一个计算周期计算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流量相加，计算出喷射器35的喷射流量(喷射流量计算功能：B6)。另外，控制装置4根据喷射器35的喷射流量和由一次侧压力传感器41检测出的一次侧压力值(喷射器35的上游侧的氢气的压力)，计算出喷射器35的驱动周期(驱动周期计算功能：B7)。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的喷射流量和一次侧压力值、驱动周期T之间的关系的特定映射，在控制装置4的每一个计算周期计算驱动周期T并进行更新。
另外，控制装置4对计算出的各驱动周期T的占空比(各驱动周期T中开阀时间TON的比率)的上限值RU进行设定(占空比限制功能：B8)。此时，控制装置4如图3B所示，根据从喷射器35的关阀指令时点到由二次侧压力传感器43检测出的压力值恢复到特定的代表压力值PM为止所需的压力恢复时间TS(将从喷射器35的关阀指令时点到实际的关阀时点为止所需的关阀延迟时间TV和二次侧压力传感器43的响应延迟时间TD相加所得的值)，来设定占空比的上限值RU。进而如果具体说明，则控制装置4对由二次侧压力传感器43检测出的压力值(例如采用移动平均)平滑化处理，强制性地确保如下所述的值作为各驱动周期T的关阀时间TOFF：将该平滑化处理所需的滤波延迟时间TF和上述压力恢复时间TS相加所得的值。图4所示的映射表示这样设定的各驱动周期T的占空比的上限值RU。控制装置4作为本发明的控制单元起作用。
控制装置4在从喷射器35的关阀时点起经过一定时间后，实现由二次侧压力传感器43进行的氢气的压力检测。换言之，控制装置4从喷射器35的关阀指令时点到至少经过压力恢复时间TS为止停止由二次侧压力传感器43进行的氢气的压力检测，并在经过压力恢复时间TS后实现压力检测。控制装置4这样设定各驱动周期T的占空比的上限值RU，并在从喷射器35的关阀时点起经过一定时间后实现由二次侧压力传感器43进行的氢气的压力检测，因此能够将在喷射器35动作时的由二次侧压力传感器43检测出的压力值和目标压力值之间之差抑制为规定值以下。
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T(占空比上限值RU已设定)，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出喷射器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过以上顺序计算出的喷射器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，调整向燃料电池10供给的氢气的流量及压力。
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被供给至燃料电池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被供给至燃料电池10的氧化极，从而进行发电。此时，由控制装置4计算应从燃料电池10取出的电力(要求电力)，与该发电量相对应量的氢气及空气被供给至燃料电池10内。在本实施方式中，在这样的通常运转时高精度地控制供给至燃料电池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根据由电流传感器13检测出的电流值计算出在燃料电池10所消耗的氢气的量(耗氢量)(燃料消耗量计算工序：S2)。
接着，控制装置4根据由电流传感器13检测出的电流值计算出喷射器35下游位置的氢气的目标压力值，并且使用二次侧压力传感器43来检测喷射器35下游位置的压力值，根据计算出的目标压力值和检测出的压力值(检测出的压力值)之间的偏差来计算出反馈校正流量(反馈校正流量计算工序：S3)。
接着，控制装置4通过将如下值相加来计算出喷射器35的喷射流量(喷射流量计算工序：S4)：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。另外，控制装置4根据由一次侧压力传感器41检测出的喷射器35上游的氢气的压力和由温度传感器42检测出的喷射器35上游的氢气的温度来计算出喷射器35的上游的静态流量(静态流量计算工序：S5)。
接着，控制装置4根据在喷射流量计算工序S4中计算出的喷射器35的喷射流量和由一次侧压力传感器41检测出的一次侧压力值，计算出喷射器35的驱动周期(驱动周期计算工序：S6)。并且，控制装置4对在上述驱动周期计算工序S6中计算出的各驱动周期的占空比的上限值进行设定(占空比限制工序：S7)。接着，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(占空比上限值已设定)，计算出喷射器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根据由一次侧压力传感器41检测出的喷射器35上游的氢气的压力、由温度传感器42检测出的喷射器35上游的氢气的温度、施加电压，计算出喷射器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，来计算出喷射器35的总喷射时间(总喷射时间计算工序：S10)。
其后，控制装置4通过输出与在总喷射时间计算工序S10中计算的喷射器35的总喷射时间相关的控制信号，控制喷射器35的气体喷射时间及气体喷射时期，调整向燃料电池10供给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，可以对喷射器35的各驱动周期的占空比设定上限值(即在喷射器35的各驱动周期中强制性地确保规定的关阀时间)。因此，可以将因喷射器35的关阀时间极短引起的氢气的压力检测误差抑制得较小。因此，可提高基于氢气的压力检测结果的各种控制(例如喷射器35的反馈控制等)的精度。
在以上的实施方式中，例示了在设定喷射器35的各驱动周期的占空比的上限值时，将如下值作为各驱动周期T的关阀时间TOFF：将压力恢复时间TS(将从喷射器35的关阀指令时点到实际的关阀时点为止所需的关阀延迟时间和二次侧压力传感器43的响应延迟时间相加的所得的值)和由二次侧压力传感器43检测出的压力值的平滑化处理所需的滤波延迟时间TF相加所得的值，但是设定占空比上限值的方法不限于此。例如，在未实施平滑化处理的情况下，可以使压力恢复时间TS和关阀时间TOFF一致。
另外，在以上的实施方式中，例示了以将由二次侧压力传感器43检测出的压力误差抑制得较小为目的，根据考虑了二次侧压力传感器43的响应延迟时间和滤波延迟时间的压力恢复时间TS来设定喷射器35的各驱动周期的占空比的上限值，但是也能够设定占空比的上限值以将由一次侧压力传感器41检测出的压力误差抑制得较小。此时，优选根据考虑了一次侧压力传感器41的响应延迟时间、滤波延迟时间的压力恢复时间，来设定喷射器35的各驱动周期的占空比的上限值。
另外，在以上实施方式中，例示了在全运转区域中设定喷射器35的驱动周期的占空比的上限值，但是在特定的区域(例如预计占空比限制时的喷射器可加压速度低于规定的压力上升速度的高负载运转区域)中也可以解除占空比的上限值。
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，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。即使采用所述构成(死端方式)的情况下，也可以通过由控制装置4与上述实施方式同样地对喷射器35的驱动周期的占空比设定上限制，从而获得与上述实施方式相同的作用效果。
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，但是也可以采用喷射器(ejector)来代替氢泵39。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，但是由于喷射器35作为可变调压阀起作用，并且作为截止氢气的供给的截止阀起作用，因此也可以不必设置截止阀33和调节器34。因此，如果采用喷射器35则可以节省截止阀33和调节器34，由此系统的小型化和低廉化成为可能。
本发明的燃料电池系统如以上的实施方式所示，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。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，具备：燃料电池；用于将从燃料供给源供给的燃料气体供给到上述燃料电池的燃料供给流路；调整该燃料供给流路上游侧的气体状态而向下游侧供给的开关阀；对上述燃料供给流路的上述开关阀下游侧的燃料气体的压力值进行检测的压力传感器；及以规定的驱动周期对该开关阀进行驱动控制的控制单元，
上述控制单元根据从上述开关阀的关阀指令时点到上述压力传感器的检测压力值恢复的时点所需的压力恢复时间，来设定上述开关阀的各驱动周期的占空比的上限值，
所述压力恢复时间越大，则所述占空比的上限值被设定得越小。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，
上述控制单元设定上述上限值以使上述开关阀动作时的上述压力传感器的检测压力值和目标压力值之差为规定值以下。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，
上述控制单元在从上述开关阀的关阀时点起经过一定时间后，执行由上述压力传感器进行的燃料气体的压力检测。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，
上述开关阀是喷射器。
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