CN101933188B - 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，能够在从间歇运转等发电停止状态向通常运转的过渡期使燃料电池的发电状态稳定。该燃料电池系统具备输出限制单元：从燃料供给源向燃料电池供给燃料气体而进行发电，并且对在从燃料电池的发电停止状态向发电状态转换后的燃料电池的输出进行限制。输出限制单元从在由发电停止状态向发电状态转换后从燃料供给源供给的燃料气体的总流量减去用于使发电停止状态的燃料气体的压力恢复至发电状态的燃料气体的压力的燃料气体的流量，由此计算从发电停止状态向发电状态转换后实际供给到燃料电池的燃料气体的流量，将与该计算出的流量对应的输出电流值作为上限来限制燃料电池的输出。
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化。另外，目前提案有一种燃料电池系统，除燃料电池以外还具备蓄电池等二次电池，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)，在负载增加时恢复到通常运转而再开始发电(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：(日本)特开2003-303605号公报
但是，在使燃料电池的发电暂时停止的间歇运转时，向燃料电池的燃料气体供给被切断，因此用于从燃料供给源向燃料电池供给燃料气体的燃料供给流路内的气体压力比通常运转时的气体压力降低。
因此，采用上述专利文献1中记载的现有的技术，从间歇运转进行急加速时，可能产生即使增大来自燃料供给源的燃料气体的供给量，在燃料供给流路内的气体压力恢复到通常运转时的气体压力期间也不能充分地向燃料电池自身供给燃料气体之类的情况。产生这种情况时，担心产生从间歇运转向通常运转恢复后的化学计量比降低，不能确保燃料电池的发电状态的稳定性的情况。
发明内容
本发明是鉴于所述情况而开发的，其目的在于提供一种燃料电池系统，在从间歇运转等发电停止状态向通常运转的过渡期能够使燃料电池的发电状态稳定。
为了实现所述目的，本发明的燃料电池系统，具备燃料供给源及燃料电池，从燃料供给源向燃料电池供给燃料气体而进行发电，并且所述燃料电池系统还具备输出限制单元，所述输出限制单元对从燃料电池的发电停止状态向发电状态转换后的燃料电池的输出进行限制，其中，输出限制单元从在由发电停止状态向发电状态转换后从燃料供给源供给的燃料气体的总流量中减去用于使发电停止状态下的燃料气体压力恢复至发电状态下的燃料气体压力的燃料气体的流量，由此计算出从发电停止状态向发电状态转换后实际供给燃料电池的燃料气体的流量，将与该计算出的流量对应的输出电流值作为上限来限制燃料电池的输出。
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供给源及燃料电池，从燃料供给源向所述燃料电池供给燃料气体而进行发电，并且限制从燃料电池的发电停止状态向发电状态转换后的燃料电池的输出，其中，所述燃料电池系统的控制方法具备如下工序：流量计算工序，从在由发电停止状态向发电状态转换后从燃料供给源供给的燃料气体的总流量中减去用于使发电停止状态下的燃料气体压力恢复至发电状态下的燃料气体压力的燃料气体的流量，由此计算出从发电停止状态向发电状态转换后实际供给燃料电池的燃料气体的流量；及输出限制工序，将与在流量计算工序中计算出的流量对应的输出电流值作为上限来限制燃料电池的输出。
采用所述构成及方法时，能够从在由发电停止状态向发电状态转换后的燃料气体的全部供给流量减去用于使气体压力恢复的流量，由此计算实际供给到燃料电池的流量，将与该计算出的流量相对应的输出电流值作为上限来限制燃料电池的输出。因此，能够限制在从发电停止状态向发电状态转换后的燃料电池的消耗气体量，抑制化学计量比的降低，因此能够稳定燃料电池的发电状态。
另外，所谓“发电停止状态”，是指停止燃料电池的发电的状态(例如，使燃料电池的运转完全停止的运转停止模式、在低负载时等使燃料电池的发电暂时停止的间歇运转模式)，所谓“发电状态”是指燃料电池继续进行发电的状态(通常运转模式)。另外，所谓“化学计量比”是指向燃料电池的供给气体量相对于燃料电池的消耗气体量的剩余比。
根据本发明，能够提供一种燃料电池系统，在从间歇运转等发电停止状态向通常运转的过渡期，能够使燃料电池的发电状态稳定。
附图说明
图1是本发明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3是图1所示的燃料电池系统的IV特性映射；
图4A是表示图1所示的燃料电池系统的间歇运转模式的开始/结束的时序图；
图4B是表示图1所示的燃料电池系统的氢气供给流量的时间履历的时序图；
图4C是表示图1所示的燃料电池系统的输出电流指令值(上限)的时间履历的时序图。
标号说明：
1、燃料电池系统
2、燃料电池
6、控制装置(输出限制单元)
41、燃料供给源
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明实施方式的燃料电池系统1。在本实施方式中，对在燃料电池车辆的车载发电系统中应用本发明的例子进行说明。
首先，用图1说明本发明的实施方式的燃料电池系统1的构成。
如图1所示，本实施方式的燃料电池系统1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2、将作为氧化气体的空气供给至燃料电池2的氧化气体配管系统3、将作为燃料气体的氢气供给至燃料电池2的燃料气体配管系统4、充放电系统的电力的电力系统5、集中控制系统整体的控制装置6等。
燃料电池2例如由固体高分子电解质型构成，具备层叠有多个单体电池的堆叠结构。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的面上具有阴极(空气极)，在另一侧的面上具有阳极(燃料极)，还具有从两侧夹持阴极及阳极的一对隔板。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上安装有检测发电中的电流及电压(输出电流及输出电压)的电流传感器2a及电压传感器2b。另外，作为燃料电池2，除了固体高分子电解质型之外，也可以采用磷酸型、熔融碳酸盐型等各种类型。
氧化气体配管系统3具有空气压缩机31、氧化气体供给通路32、加湿模块33、阴极废气流路34、稀释器35、及驱动空气压缩机31的电动机M1等。
空气压缩机31由根据控制装置6的控制指令动作的电动机M1的驱动力驱动，经由未图示的空气过滤器将从外面取入的氧(氧化气体)向燃料电池2的阴极供给。氧化气体供给通路32为用于将自空气压缩机31供给的氧导向至燃料电池2的阴极的气体流路。从燃料电池2的阴极排出阴极废气。该阴极废气含有通过燃料电池2的电池反应生成的水分，因此为高湿润状态。
加湿模块33是在流过氧化气体供给通路32的低湿润状态的氧化气体和流过阴极废气流路34的高湿润状态的阴极废气之间进行水分交换，来对供给至燃料电池2的氧化气体适度进行加湿。阴极废气流路34是用于向系统外排放阴极废气的气体流路，在该气体流路的阴极出口附近配设有空气调压阀A1。供给到燃料电池2的氧化气体的背压通过空气调压阀A1调压。稀释器35进行稀释，以使氢气的排放浓度处于预先设定的浓度范围(根据环境基准设定的范围等)内。稀释器35与阴极废气流路34的下游及后述的阳极废气流路44的下游连通，氢废气及氧废气被混合稀释而排出系统外。
燃料气体配管系统4具有燃料供给源41、燃料气体供给通路42、燃料气体循环通路43、阳极废气流路44、氢循环泵45、止回阀46、及用于驱动氢循环泵的45的电动机M2等。
燃料供给源41为向燃料电池2供给氢气等燃料气体的单元，例如由高压氢罐、贮氢罐等构成。燃料气体供给通路42是用于将从燃料气体供给源41放出的燃料气体导入到燃料电池2的阳极的气体流路，在该气体流路上从上游到下游配设有罐阀H1、氢供给阀H2、FC入口阀H3等阀。罐阀H1、氢供给阀H2及FC入口阀H3是用于供给(或切断)向燃料电池2的燃料气体的关闭阀，例如由电磁阀构成。
燃料气体循环通路43是用于使未反应的燃料气体向燃料电池2回流的返回气体流路，在该气体流路上从上游到下游分别配设有FC出口阀H4、氢循环泵45、止回阀46。从燃料电池2排出的低压未反应燃料气体通过氢循环泵45被适度加压而向燃料气体供给通路42导入，上述氢循环泵45由根据控制装置6的控制指令动作的的电动机M2的驱动力驱动。从燃料气体供给通路42向燃料气体循环通路43的燃料气体的逆流通过止回阀46抑制。阳极废气流路44是用于将含有从燃料电池2排出的氢废气的阳极废气向系统外排出的气体流路，在该气体流路上配设有清洁阀H5。
电力系统5具备高压DC/DC转换器51、蓄电池52、牵引变换器53、辅机变换器54、牵引电动机M3、辅机电动机M4等。
高压DC/DC转换器51为直流电压变换器，具有调整从蓄电池52输入的直流电压而向牵引变换器53侧输出的功能、和调整从燃料电池2或牵引电动机M3输入的直流电压而向蓄电池52输出的功能。利用高压DC/DC转换器51的这些功能实现蓄电池52的充放电。另外，利用高压DC/DC转换器51控制燃料电池2的输出电压。
蓄电池52为可充放电的二次电池，由各种类型的二次电池(例如镍氢蓄电池等)构成。蓄电池52通过未图示的蓄电池计算机的控制能够充电剩余电力或辅助地供给电力。由燃料电池2发电的直流电力的一部分通过高压DC/DC转换器51升降压，对蓄电池52充电。另外，也可以采用除了二次电池之外的可充放电的蓄电器(例如电容器)来代替蓄电池52。
牵引变换器53及辅机变换器54为脉宽调制式的PWM变换器，根据赋予的控制指令将从燃料电池2或蓄电池52输出的直流电力变换为三相交流电力而向牵引电动机M3及辅机电动机M4供给。牵引电动机M3是用于驱动车轮7L、7R的电动机。在牵引电动机M3上安装有检测其转速的转速检测传感器5a。辅机电动机M4是用于驱动各种辅机类的电动机，将驱动空气压缩机31的电动机M1和驱动氢循环泵45的电动机M2等总称为辅机电动机。
控制装置6由CPU、ROM、RAM等构成，根据输入的各传感器信号统一控制该系统的各部分。具体而言，控制装置6根据从转速检测传感器5a及检测加速踏板开度的加速踏板传感器6a等送出的各传感器信号，计算燃料电池2的输出要求电力。而且，控制装置6控制燃料电池2的输出电压及输出电流，以产生与该输出要求电力相对应的输出电力。另外，控制装置6控制牵引变换器53及辅机变换器54的输出脉宽等，控制牵引电动机M3及辅机电动机M4。
另外，控制装置6进行通常运转模式和间歇运转模式的切换。所谓通常运转模式是指，为了向牵引电动机M3等负载装置供给电力，燃料电池2继续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、再生制动时等低负载运转时，暂时停止燃料电池2的发电，进行从蓄电池52向负载装置的电力供给，间歇地进行向燃料电池2的可维持开放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停止状态。
另外，控制装置6限制燃料电池2的运转模式从间歇运转模式恢复(转换)到通常运转模式后的燃料电池2的输出。具体而言，控制装置6通过从由间歇运转模式恢复到通常运转模式后从燃料供给源41供给的氢气的总流量减去用于使间歇运转模式的氢气的压力恢复至通常运转模式的氢气的压力的氢气的流量，计算从间歇运转模式恢复到通常运转模式后实际供给到燃料电池2的氢气的流量。而且，控制装置6将与计算出的流量对应的输出电流值作为上限来限制燃料电池2的输出。即，控制装置6作为本发明的输出限制单元起作用。
下面，使用图2的流程图、图3的映射及图4A～图4C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，控制装置6进行用于在起动后实现通常运转模式的控制(通常运转控制工序：S1)。在通常运转控制工序S1中，控制装置6根据从转速检测传感器5a及加速踏板传感器6a等送出的各传感器信号，计算燃料电池2的输出要求电力，计算与该计算出的输出要求电力对应的输出电流指令值及输出电压指令值。例如，控制装置6根据图3所示的IV特性映射、计算出的输出要求电力P1，来计算输出电流值指令值I1及输出电压指令值V1。而且，控制装置6通过使用各种阀、空气压缩机31来调整向燃料电池2的气体供给量，进行使由电流传感器2a检测出的燃料电池2的输出电流接近输出电流指令值I1的控制，并且通过使用高压DC/DC转换器51，进行使由电压传感器2b检测出的燃料电池2的输出电压接近输出电压指令值V1的控制。另外，在本实施方式中，将进入间歇运转模式前的输出电流指令值的上限设定为IMAX。
接着，控制装置6判定用于将燃料电池2的运转模式从通常运转模式切换为间歇运转模式的条件(运转切换条件)是否充足(间歇运转开始判定工序：S2)。作为运转切换条件，可采用例如要求电量、发电量的历时变化低于规定的阈值等。而且，控制装置6在间歇运转开始判定工序S2中判定为俱备运转切换条件的情况下，将燃料电池2的运转模式从通常运转模式切换为间歇运转模式(间歇运转控制工序：S3)。在间歇运转控制工序S3中，控制装置6暂时停止燃料电池2的发电，进行从蓄电池52向负载装置的电力供给，间歇地进行向燃料电池2的可维持开放端电压程度的氢气及空气的供给。
接着，控制装置6判定是否经过了间歇运转时间(间歇运转结束判定工序：S4)，在判定为经过了间歇运转时间的情况下，结束间歇运转模式而恢复到通常运转模式(通常运转再开始工序：S5)。
但是，实现间歇运转模式而暂时使燃料电池2的发电停止时，向燃料电池2的氢气的供给被切断，因此用于从燃料供给源41向燃料电池2供给氢气的燃料气体供给流路42内的氢气压力比通常运转模式的压力低。因此，控制装置6在从间歇运转模式向通常运转模式恢复时，使燃料气体供给流路42内的氢气的压力恢复至通常运转模式的值，并且限制燃料电池2的输出(输出限制工序：S6)。
在输出限制工序S6中，如图4A及图4B所示，控制装置6通过从由间歇运转模式向通常运转模式恢复后的氢气的全部供给量Q0减去用于使氢气的压力恢复的压力恢复用流量Qp，计算实际供给到燃料电池2的氢气的流量QFC。而且，控制装置6将与计算出的流量QFC对应的输出电流值Ilim作为输出电流指令值的上限，限制燃料电池2的输出。如图3及图4C所示，从间歇运转模式向通常运转模式恢复后，与实际供给到燃料电池2的氢气的流量QFC对应的输出电流值Ilim成为比进入间歇运转模式前的输出电流指令值的上限IMAX小的值。
在输出限制工序S6中，控制装置6根据例如输出要求电力P2、图3所示的IV特性映射，来计算输出电流指令值I2(＜Ilim)及输出电压指令值V2。而且，控制装置6通过用各种阀及空气压缩机31来调整向燃料电池2的空气供给量，进行使由电流传感器2a检测出的燃料电池2的输出电流接近输出电流指令值I2的控制，并且通过使用高压DC/DC转换器51，进行使由电压传感器2b检测出的燃料电池2的输出电压接近输出电压指令值V2的控制。另外，本实施方式中的输出限制工序S6包括本发明的流量计算工序及输出限制工序。
在以上说明的实施方式的燃料电池系统1中，能够通过从由间歇运转模式向通常运转模式恢复后的氢气的全部供给流量减去用于恢复气体压力的流量(压力恢复用流量)，计算实际供给到燃料电池2的流量，将与该计算出的流量相对应的输出电流值作为上限来限制燃料电池2的输出。因此，能够抑制从间歇运转模式向通常运转模式恢复后的化学计量比的降低，能够稳定燃料电池2的发电状态。
另外，在以上的实施方式中，表示了在低负载时等从暂时停止燃料电池2的发电的间歇运转模式向通常运转模式的过渡期应用本发明的例子，但是也可以在从完全停止燃料电池2的运转的运转停止模式(发电停止状态)向通常运转模式的过渡期应用本发明。
工业上的可利用性
本发明的燃料电池系统如以上实施方式所示，可搭载于燃料电池车辆上，另外，也可以搭载于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适用于作为建筑物(住宅、大楼等)用的发电设备使用的定置用发电系统中。
Claims (3)
1.一种燃料电池系统，具备燃料供给源及燃料电池，从所述燃料供给源向所述燃料电池供给燃料气体而进行发电，并且所述燃料电池系统还具备输出限制单元，所述输出限制单元对从所述燃料电池的发电停止状态向发电状态转换后的所述燃料电池的输出进行限制，其中，
所述输出限制单元，从在由所述发电停止状态向所述发电状态转换后从所述燃料供给源供给的燃料气体的总流量中减去用于使所述发电停止状态下的燃料气体压力恢复至所述发电状态下的燃料气体压力的燃料气体的流量，由此计算出从所述发电停止状态向所述发电状态转换后实际供给所述燃料电池的燃料气体的流量，将与该计算出的流量对应的输出电流值作为上限来限制所述燃料电池的输出。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述输出限制单元对从作为所述发电停止状态的运转停止模式或间歇运转模式向作为所述发电状态的通常运转模式转换后的所述燃料电池的输出进行限制。
3.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具备燃料供给源及燃料电池，从所述燃料供给源向所述燃料电池供给燃料气体而进行发电，并且限制从所述燃料电池的发电停止状态向发电状态转换后的所述燃料电池的输出，其中，所述燃料电池系统的控制方法具备如下工序：
流量计算工序，从在由所述发电停止状态向所述发电状态转换后从所述燃料供给源供给的燃料气体的总流量中减去用于使所述发电停止状态下的燃料气体压力恢复至所述发电状态下的燃料气体压力的燃料气体的流量，由此计算出从所述发电停止状态向所述发电状态转换后实际供给所述燃料电池的燃料气体的流量；及
输出限制工序，将与在所述流量计算工序中计算出的流量对应的输出电流值作为上限来限制所述燃料电池的输出。
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