CN102089916A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，其中，相比于表示变换器(62)所容许的电机(60)的上限温度的限制线(104)而设定在低温侧的第一检测线(102)，表示相对于燃料电池(10)的要求输出而成为控制部(54)作为确保氢化学计量的方法从通过循环泵(28)进行氢的再利用切换为使氢浓度上升的基准的电机温度。控制部(54)，相对于燃料电池(10)的要求输出，在电机温度超过第一检测线(102)的情况下，抑制电机(60)的转速的上升，并且对断流阀(22)和调节器(23)的开度进行调整，使从氢罐(21)向燃料电池(10)供给的氢的浓度增加，使氢的供给压力上升。由此，能够抑制电机温度上升，并且能够确保氢化学计量比。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及具备使从燃料电池的燃料气体的排出口排出的燃料气体回到燃料电池的燃料气体的供给口的循环泵的燃料电池系统。

背景技术

在燃料电池系统中，利用循环泵，使从燃料电池堆(stack)排出的阳极废气回到燃料电池堆的入口进行再利用。循环泵具备电机(motor，马达)，对电机的转速进行控制，将燃料气体供给至燃料电池堆。在这样的燃料电池系统中，当循环泵的电机的温度超过预先规定的预定值时，进行燃料电池的输出限制，抑制电机的损伤。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2006-333543号公报

专利文献2：日本特开2007-66554号公报

专利文献3：日本特开2007-182900号公报

发明内容

但是，当燃料电池的输出受到限制时，则会产生如下的问题：表示相对于“供给至燃料电池的燃料气体量”的“发电所使用的燃料气体量”的氢化学计量比会下降，燃料电池的发电电压会下降。

本发明是鉴于上述的课题而完成的发明，目的在于抑制循环泵的电机的温度上升以及确保氢化学计量比(stoichiometric ratio)。

本发明是为了解决上述课题的至少一部分而完成的发明，能够作为以下的方式和适用例进行实现。

[适用例1]

适用例1的燃料电池系统，具备：燃料电池，其通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电；储存部，其储存所述燃料气体；供给配管，其连接所述燃料电池和所述储存部；调整单元，其对从所述储存部向所述燃料电池的供给压力进行调整；循环泵，其使从所述燃料电池排出的燃料废气向所述供给配管循环；测定单元，其对表示所述循环泵的温度的泵温度进行测定；以及控制单元，其在所述泵温度为预先设定的第一温度以上的情况下，抑制所述循环泵的转速的上升，并且，对所述调整单元进行控制，使从所述储存部向所述燃料电池供给的所述燃料气体的供给压力上升。

根据适用例1的燃料电池系统，当循环泵的温度为第一温度以上时，抑制循环泵的转速的上升，并且，使从储存部向燃料电池供给的燃料气体的供给压力上升。因此，能够不使循环泵的转速上升而抑制表示相对于“供给至燃料电池的燃料气体量”的“发电所使用的燃料气体量”的化学计量比的降低。因此，能够抑制燃料电池的发电性能的降低。

在适用例1的燃料电池系统中，所述控制单元使所述循环泵的转速下降。根据适用例1的燃料电池系统，由于循环泵的转速下降，因此能够减轻循环泵的负荷。因此，能够抑制循环泵的温度上升。

在适用例1的燃料电池系统中，所述循环泵具备限制单元，所述限制单元在所述泵温度比预先设定的第二温度高的情况下，对所述循环泵的输出进行限制，所述第二温度比所述第一温度高，所述第一温度和所述第二温度以所述第一温度和所述第二温度的差量随着对所述燃料电池的输出要求的降低而变小的方式设定。根据适用例1的燃料电池系统，以第一温度和第二温度的差量随着燃料电池的负荷的降低而变小的方式设定。因为低负荷时循环泵的发热量低、温度上升速度也低，因此相对于预定的输出要求，从第一温度上升到第二温度的时间变长。因此，可以根据输出要求，进行循环泵的转速和从储存部向燃料电池的燃料气体供给压力的控制。因此，能够有效地使燃料电池发电。

在适用例1的燃料电池系统中，所述循环泵具备在所述泵温度为所述第二温度以上的情况下限制所述循环泵的运转的、独立于燃料电池系统的限制单元，所述控制单元在所述泵温度超过第三温度的情况下，停止所述循环泵的运转，所述第三温度被设定为比所述第一温度高、且比所述第二温度低。根据适用例1的燃料电池系统，在即使抑制循环泵的转速上升、循环泵的温度上升也仍进行的情况下，在通过独立于燃料电池系统的限制单元来限制循环泵的运转之前，停止循环泵。因此，燃料电池系统能够一边对循环泵进行控制，一边避免循环泵的温度上升。

在适用例1的燃料电池系统中，所述控制单元在所述泵温度为比所述第一温度低的第四温度以下的情况下，解除从所述储存部向所述燃料电池的燃料气体供给压力的控制和所述循环泵的转速的上升降低的控制。根据适用例1的燃料电池系统，当泵温度为第四温度以下时，解除控制单元的控制。因此，能够使燃料电池系统回到通常的工作状态。

本发明能够以上述以外的各种方式来实现，例如，可以适当地组合上述的各种方式、省略其一部分来进行应用。

附图说明

图1是表示第一实施例的燃料电池系统100的概略构成的说明图。

图2是例示第一实施例的循环泵28的功能块的说明图。

图3是对第一实施例的温度输出映射55进行说明的说明图。

图4是说明第一实施例的氢化学计量比控制处理的流程图。

图5是说明第一实施例的氢化学计量比控制处理的流程图。

图6是表示第二实施例的温度输出映射55a的说明图。

标号说明

10…燃料电池

20…燃料气体系统设备

21…氢罐

22…断流阀

23…调节器

24、25、26、27、33、34、36…配管

28…循环泵

29…清洗阀

30…氧化气体系统设备

31…空气滤清器

32…空气压缩机

35…稀释器

40…温度传感器

50…控制单元

54…控制部

55…温度输出映射

55a…温度输出映射

56…输出要求

57…各种致动器

58…各种传感器

60…电机

62…变换器

100…燃料电池系统

102、102a…第一检测线

104…限制线

106…第二检测线

108…恢复线

具体实施方式

A.第一实施例

A-1.燃料电池系统的概略构成

图1是表示作为本发明实施例的搭载于车辆的燃料电池系统100的概略构成的说明图。燃料电池系统100具备：通过电化学反应进行发电的燃料电池10；相对于燃料电池10供给、排出燃料气体的燃料气体系统设备20；相对于燃料电池10供给、排出氧化气体的氧化气体系统设备30；控制燃料电池系统100的控制单元50。

燃料电池10是固体高分子形燃料电池，向由电解质膜、阳极以及阴极形成的电解质膜、电极接合体供给作为燃料气体的氢和作为氧化气体的空气，通过电化学反应进行发电。

燃料气体系统设备20包括氢罐21、断流阀(shut valve)22、调节器(regulator)23、循环泵28、清洗(purge)阀29、配管24、25、26、27、以及对氢罐21的电机的温度进行测定的温度传感器40。温度传感器40在图1中与循环泵28分开进行记载，但在第一实施例中，也可以内置于循环泵28。对于存储在氢罐21中的高压氢，通过断流阀22、调节器23调整其压力和供给量，作为燃料气体经由配管24而被供给到燃料电池10的阳极。并且，来自阳极的燃料废气(以下称为阳极废气)经由配管25、配管27、循环泵28以及配管24而再循环到燃料电池10。在第一实施例中，氢罐21、循环泵28、温度传感器40分别相当于权利要求书中的“存储部”、“循环泵”、“测定单元”，断流阀22、调节器23相当于权利要求书中的“调整单元”，配管24相当于权利要求书中的“供给配管”。

另外，在配管25上分支连接有配管26，在该配管26上配设有清洗阀29。在上述的阳极废气的再循环时，该清洗阀29通常是关闭的，但是通过以预定的定时进行开阀，由此将阳极废气经由配管26导入稀释器35，进一步通过排出到系统外，由此抑制杂质浓度上升。

氧化气体系统设备30包括空气滤清器31、空气压缩机32、稀释器35、配管33、34、36。从空气滤清器31吸入的空气，通过空气压缩机32进行压缩，经由配管33作为氧化气体而供给至燃料电池10的阴极。来自阴极的排气(以下，称为阴极废气)经由配管34导入到稀释器35。

在该稀释器35中，通过使阴极废气、和以上述预定定时导入到稀释器35的阳极废气混合，从而稀释包含在阳极废气中的氢的浓度。从稀释器35排出的排出气体经由配管36而排出到燃料电池系统100的系统外。

上述装置通过控制单元50进行控制。控制单元50构成为在内部具备CPU、RAM、ROM的微型计算机，通过将存储在ROM中的程序展开到RAM中进行执行，从而接受输出要求56和来自各种传感器58的信号，向调节器23、空气压缩机32、清洗阀29、燃料电池系统100的各种致动器57输出驱动信号，控制燃料电池系统100的整体运转。温度传感器40包含在各种传感器58中。

控制单元50具备控制部54、温度输出映射(map)55。控制部54具有基于输出要求56来控制循环泵28的转速的功能。控制部54基于循环泵28的温度和温度输出映射55，对循环泵28的转速和从氢罐21向燃料电池10供给的氢的供给压力进行控制，有效地确保氢的化学计量比。氢的化学计量比是相对于“供给至燃料电池10的氢量”的“发电所使用的氢量”(“发电所使用的氢量”/“供给至燃料电池10的氢量”)。具体而言，具有如下功能：例如，在循环泵28的温度为设定于温度输出映射55的预定的温度以上的情况下，抑制循环泵28的转速的上升，并且，对断流阀22和调节器23进行控制，使从氢罐21向燃料电池10供给的氢的供给压力上升。关于温度输出映射55和确保氢化学计量比的处理将在后面进行叙述。第一实施例的控制部54相当于权利要求书的“控制单元”。

A2.循环泵的功能块

图2是例示第一实施例的循环泵28的功能块的说明图。循环泵28具备电机60、温度传感器40、变换器(inverter，逆变器)62。在第一实施例中，如图2所示，温度传感器40和变换器62分别与控制单元50连接。变换器62包含在各种致动器57中。

变换器62基于来自控制单元50的指示，对作为循环泵28的动力源的电机60进行驱动。温度传感器40测定循环泵28的电机60的温度，通知给控制单元50和变换器62。当电机60的温度超过后述的第二温度时，变换器62与来自控制单元50的指示无关地限制电机60的输出。在第一实施例中，该“限制”包括使电机60停止。以后，在实施例中，将由温度传感器40测定的电机60的温度也称为电机温度。

A3.温度输出映射

图3是说明第一实施例的温度输出映射55的说明图。温度输出映射55表示电机60的温度和燃料电池的输出的关系。在温度输出映射55中，横轴表示由温度传感器40测定的电机60的温度t(℃)，纵轴表示燃料电池10的输出(％)。在温度输出映射55中，以要求输出相对于燃料电池的最大输出的比例来表示燃料电池的输出。例如，将燃料电池的最大输出设为100，预定的温度t时，在燃料电池所要求的输出(要求输出)为50的情况下，燃料电池的输出为(50/100)×100＝50％。

在温度输出映射55中，由虚线表示的第一检测线102表示相对于燃料电池10的要求输出而成为控制部54作为确保氢化学计量的方法从通过循环泵28进行氢的再利用切换为使氢浓度上升的基准的电机60的温度(以后，在第一实施例中称为第一温度)。例如，在温度输出映射55中，相对于要求输出P，第一温度为T1。相对于燃料电池10的要求输出，在电机60的温度超过第一检测线102的情况下、即超过第一温度的情况下，控制部54抑制电机60的转速的上升，并且，对断流阀22和调节器23的开度进行调整，使从氢罐21向燃料电池10供给的氢的浓度增加，使氢的供给压力上升。所说的“抑制电机60的转速的上升”，包括维持以及降低电机60的转速。

在温度输出映射55中，由粗实线表示的限制线104被设定在比第一检测线102更靠高温一侧，表示相对于燃料电池10的要求输出而变换器62所容许的电机60的上限温度(以后，在第一实施例中称为第二温度)。例如，在温度输出映射55中，相对于要求输出P，第二温度为T2。由于电机60不耐热，因此伴随温度上升而故障率会上升。因此，相对于燃料电池10的要求输出，在电机60的温度超过限制线104的情况下、即超过第二温度的情况下，变换器62与来自控制单元50的指示无关地使电机60停止，从而避免电机60发生故障。当电机60停止时，循环泵28的功能停止。在第一实施例中，限制线104是预先独立地设定于变换器62的温度。

在温度输出映射55中，由单点划线表示的第二检测线106被设定在比第一检测线102更靠高温一侧、且比限制线104更靠低温一侧，表示相对于燃料电池10的要求输出而控制部54所容许的电机60的上限温度(以后，在第一实施例中称为第三温度)。换句话说，第三温度关于预定的要求输出而设定为比第一温度高、且比第二温度低。例如，在温度输出映射55中，相对于要求输出P，第三温度为T3。相对于燃料电池10的要求输出，在电机60的温度超过第二检测线106的情况下、即超过第三温度的情况下，控制部54使电机60停止。

在温度输出映射55中，由双点划线表示的恢复线108被设定在比第一检测线102更靠近低温一侧，表示相对于燃料电池10的要求输出而成为控制部54解除对电机60及断流阀22、调节器23的控制从而回到通常运转的基准的电机60的恢复温度(以后，在第一实施例中称为第四温度)。例如，在温度输出映射55中，相对于要求输出P，第四温度为T4。

A4.氢化学计量比控制处理

参照图3～图5，对燃料电池系统100的氢化学计量比控制处理进行说明。图4和图5是说明第一实施例的氢化学计量比控制处理的流程图。氢化学计量比控制处理是控制单元50通过控制各功能块而执行的处理。以后，设为控制单元50执行氢化学计量比控制处理而进行说明。

控制单元50取得输出要求56(步骤S10)，并且从温度传感器40取得电机温度(步骤S12)。控制单元50判断电机温度是否超过第一温度(步骤S14)。具体而言，控制单元50判断燃料电池10的要求输出下的电机温度是否超过第一检测线102。例如，如图3所示，在温度输出映射55中，在相对于要求输出P而电机温度为t1的情况下，控制单元50判断为电机温度超过第一检测线102、即超过第一温度。

控制单元50在电机温度超过第一温度的情况下(步骤S14为“是”)，判断电机温度是否超过第三温度(步骤S16)。具体而言，控制单元50判断燃料电池10的要求输出下的电机温度是否超过第二检测线106。例如，如图3所示，在温度输出映射55中，在相对于要求输出P而电机温度为t2的情况下，控制单元50判断电机温度超过第二检测线106、即超过第三温度。

控制单元50在电机温度超过第三温度的情况下(步骤S16为“是”)，对变换器62指示停止电机60(步骤S18)。当接受到电机60的停止指示时，变换器62停止向电机60的电力供给。这样，通过使电机60停止，从而抑制电机温度上升。此时，控制单元50优选与电机60的停止指示一起、进行清洗阀29的连续的开阀。这样，能够有效地使氢化学计量比上升。

控制单元50在电机温度没有超过第三温度的情况下、即电机温度比第一温度高、且比第三温度低的情况下(步骤S16为“否”)，对变换器62指示降低电机60的转速(步骤S20)。在第一实施例中，此时，虽然使电机60的转速降低，但也可以控制为维持转速。

控制单元50在进行了停止循环泵28的电机60或者降低电机60的转速之后，对断流阀22、调节器23的开度进行调整，使从氢罐21向燃料电池10的氢供给压上升(步骤S22)。这样，不使循环泵28的电机60的转速上升而通过使氢供给压上升、增加向燃料电池的供给氢浓度来确保燃料电池的氢化学计量比。

控制单元50在电机温度没有超过第一温度的情况下(步骤S14为“否”)，判断是否为化学计量确保控制期间中(步骤S30)。具体而言，所说的化学计量确保控制包括电机的转速控制(步骤S18、S20)以及氢供给压的控制(步骤S22)，在进行这些控制的情况下，燃料电池系统100的状态被判断处于化学计量确保控制期间中。

控制单元50在为化学计量确保控制期间中的情况下(步骤S30为“是”)，判断电机温度是否为第四温度以下(步骤S32)。具体而言，控制单元50判断燃料电池10的要求输出下的电机温度是否为恢复线108以下。例如，如图3所示，在温度输出映射55中，在相对于要求输出P而电机温度为t3的情况下，控制单元50判断为电机温度为恢复线108以下、即为第四温度以下。

控制单元50在电机温度为第四温度以下的情况下(步骤32为“是”)，解除电机的转速控制(步骤S18、S20)以及氢供给压的控制(步骤S22)，执行按照输出要求的运转(通常模式下的运转)(步骤S34)。此时，控制单元50优选也使排出阀29的连续的开阀同时解除注入(同时中止)。

控制单元50在电机温度不为第四温度以下的情况下、即为化学计量确保控制中、且电机温度比第一温度低且比第四温度高的情况下(步骤S32为“否”)，维持进行化学计量确保控制的运转状态。

控制单元50在为第一温度以下(步骤S14为“否”)、并且不为化学计量确保控制中的情况下(步骤S30为“否”)，继续通常模式下的运转(步骤S34)。

根据以上说明的第一实施例的燃料电池系统100，当循环泵28的温度t变成第一温度以上时，抑制循环泵28的转速的上升，并且，使从氢罐21向燃料电池10供给的氢的供给压力上升。因此，能够不使循环泵28的转速上升而确保燃料电池10的氢化学计量比。由此，能够抑制循环泵28的损伤，并且抑制燃料电池的发电性能的下降。

另外，根据第一实施例的燃料电池系统100，由于循环泵28的转速降低，因此能够减轻循环泵28的负荷。因此，能够抑制循环泵28的温度上升。

另外，根据第一实施例的燃料电池系统100，在抑制循环泵28的转速上升、循环泵28的温度仍上升的情况下，可以通过独立于燃料电池系统100的变换器62来停止向电机60的电力供给，在循环泵28停止之前，使循环泵28停止。变换器62存在构成为根据电机温度独立于控制部54地使电机60停止的情况，在该情况下，当通过变换器62强制地使循环泵28停止时，则使循环泵28进行再驱动等、由控制部54顺利地控制循环泵28的工作变得不容易。因此，如第一实施例，在通过变换器62独立于控制部54而使循环泵28停止之前，控制部54使循环泵28停止，由此能够容易地进行再次使循环泵28进行工作等循环泵28的控制。因此，燃料电池系统100能够一边控制循环泵28，一边避免循环泵28的温度上升。

B.第二实施例

在第一实施例中，在温度输出映射55中，使第一检测线和限制线的倾斜大致相同，但在第二实施例中，使第一检测线的倾斜(倾斜度)小于限制线的倾斜。

B1.温度输出映射：

图6是表示第二实施例的温度输出映射55a的说明图。温度输出映射55a表示电机温度和燃料电池10的输出的关系。温度输出映射55a的横轴、纵轴，与在第一实施例中进行了说明的温度输出映射55的横轴、纵轴相同。在温度输出映射55a中，设为不存在第一检测线102a和限制线104以外的第二检测线106，对于恢复线108，为了简略附图而省略了记载。

如图6所示，对于温度输出映射55a，第一检测线102a的倾斜小于控制线104的倾斜。即，第一温度和第二温度的差量被设定为随着电机温度变高而变小。换言之，可是说第一温度和第二温度的差量被设定为随着燃料电池10的负荷的减少而变小。例如，如温度输出映射55a所示，在燃料电池10的要求输出P1时，从第一温度t10到第二温度t12的温度差量为d1，在燃料电池10的要求输出P2时，从第一温度t20到第二温度t22的温度差量为比d1小的d2。

在低负荷时，循环泵28的发热量也较低，温度上升速度也较低。因此，在基于第一实施例的第一检测线102的控制时，负荷越低，在预定的要求输出下从超过第一检测线102到超过控制线104为止的时间越长。并且，从超过第一温度到达到第二温度为止，电机的转速上升受到抑制，通过对向燃料电池的氢供给浓度进行调整来确保化学计量比。对于确保氢化学计量比，已知相比于增加氢浓度，通过循环泵28进行阳极废气的循环是更有效的，因此，如温度输出映射55a，设定成负荷越低从第一温度到第二温度的温度差量越小，由此，在低负荷时执行比第一实施例时间长的、通过循环泵28使阳极废气循环的化学计量比确保。

根据以上说明的第二实施例的燃料电池系统100，第一温度和第二温度的差量被设定成随着燃料电池10的负荷变低而变小。由此，能够根据燃料电池的负荷对从超过第一检测线102a到超过限制线104为止的时间进行调整。因此，能够抑制电机60的损伤，并且尽可能长地使用电机60，即使在低负荷时，也能够抑制燃料电池10的发电效率的降低。

C.变形例

(1)在第一实施例中，在电机温度为第三温度(第二检测线)以上的情况下使电机60停止，但是，例如，也可以将使电机60停止的判断设为电机温度为第三温度(第二检测线)以上、并且温度上升速度为预先规定的上限值以上。所说的温度上升速度用ΔT/Δt进行表示。此处，Δt表示预定时间，ΔT表示预定时间Δt期间的电机60的上升温度。由此，仅在温度上升速度比预定更快的情况下使电机60停止。在温度上升速度较慢的情况下，考虑到电机60的负荷较低，因此可以认为即使不使电机60停止，通过电机60的转速的降低也能使电机温度逐渐下降。与使氢浓度和/或氢供给压力上升相比，使用循环泵28使废气进行再循环，能有效地确保氢化学计量比，因此在认为电机60的负荷较轻的情况下，不停止电机60地使燃料电池10发电能够抑制发电性能的降低。

(2)在第一实施例中，当超过比第一温度高、且比第二温度低的第三温度时，控制部54使循环泵28停止，但是，例如也可以不设定第三温度(第二检测线)。在电机温度超过了第二温度(限制线)的情况下，即使变换器62进行使电机60的转速下降等的输出限制，由于从氢罐21向燃料电池10供给的氢浓度上升，氢供给压力增加，因此也能够维持氢化学计量。因此，能够抑制燃料电池10的电压急剧下降。

以上，参照优选例示的实施例对本发明进行了详细说明。但是，本申请发明并不限定于以上进行了说明的实施例和构成。并且，本发明包括各种变形和/或均等的构成。进一步，所公开的发明的各种要素，以各种组合以及构成进行了公开，但这些是例示的内容，各要素可以更多，或者可以更少。并且，要素也可以是一个。那些方式包含在本发明的范围内。

本申请与2008年7月11日申请的日本专利申请2008-181171号相关联，并且，基于该日本专利申请主张优先权，该日本申请的所有公开内容为了参照而引入到本说明书中。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，具备：

燃料电池，其通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电；

储存部，其储存所述燃料气体；

供给配管，其连接所述燃料电池和所述储存部；

调整单元，其对从所述储存部向所述燃料电池的供给压力进行调整；

循环泵，其使从所述燃料电池排出的燃料废气向所述供给配管循环；

测定单元，其对表示所述循环泵的温度的泵温度进行测定；以及

控制单元，其在所述泵温度为预先设定的第一温度以上的情况下，抑制所述循环泵的转速的上升，并且，对所述调整单元进行控制，使从所述储存部向所述燃料电池供给的所述燃料气体的供给压力上升。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，

所述控制单元使所述循环泵的转速下降。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，

所述循环泵具备限制单元，所述限制单元在所述泵温度比预先设定的第二温度高的情况下，对所述循环泵的输出进行限制，所述第二温度比所述第一温度高，

所述第一温度和所述第二温度以所述第一温度和所述第二温度的差量随着对所述燃料电池的输出要求的降低而变小的方式设定。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，

所述循环泵具备在所述泵温度为所述第二温度以上的情况下用于限制循环泵的运转的、独立于燃料电池系统的限制单元，

所述控制单元，在所述泵温度超过第三温度的情况下，停止所述循环泵的运转，所述第三温度被设定为比所述第一温度高、且比所述第二温度低。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述控制单元，在所述泵温度为比所述第一温度低的第四温度以下的情况下，解除所述燃料气体的供给压力的控制和所述循环泵的工作状态的控制中的至少一方。

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