CN102598381B - 燃料电池系统和用于燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

燃料电池系统和用于燃料电池系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池系统，包括：燃料电池，其通过燃料和氧化剂气体之间的反应生成电力；空气压缩机，其将用作氧化剂气体的空气供应到燃料电池；切断阀，其阻断作为燃料电池废气的空气的排出；空气流量计，其测量供应到燃料电池的空气的流量；压力传感器，其测量供应的空气的压力；以及控制单元，其控制燃料电池的电力生成反应，基于通过空气流量计测量的值来计算第一计算空气流量，并且基于从空气压缩机到切断阀的系统容积、基于通过压力传感器测量的值计算的系统容积中的空气的压力增加值、以及大气压来计算第二计算空气流量，并且计算第二计算空气流量与第一计算空气流量的比率。

Description

燃料电池系统和用于燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统以及用于燃料电池系统的控制方法，并且更具体而言，涉及一种用于使用低成本的空气流量计来精确地设置供应给燃料电池的空气的流量的技术。
背景技术
燃料电池通常通过例如引起用作氧化剂气体的空气和用作燃料气体的氢气之间的电化学反应来生成电力。然而，当被供应到燃料电池的阴极的作为氧化剂气体的空气的流量不足时，电力生成效率降低。另外，作为燃料电池的重要组件的电解质膜通常具有在潮湿状态下电力生成效率增加的性质。因此，当供应的空气的流量过高时，空气的流动减少了电解质膜的湿度，因此电力生成效率降低。为此，重要的是，用空气流量计(AFM)测量供应到燃料电池的阴极的空气的流量、然后控制该流量以便恒定地变为适合的状态。
因此，已经开始关注装备有燃料电池的车辆(燃料电池车辆)的发展。为了扩展燃料电池车辆的使用，重要的是，减少燃料电池系统的组件的成本，并且上述空气流量计也是用于成本减少的重要元件。日本专利申请公布No.2004-253208(JP-A-2004-253208)描述了一种用于在燃料电池系统中使用压力传感器来计算空气流量的技术。日本专利申请公布No.2008-091337(JP-A-2008-091337)描述了一种燃料电池系统，该燃料电池系统使用空气流量计来执行作为实际的空气流量和期望的空气流量的函数的空气流量反馈控制。
然而，与昂贵的空气流量计相比，低成本空气流量计必然具有降低的测量精度。这成为高精确度供应流量控制的瓶颈。另外，由于空气流量计的老化劣化导致的测量误差的增加也成为高精确度供应流量控制的瓶颈。
发明内容
本发明提供了一种能够在燃料电池系统中使用低成本的空气流量计来精确地控制供应给燃料电池的空气的流量的技术。
本发明的第一方面提供了一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：燃料电池，其通过引起燃料气体和氧化剂气体之间的反应来生成电力；空气压缩机，其将用作氧化剂气体的空气供应到燃料电池；切断阀，其阻断作为从燃料电池排出的废气的空气排出到外部；空气流量计，其测量供应到燃料电池的空气的流量；压力传感器，其测量供应的空气的压力；以及控制单元，其控制燃料电池的电力生成反应，其中控制单元基于通过空气流量计测量的值来计算第一计算空气流量，并且基于从空气压缩机到切断阀的系统容积、基于通过压力传感器测量的值计算的系统容积中的空气的压力增加值以及大气压来计算第二计算空气流量，计算第二计算空气流量与第一计算空气流量的比率。利用上述燃料电池系统，可以校正空气流量计的误差并且以适当的供应流量将空气供应到燃料电池。另外，即使当由于老化劣化导致的空气流量计测量的值的误差，也可以校正空气流量计的误差并且以适当的供应流量将空气供应到燃料电池。因此，可以使用低成本的空气流量计来精确地控制供应到燃料电池的空气的流量。
本发明的另一方面提供了一种用于燃料电池系统的控制方法。该燃料电池系统包括燃料电池，其通过引起燃料气体和氧化剂气体之间的反应来生成电力；空气压缩机，其将用作氧化剂气体的空气供应到燃料电池；切断阀，其阻断作为从燃料电池排出的废气的空气排出到外部；空气流量计，其测量供应到燃料电池的空气的流量；以及压力传感器，其测量供应的空气的压力。控制方法包括：基于通过空气流量计测量的值来计算第一计算空气流量；基于从空气压缩机到切断阀的系统容积、基于通过压力传感器测量的值计算的系统容积中的空气的压力增加值、以及大气压来计算第二计算空气流量；计算第二计算空气流量与第一计算空气流量的比率。利用该控制方法，可以校正空气流量计的误差并且以适当的供应流量将空气供应到燃料电池。另外，即使当由于老化劣化导致的空气流量计测量的值的误差增加，也可以校正空气流量计的误差并且以适当的供应流量将空气供应到燃料电池。因此，可以使用低成本的空气流量计来精确地控制供应到燃料电池的空气的流量。
注意的是，可以以各种形式来实施本发明的方面，并且可以例如以诸如校正供应到燃料电池系统或者燃料电池系统中的燃料电池的空气的流量的方法的各种形式来实施本发明的方面。
附图说明
在下面将参考附图来描述本发明的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是仅示出根据实施例的燃料电池系统中用作氧化剂气体的空气的给排系统的示意性构造的框图；以及
图2是示出计算对应于空气流量计的误差的校正系数的过程的流程图。
具体实施方式
A.燃料电池系统的构造概述
图1中示出的燃料电池系统10包括燃料电池堆100、空气给排系统200和控制单元300。
燃料电池堆100通过供应到阳极(未示出)的燃料气体(氢气)和供应到阴极的空气(更具体地，空气中包含的氧气)之间的电化学反应来生成电力。燃料电池堆100可以由诸如聚合物电解质燃料电池的各种类型的燃料电池来形成。注意的是，通常，燃料电池堆具有其中堆叠多个燃料电池的堆叠结构。
空气给排系统200包括空气进入口210、空气清洁器220、空气流量计230、空气压缩机240、空气加湿器250、空气排出切断阀260、消声器270以及排出口280。
通过使空气压缩机240工作，通过进入口210引入空气，并且将空气从空气压缩机240通过空气清洁器220和空气流量计230传输到空气加湿器250。从空气压缩机240传输到空气加湿器250的空气被加湿，然后被传输到燃料电池堆100的阴极。在燃料电池堆100中进行了反应的空气被从燃料电池堆100排出，然后再次传输到空气加湿器250。排出的空气的热还被用于产生用于加湿空气的水蒸汽。然后，当空气排出切断阀260打开时，将从空气加湿器250排出的废气通过消音器270从排出口280排出作为废气。另一方面，当空气排出切断阀260关闭时，不排出废气。结果，仅对于从空气压缩机240到空气排出切断阀260的系统容积的空气，将空气从空气压缩机240供应到燃料电池堆100，从而系统容积中的空气的压力增加值。注意的是，压力传感器290i被设置在空气压缩机240和空气加湿器250之间的导管中，并且压力传感器290o被设置在空气加湿器250和空气排出切断阀260之间的导管中，并且可以通过这些压力传感器290i和290o来测量系统容积中的空气的压力的增加。
控制单元300基于通过空气流量计230测量的值、通过压力传感器290i和290o测量的值、通过诸如温度传感器(未示出)以及大气压传感器(未示出)的其他各种传感器测量的值以及预定的各种设置条件来控制诸如空气压缩机240、空气加湿器250以及空气排出切断阀260的系统组件的工作，从而控制燃料电池系统10的工作。另外，控制单元可以基于响应于燃料电池堆的工作状态所要求的空气流量，即要求的空气流量来控制空气压缩机和其他系统组件。
B.空气流量计的校正
燃料电池系统10的通常操作与已有的燃料电池系统的操作相同，因此省略了其描述。在下文中，将描述校正通过空气流量计230测量的值的误差并且控制空气压缩机240的工作以便获得期望的空气流量。
图2是示出计算与空气流量计230的误差相对应的校正系数的过程的流程图。注意的是，可以在诸如燃料电池系统的启动时、定期检查时以及以固定间隔的各种时刻来执行该操作。然而，期望燃料电池堆100的温度和包括空气流量计230的空气给排系统200的温度之间的差落入预定的范围内，例如大约5℃的范围内。这是因为，如果燃料电池堆100的温度很高并且与通过空气流量计230的空气的温度具有大的差，则在将后面描述的、计算基于系统容积的压力增加值而计算的空气流量中出现误差。因此，在以上操作开始时，期望使用温度传感器来确认温度差落入在预定的范围内。考虑此点，假设有效的是，在燃料电池系统的启动时执行上述操作。
当上述操作开始时，空气排出切断阀260关闭(步骤S10)。然后，空气压缩机240在特定的测量时段Ttst期间工作，并且记录通过压力传感器290i和290o以及空气流量计230测量的值(步骤S20)。
接下来，以测量时段Ttst积分由空气流量计230测量的值Fafm以基于通过空气供应流量测量的值来计算测量的传输空气量Vafm(步骤S30)。测量的传输空气量可以被视为根据本发明的方面的第一计算空气流量。
Vafm＝∫Fafm·dt      (1)
另外，从在测量时段(预定时段)Ttst期间的压力增加值Δp、系统容积Vfc以及大气压Pa来计算实际供应给系统容积的估计的供应量Vprs(步骤S40)。注意的是，系统容积Vfc可以容易地预先通过实验来测量。注意的是，估计的供应量Vprs可以被视为根据本发明的方面的第二计算空气流量。
Vprs＝Vfc×Δp÷Pa(101.4kPa)       (2)
然后，计算估计的供应量Vprs与传输空气量Vafm的比率A(步骤S50)。
A＝Vprs÷Vafm                      (3)
以该方式，计算的比率A对应于空气流量计230的误差，因此比率A存储为校正系数(步骤S60)，然后该操作结束。
之后，当燃料电池系统工作时，存储的校正系数A用于控制燃料电池系统。即，仅需要控制单元控制空气压缩机240的工作，使得通过空气流量计230测量的值Fafm变为通过下面的数学表达式表示的值，在表达式中，响应于燃料电池堆的工作状态要求的空气流量，即要求的空气流量是F。
Fafm＝F÷A                         (4)
如上所述，在诸如系统的启动时的各种时刻处计算与空气流量计230的误差相对应的校正系数A，并且控制单元能够使空气压缩机240工作，使得通过空气流量计230测量的值Fafm变为通过将期望的空气供应量乘以校正系数A而获得的测量值。这里，期望的空气供应量可以是期望的空气流量F。例如，从下一个控制开始，控制单元能够控制空气压缩机的工作，使得通过将由空气流量计测量的值乘以校正系数而计算的空气流量等于要求的空气流量。通过这样做，可以提供这样一种高性能的系统，其针对空气流量计230的物理变化、老化劣化等呈现稳定状态。
注意的是，上述实施例的组件之中，除了独立权利要求中记载的组件之外的组件是附加的组件并且可以适当地省略。另外，本发明的方面不限于上述实施例，其可以在不偏离本发明的范围的情况下以各种形式来实施。
在上述实施例中通过PV＝常数所表示的理想气体的状态的等式被用作用于计算估计的供应量Vprs的数学表达式(2)；替代地，可以使用通过(P+a/V2)(V-b)＝常数(状态的范德瓦耳斯方程)表达的真实气体的等式。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统(10)，其包括：
燃料电池，所述燃料电池通过使得燃料气体和氧化剂气体之间发生反应来生成电力；
空气压缩机(240)，所述空气压缩机(240)将用作所述氧化剂气体的空气供应到所述燃料电池；
切断阀(260)，所述切断阀(260)阻断作为从所述燃料电池排出的废气的空气以避免其排出到外部；
空气流量计(230)，所述空气流量计(230)测量供应到所述燃料电池的空气的流量；
压力传感器(290i，290o)，所述压力传感器(290i，290o)至少测量所供应的空气的压力；以及
控制单元(300)，所述控制单元(300)控制所述燃料电池的电力生成反应，其中，所述控制单元(300)基于通过所述空气流量计(230)所测量的值来计算第一计算空气流量，并且基于从所述空气压缩机(240)到所述切断阀(260)的系统容积、基于通过所述压力传感器(290i，290o)所测量的值而计算出的所述系统容积中的空气的压力增加值、以及大气压来计算第二计算空气流量，然后计算所述第二计算空气流量与所述第一计算空气流量的比率，
其中，所述控制单元(300)：
i)在所述切断阀(260)关闭的状态下使所述空气压缩机(240)工作一预定时间段，并且记录在所述预定时间段期间通过所述空气流量计(230)测量的值和通过所述压力传感器(290i，290o)测量的值，并且
ii)在所述预定时间段下对通过所述空气流量计(230)测量的值进行积分，从而计算出所述第一计算空气流量，以及
其中，所述控制单元(300)计算所述第二计算空气流量与所述第一计算空气流量的比率，从而计算出与通过所述空气流量计(230)测量的值的误差相对应的校正系数，然后控制所述空气压缩机(240)的工作，使得通过将由所述空气流量计(230)测量的值乘以所述校正系数所计算出的空气流量变为期望的空气流量。
2.一种用于燃料电池系统(10)的控制方法，所述燃料电池系统(10)包括：燃料电池，所述燃料电池通过使得燃料气体和氧化剂气体之间发生反应来生成电力；空气压缩机(240)，所述空气压缩机(240)将用作所述氧化剂气体的空气供应到所述燃料电池；切断阀(260)，所述切断阀(260)阻断作为从所述燃料电池排出的废气的空气以避免其排出到外部；空气流量计(230)，所述空气流量计(230)测量供应到所述燃料电池的空气的流量；以及压力传感器(290i，290o)，所述压力传感器(290i，290o)测量所供应的空气的压力，
所述控制方法包括：
基于通过所述空气流量计(230)测量的值来计算第一计算空气流量；
基于从所述空气压缩机(240)到所述切断阀(260)的系统容积、基于通过所述压力传感器(290i，290o)所测量的值而计算出的所述系统容积中的空气的压力增加值、以及大气压来计算第二计算空气流量；以及
计算所述第二计算空气流量与所述第一计算空气流量的比率，
所述控制方法进一步包括：
在所述切断阀(260)关闭的状态下使所述空气压缩机(240)工作一预定时间段，并且记录在所述预定时间段期间通过所述空气流量计(230)测量的值和通过所述压力传感器(290i，290o)测量的值，
在所述预定时间段下对通过所述空气流量计(230)测量的值进行积分，从而计算出所述第一计算空气流量，
计算所述第二计算空气流量与所述第一计算空气流量的比率，从而计算出与通过所述空气流量计(230)测量的值的误差相对应的校正系数，并且
控制所述空气压缩机(240)的工作，使得通过将由所述空气流量计(230)测量的值乘以所述校正系数而计算的空气流量变为期望的空气流量。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池系统(10)的控制方法，其中，
在所述燃料电池系统(10)的启动时执行所述控制方法。
4.根据权利要求2所述的用于燃料电池系统(10)的控制方法，其中，
当所述燃料电池与空气给排系统(200)之间的温度差低于或等于5℃时执行所述控制方法。
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