CN104137316A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，具备燃料电池堆、压缩机、正极流路、从正极流路分支出来并绕过燃料电池堆的旁路流路、调整旁路流量的旁路阀、检测向堆供给的流量的堆流量传感器以及检测压缩机的吸入流量的压缩机流量传感器，该燃料电池系统包括控制部，该控制部具备：堆要求流量计算部，其根据燃料电池的状态来计算堆所需的流量；以及压缩机要求流量计算部，其计算在与上述要求不同的要求下压缩机应该流通的流量，其中，该控制部在压缩机要求流量大于堆要求流量的情况下，基于压缩机要求流量以及由压缩机流量传感器检测出的压缩机流量来控制压缩机，并且基于堆要求流量以及由堆流量传感器检测出的堆流量来控制旁路阀。

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
在JP2009-123550A的燃料电池系统中，操作正极压缩机使得向燃料电池堆供给的空气的流量为发电所需的目标流量。而且在正极压缩机要供给比发电所需的空气量多的空气时(用于避免浪涌的空气量)，压缩机供给大于发电所需的空气量的流量，并且使用旁路阀将对堆来说不需要的流量供给到旁路流路。
发明内容
在JP2009-123550A中，压缩机供给用于避免浪涌的流量，并且在旁路阀的控制中，通过设置于比旁路流路更靠下游的堆入口侧的空气流量传感器来检测向燃料电池堆供给的空气量，然后，对控制阀的开度进行反馈以使该流量成为堆的目标流量。在JP2009-123550A的控制中，压缩机的控制是开放式控制，因此存在压缩机流量比应该供给的流量多的担忧。
在这种情况下，也能够通过增大旁路阀的开度来使供给到堆的流量为堆的目标流量。然而，在压缩机的供给流量原本就多于用于避免浪涌的流量的情况下，在开放式控制下是无法减小该供给流量的，存在会增大压缩机的消耗电力的担忧。
本发明是着眼于这种以往的问题而完成的。本发明的目的在于提供一种能够防止压缩机的消耗电力无用地增大的燃料电池系统。
本发明的燃料电池系统的一个方式是如下燃料电池系统，其包括：燃料电池堆；正极压缩机，其供给正极气体；正极流路，其连接于上述燃料电池堆，流通上述正极气体；旁路流路，其从比上述燃料电池堆更靠上游的正极流路分支出来，绕过燃料电池堆；旁路阀，其设置于上述旁路流路，调整在旁路流路中流动的正极流量；堆流量传感器，其检测向上述燃料电池堆供给的正极流量；以及压缩机流量传感器，其检测被上述正极压缩机吸入的正极流量。而且，该燃料电池系统还包括控制部，上述控制部具备：堆要求流量计算部，其根据燃料电池的状态来计算堆所需的流量；以及压缩机要求流量计算部，其计算在与上述要求不同的要求下压缩机应该流通的流量，其中，在压缩机要求流量大于堆要求流量的情况下，上述控制部基于上述压缩机要求流量以及由压缩机流量传感器检测出的压缩机流量来控制上述正极压缩机，并且基于上述堆要求流量以及由堆流量传感器检测出的堆流量来控制上述旁路阀。
下面参照附图来详细说明本发明的实施方式、本发明的优点。
附图说明
图1是表示本发明的燃料电池系统的主要部分(正极气体系统)的图。
图2是表示本发明的燃料电池系统的第一实施方式的控制部的框图。
图3A是说明浪涌避免流量的图。
图3B是说明氢稀释流量的图。
图4是说明第一实施方式的作用效果的图。
图5是表示本发明的燃料电池系统的第二实施方式的控制部的框图。
图6是说明在发电电流上升时得到的第二实施方式的作用效果的时序图。
图7A是旁路阀闭合动作的控制流程图。
图7B是旁路阀闭合动作的控制流程图。
图8是说明在发电电流下降时得到的第二实施方式的作用效果的时序图。
具体实施方式
(第一实施方式)
图1是表示本发明的燃料电池系统的主要部分(正极气体系统)的图。
燃料电池系统1包括燃料电池堆10、正极压缩机20、旁路阀30以及空气压力调节阀40。
燃料电池堆10被供给正极(cathode)气体和负极(anode)气体来产生电力。
正极压缩机20加压输送空气。正极压缩机20设置于正极流路51。正极流路51连接于燃料电池堆10。正极压缩机20所加压输送的空气在正极流路51中流动。
旁路阀30设置于旁路流路52的中途。旁路流路52从比燃料电池堆10更靠上游的正极流路51分支出来，合流于比燃料电池堆10更靠下游的正极流路51。正极压缩机20所加压输送的空气的一部分(燃料电池堆10所不需要的剩余的空气)分支而流向旁路流路52。旁路阀30调整在旁路流路52中流动的正极流量。
空气压力调节阀40设置于比燃料电池堆10更靠下游且比旁路流路52的合流部更靠上游的正极流路51。空气压力调节阀40的开度越小，则正极流路51的压力越高。空气压力调节阀40的开度越大，则正极流路51的压力越低。
压缩机流量传感器61设置于比正极压缩机20更靠上游的正极流路51。该压缩机流量传感器61检测被正极压缩机20吸入的正极流量(压缩机吸入流量F1)。
压力传感器62和堆流量传感器63设置于比旁路流路52的分支部更靠下游且比燃料电池堆10更靠上游的正极流路51。压力传感器62检测燃料电池堆10的入口的正极压力(堆入口压力P)。堆流量传感器63检测向燃料电池堆10供给的正极流量(堆供给流量F2)。
此外，虽然省略了图示，但是也对燃料电池堆10供给负极气体(氢)。燃料电池堆10利用正极气体(氧)和负极气体(氢)来产生发电反应。没有在发电反应中消耗掉的废气(氢排气)混入比空气压力调节阀40更靠下游的正极流路51，被正极气体稀释而排出到大气。
图2是表示本发明的燃料电池系统的第一实施方式的控制部的框图。
本发明的燃料电池系统的控制部70包括二输入二输出FB控制部71、最大选择部72、压缩机FB控制部73以及旁路阀FB控制部74。
二输入二输出FB控制部71决定二输出(空气压力调节阀指令值和堆要求目标压缩机吸入流量)，使得二输入(堆供给流量F2和堆入口压力P)收敛为目标值(目标堆供给流量和目标堆入口压力)。具体地说，对二输入二输出FB控制部71设定将系统模型化所得的运算式，基于该运算式来运算空气压力调节阀指令值和堆要求目标压缩机吸入流量。此外，堆要求目标压缩机吸入流量相当于权利要求的“第二压缩机要求流量”。另外，目标堆供给流量和目标堆入口压力是基于对燃料电池堆要求的目标输出来设定的。
最大选择部72从堆要求目标压缩机吸入流量、浪涌避免流量以及氢稀释流量中选择最大值，设定为目标压缩机吸入流量。参照图3A和图3B来说明浪涌避免流量和氢稀释流量以及这样做的理由。
正极压缩机20是涡轮压缩机。涡轮压缩机具有如图3A所示的特性，在有可能产生浪涌的区域(浪涌区域)涡轮压缩机的运转被禁止。例如考虑以下情况：基于对燃料电池堆要求的目标输出而设定的运转点为P11(压缩机供给流量Q11，压缩机前后压力比r1)。该运转点P11存在于浪涌区域。当在这种运转点P11运转压缩机时，恐怕会产生浪涌。因此在这种情况下，需要以比基于对燃料电池堆要求的目标输出而设定的空气量Q11大的空气量Q12来运转压缩机，由此脱离浪涌区域。即，在这种情况下，空气量Q12是运转压缩机时的下限流量，该下限流量(压缩机下限流量)为浪涌避免流量。压缩机需要以大于该压缩机下限流量(浪涌避免流量)的流量来进行运转。
另外，在本发明的燃料电池系统中，如上所述，没有被发电消耗掉的废气(氢排气)被正极气体稀释而排出到大气。稀释所需的空气量如图3B所示。如果对燃料电池堆要求的输出电流为I1，则发电所需的空气量(应该向燃料电池堆供给的空气量)为Q21。与此相对，在对燃料电池堆要求的输出电流为I1时，稀释氢所需的空气量是Q22。因此在这种情况下，需要以大于发电所需的空气量Q21的空气量Q22来运转压缩机。即在这种情况下，空气量Q22是运转压缩机时的下限流量，该下限流量(压缩机下限流量)为氢稀释流量。压缩机需要以大于该压缩机下限流量(氢稀释流量)的流量来进行运转。
由于这种理由，最大选择部72从堆要求目标压缩机吸入流量、浪涌避免流量以及氢稀释流量中选择最大值，来设定为目标压缩机吸入流量。
此外，ΔQ1(＝Q12-Q11)是虽然为了避免浪涌而需要、但是在燃料电池堆的发电中会剩余的空气量。另外，ΔQ2(＝Q22-Q21)是虽然为了稀释氢而需要、但是在燃料电池堆的发电中会剩余的空气量。将这种剩余的空气供给到燃料电池堆有可能对燃料电池堆的运转性造成不良影响。因此，不将这种剩余的空气供给到燃料电池堆，而使其流向旁路流路52。
再次回到图2。
压缩机FB控制部73决定压缩机指令值，使得由传感器检测出的流量(压缩机吸入流量F1或堆供给流量F2)收敛为目标量(目标压缩机吸入流量)。具体地说，根据与传感器量相对于目标量(目标压缩机吸入流量)的偏差成正比的分量、对传感器量相对于目标量(目标压缩机吸入流量)的偏差进行时间积分运算所得的分量(积分分量)来进行反馈控制(PI控制)，从而决定压缩机指令值。此外，在要向燃料电池堆供给的正极流量小于上述压缩机下限流量的情况下(即需要使剩余的空气绕行的情况下)，压缩机FB控制部73决定压缩机指令值,使得压缩机吸入流量F1收敛为目标量(目标压缩机吸入流量)。另外，在要向燃料电池堆供给的正极流量大于上述压缩机下限流量的情况下(即没有剩余的空气而不需要绕行的情况下)，压缩机FB控制部73决定压缩机指令值，使得堆供给流量F2收敛为目标量(目标堆供给流量)。此外，在这种情况下，没有剩余的空气而不进行绕行，因此目标堆供给流量与目标压缩机吸入流量相等。
旁路阀FB控制部74决定旁路阀指令值，使得堆供给流量F2收敛为目标量(目标堆供给流量)。具体地说，根据与堆供给流量F2相对于目标量(目标堆供给流量)的偏差成正比的分量、对堆供给流量F2相对于目标量(目标堆供给流量)的偏差进行时间积分运算所得的分量(积分分量)来进行反馈控制(PI控制)，从而决定旁路阀指令值。
图4是说明第一实施方式的作用效果的图。
在比较方式(专利文献1的方式)中，如上所述，由于旁路阀、压缩机的性能偏差(个体偏差)等，导致旁路流量变大，为了填补该流量而如图4中虚线所示那样增加压缩机的供给流量。因而，压缩机的消耗电力会增大。
与此相对，在本实施方式中，在需要使剩余的空气绕行的情况下，压缩机FB控制部73决定压缩机指令值，使得压缩机吸入流量F1收敛为目标量(目标压缩机吸入流量)。然后，控制旁路阀使得堆供给流量F2收敛为目标量(目标堆供给流量)。这样，能够得到利用旁路阀和压缩机来操作堆供给流量的作用。能够防止使压缩机的供给流量无用地过大，并配合地打开旁路阀，因此能够防止压缩机的消耗电力无用地增大。
另外，在没有剩余的空气而不需要绕行的情况下，决定压缩机指令值使得堆供给流量F2收敛为目标量(目标堆供给流量)。通过这样，即使旁路阀产生偏差，也能够将堆供给流量控制为目标量。并且，能够得到以下作用：在堆供给流量接近目标量的同时，从压缩机供给的流量能够遵守下限值的约束。而且能够得到以下的良好效果：即使旁路阀产生偏差，也不会使压缩机的消耗电力增大，燃烧消耗率提高。
(第二实施方式)
图5是表示本发明的燃料电池系统的第二实施方式的控制部的框图。
在本实施方式中，如果规定的条件成立，则使旁路阀的开度变小。按照图5的控制框图来说明具体内容。
在本实施方式中，除了第一实施方式的控制模块以外，还包括用于实施旁路阀强制闭合控制的控制模块75。
旁路阀强制闭合控制75包括加法部751、条件判断部752、加法部753、条件判断部754以及强制闭合标志输出部755。
加法部751输出将压缩机下限流量与余量(margin)相加所得的值。此外，该余量不是必须的，另外关于余量的大小，也只要根据系统结构中使用的部件规格、传感器误差、求取堆要求压缩机流量的部分的控制设计结果来适当设定即可。
条件判断部752判断目标堆流量是否大于将压缩机下限流量与余量相加所得的值。如果判断结果是肯定，则条件判断部752将“1”作为输出1来输出。如果判断结果是否定，则条件判断部752将“0”作为输出1来输出。
加法部753输出将压缩机下限流量与余量相加所得的值。此外，该余量不是必须的，另外关于余量的大小，也只要根据系统结构中使用的部件规格、传感器误差、求取堆要求压缩机流量的部分的控制设计结果来适当设定即可。
条件判断部754判断堆要求压缩机流量是否大于将压缩机下限流量与余量相加所得的值。如果判断结果是肯定，则条件判断部754将“1”作为输出2来输出。如果判断结果是否定，则条件判断部754将“0”作为输出2来输出。
如果条件判断部752的输出1为“1”或条件判断部754的输出2为“1”，则强制闭合标志输出部755进行控制使得强制性地闭合旁路阀。如果条件判断部752的输出1为“0”且条件判断部754的输出2为“0”，则强制闭合标志输出部755解除旁路阀的强制性的闭合控制。
图6是说明发电电流上升时得到的第二实施方式的作用效果的时序图。
此外在图6中，特别以条件判断部752将“1”作为输出1来输出的情况进行说明。另外，基本上是循环地执行图2所示的控制。另外，为了易于理解附图，各线以相互错开而不重叠的方式来表示。
在时刻t11以前，对燃料电池堆要求的发电电流小(图6的(A))，实现发电电流所需的空气流量q12也少(图6的(C))。因而，可以压缩机的流量也较少，但是无法进行低于压缩机下限流量的运转。因此，压缩机以压缩机下限流量q11进行运转(图6的(B))。然后，使发电中剩余的流量q11-q12流向旁路流路(图6的(D))。
在时刻t11，对燃料电池堆要求的发电电流上升(图6的(A))，配合该上升，实现发电电流所需的空气流量的目标量(目标堆流量)上升而变为q13(图6的(C))，超过压缩机下限流量。由此，条件判断部752将“1”作为输出1来输出，旁路阀的强制闭合标志变为开启(ON)(图6的(E))，与不进行旁路阀闭合动作时相比，旁路阀通过流量能够以更短时间进行减少。
在时刻t11以后，由FB控制部生成压缩机指令值，使得堆供给流量追踪于目标量。因此，当堆供给流量与目标量的偏差大时，通过FB控制部的积分运算，随着时间推移而目标压缩机吸入空气流量变大(图6的(B))。
在时刻t12，堆供给流量达到目标量。因此，旁路阀、压缩机操作量不再变化而变为稳定状态。
此时，如果不执行图5所示的旁路阀强制闭合控制，则由于在时刻t11不执行旁路阀闭合动作，因此与执行旁路阀闭合动作的情况相比动作变慢。另外，在时刻t12，堆供给流量与目标值一致，因此压缩机流量的FB控制器的操作量不再变化(图6的(B)的虚线)。然后，会保持为旁路流量也大的状态(图6的(D)的虚线)。在这种状态下，压缩机的消耗电力也大(图6的(F)的虚线)。即，在这种状态下，压缩机的供给流量无用地过大，会使压缩机的消耗电力无用地增大。
与此相对，在本实施方式中，执行旁路阀强制闭合控制来避免保持旁路流量，旁路流量从而降低(图6的(D)的实线)。如上所述，基本上循环地执行图2所示的控制。即使变为好像会保持旁路流量的事态，也可以通过执行旁路阀强制闭合控制来使旁路流量降低。这会对堆供给流量、堆入口压力产生影响。当以此为契机来循环地执行图2的控制框图时，之后，旁路阀的开度会变小，旁路流量会降低。其结果，压缩机流量如图6的(B)中实线所示那样降低。因此，压缩机的消耗电力下降(图6的(F)的实线)，在时刻t13以后也变为压缩机的消耗电力低的状态，从而防止压缩机的消耗电力无用地增大。
此外，在旁路阀操作量0是闭合旁路阀、减少旁路流量的操作时，旁路阀闭合动作例如包括以下手法等：在旁路阀的强制闭合标志启动的情况下，使对旁路阀操作量进行运算的FB控制器的积分运算的上次值乘以小于1的倍率来忽略；进行校正，使得输入到FB控制器的偏差中的减少旁路阀通过流量的偏差以规定的比例增加、或者固定为规定的偏差、或者为规定的偏差以下。若将其表示为流程图则如图7A和图7B。
图8是说明发电电流下降时得到的第二实施方式的作用效果的时序图。
在时刻t21以前，对燃料电池堆要求的发电电流大(图8的(A))，实现发电电流所需的空气流量q22也大，超过了压缩机下限流量q21(图8的(B))。
在时刻t21，对燃料电池堆要求的发电电流减少(图8的(A))，配合该减少，实现发电电流所需的空气流量的目标量(目标堆流量)减少而变为q23，低于压缩机下限流量(图8的(B))。因而，可以压缩机的流量也较少，但是无法进行低于压缩机下限流量的运转。因此，压缩机以压缩机下限流量为目标压缩机吸入流量而进行运转(图8的(B))。
压缩机吸入流量(检测值)在时刻t22与目标压缩机吸入流量一致。此外，无需使正极气体绕行，因此旁路流量为零(图8的(C))，因而，堆供给流量(检测值)与压缩机吸入流量(检测值)一致。
若在堆供给流量达到目标量之后不执行图5所示的旁路阀强制闭合控制、而循环地执行图2的控制框图，则在时刻t23以后，如虚线所示的那样，目标压缩机吸入流量被维持为固定，由此有可能使原本不需要向堆供给的剩余的流量绕行。在这种状态下，压缩机的消耗电力也大(图8的(E)的虚线)。即，在这种状态下，压缩机的供给流量无用地过大，会使压缩机的消耗电力无用地增大。
与此相对，在本实施方式中，执行旁路阀强制闭合控制来使旁路流量必然维持为零。其结果，目标压缩机吸入流量如图8的(B)所示那样降低，使得堆供给流量达到目标量。因此，压缩机的消耗电力下降(图8的(E)的实线)。
在时刻t24堆供给流量达到目标量之后，也变为压缩机的消耗电力低的状态，从而防止压缩机的消耗电力无用地增大。
以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式只不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不在于将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体的结构。
例如，上述实施方式能够适当组合。
本申请基于2012年2月29日向日本专利局申请的特愿2012-43873、2012年3月1日向日本专利局申请的特愿2012-45739、2013年1月24日向日本专利局申请的特愿2013-11415要求优先权，通过参照将这些申请的全部内容引入本说明书中。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆；
正极压缩机，其供给正极气体；
正极流路，其连接于上述燃料电池堆，流通上述正极气体；
旁路流路，其从比上述燃料电池堆更靠上游的正极流路分支出来，绕过燃料电池堆；
旁路阀，其设置于上述旁路流路，调整在旁路流路中流动的正极流量；
堆流量传感器，其检测向上述燃料电池堆供给的正极流量；以及
压缩机流量传感器，其检测被上述正极压缩机吸入的正极流量，
该燃料电池系统还包括控制部，
上述控制部具备：
堆要求流量计算部，其根据燃料电池的状态来计算堆所需的流量；以及
压缩机要求流量计算部，其计算在与上述要求不同的要求下压缩机应该流通的流量，
其中，在压缩机要求流量大于堆要求流量的情况下，上述控制部基于上述压缩机要求流量以及由压缩机流量传感器检测出的压缩机流量来控制上述正极压缩机，并且基于上述堆要求流量以及由堆流量传感器检测出的堆流量来控制上述旁路阀。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在上述堆要求流量大于压缩机要求流量的情况下，上述控制部基于上述堆要求流量以及由上述堆流量传感器检测出的堆流量来控制上述正极压缩机。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
在上述堆要求流量变得大于上述压缩机要求流量时，强制性地对上述旁路阀进行闭阀控制。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述压缩机要求流量计算部还根据基于上述燃料电池的状态的堆要求空气量与实际堆流量的偏差来计算第二压缩机要求流量，并且
上述压缩机要求流量计算部以压缩机要求流量和上述第二压缩机要求流量中的大的流量来控制压缩机。
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