CN105609830A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统及其控制方法，提供一种即使在燃料电池的运转停止期间中的扫气处理因使用者的操作而中断的情况下也能够不给使用者造成不适感地使扫气处理再次开始的燃料电池系统。燃料电池系统(10)具备燃料电池(20)、向燃料电池供给气体的气体供给系统(30、40)、对气体供给系统(30、40)进行控制的控制装置(60)，控制装置(60)在燃料电池(20)的运转停止期间中，对气体供给系统(30、40)进行控制而使扫气处理执行，另一方面在扫气处理因使用者的操作而中断的情况下，在从中断时起经过规定时间之后对气体供给系统(30、40)进行控制而使扫气处理再次开始。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及其控制方法。
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。燃料电池是通过电化学工艺使燃料氧化，由此将伴随于氧化反应而放出的能量直接转换成电能的发电系统。当利用上述燃料电池系统进行发电时，因电化学反应而在燃料电池内部生成水分，但是该水分滞留在燃料电池内部的反应气体流路中，有时会妨碍反应气体的流动。而且，在冰点下等低温环境下使燃料电池系统运转时，残存于燃料电池的电极(催化剂层或扩散层)的内部的水分冻结，存在起动性能显著降低的情况。
为了解决这样以在燃料电池内部生成的水分为起因的各种问题，目前，提出了在燃料电池的运转停止时向反应气体流路供给干燥氧或干燥氢，由此进行使燃料电池内部的气体流路或燃料电池系统的阀等上附着的水分减少的扫气处理的技术(例如，参照专利文献1)。根据专利文献1记载的技术，能够根据环境温度或燃料电池温度来调整扫气处理的定时。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-211163号公报
发明内容
在实施专利文献1记载那样的燃料电池停止期间中的自动扫气处理的情况下，在规则上要求将通过使用者的操作而使自动扫气处理中断用的构造装入系统。这样在通过使用者的操作(例如点火装置的接通操作或罐盖的打开操作)而中断了自动扫气处理的情况下，在刚中断之后再次开始扫气处理时，使用者会感受到燃料电池系统进行了与自己的操作相反的处理这样的印象，可能会感觉到不适感。
本发明鉴于上述情况而作出，目的在于提供一种即使在燃料电池的运转停止期间中的扫气处理因使用者的操作而中断的情况下，也能够不给使用者造成不适感地再次开始扫气处理的燃料电池系统。
为了实现所述目的，本发明的燃料电池系统具备燃料电池、向燃料电池供给气体的气体供给系统及对气体供给系统进行控制的控制装置，其中，控制装置在燃料电池的运转停止期间中控制气体供给系统而执行扫气处理，在扫气处理由于使用者的操作而中断的情况下，在从中断时起经过规定时间之后控制气体供给系统而使扫气处理再次开始。
而且，本发明的控制方法是在燃料电池的运转停止期间中执行扫气处理的燃料电池系统的控制方法，在扫气处理因使用者的操作而中断的情况下，从中断时起经过规定时间之后使扫气处理再次开始。
当采用上述结构及方法时，在燃料电池的运转停止期间中执行的扫气处理因使用者的操作而中断的情况下，能够在从中断时起经过规定时间之后使扫气处理再次开始。因此，能够防止扫气处理在刚中断之后再次开始的情况，能够不给使用者造成不适感(使用者怀有燃料电池系统进行了与自己的操作相反的处理的印象)地执行扫气处理。
在本发明的燃料电池系统中，可以的是，所述燃料电池系统具备环境温度检测部，该环境温度检测部在燃料电池的运转停止期间中检测环境温度。在上述情况下，可以采用在由环境温度检测部检测到的环境温度小于规定温度的情况下执行扫气处理的控制装置。
当采用上述结构时，在燃料电池的运转停止期间中当环境温度降低(例如小于摄氏零度)的情况下能够自动地执行扫气处理。因此，在低温环境下能够减少运转停止中的燃料电池内部的水分量，能够防止伴随于环境温度的降低而燃料电池内部的水分冻结从而起动性降低这样的事态的发生。
在本发明的燃料电池系统中，可以采用根据由环境温度检测部检测到的环境温度来设定从由使用者的操作引起的扫气处理的中断到扫气处理的再次开始所需要的时间的控制装置。
当采用上述结构时，能够根据环境温度来设定从由使用者的操作引起的扫气处理的中断起到扫气处理的再次开始所需要的时间(扫气中断时间)。因此，例如，在环境温度比较低的情况下，能够将扫气中断时间设定得比较短而在比较早的时期使扫气再次开始，因此能够抑制与环境温度的降低相伴的燃料电池内部的水分的冻结。
在本发明的燃料电池系统中，可以采用根据特定的使用者的操作方式来设定从由使用者的操作引起的扫气处理的中断到扫气处理的再次开始所需要的时间的控制装置。
当采用上述结构时，能够根据使用者的操作方式来设定从由使用者的操作引起的扫气处理的中断到扫气处理的再次开始所需要的时间(扫气中断时间)。因此，在确定了假定使用者从操作场所比较早地离去这样的操作方式的情况(例如，使用者刚进行点火装置的接通操作而使扫气处理中断之后进行点火装置的切断操作的情况、或使用者刚进行罐盖的打开操作而使扫气处理中断之后进行罐盖的关闭操作的情况)下，能够将扫气中断时间设定得比较短而在比较早的时期使扫气再次开始。另一方面，在确定了假定使用者在操作场所停留比较长的时间这样的操作方式的情况(例如，使用者进行了点火装置的接通操作而使扫气处理保持中断的状态下规定时间以上未进行点火装置的切断操作的情况、或使用者进行罐盖的打开操作而使扫气处理保持中断的状态下规定时间以上未进行罐盖的关闭操作的情况)下，能够将扫气中断时间设定得比较长而延缓扫气的再次开始。
发明效果
根据本发明，能够提供一种即使在燃料电池的运转停止期间中的扫气处理因使用者的操作而中断的情况下，也能够不给使用者造成不适感地使扫气处理再次开始的燃料电池系统。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的结构的概略的说明图。
图2是用于说明本发明的实施方式的燃料电池系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
以下，参照各图，说明本发明的实施方式。需要说明的是，附图的上下左右等位置关系只要没有特别说明，就基于附图所示的位置关系。而且，附图的尺寸比率没有限定为图示的比率。而且，以下的实施方式是用于说明本发明的例示，并不是将本发明仅限定为该实施方式。此外，本发明只要不脱离其主旨，就可以进行各种变形。
首先，使用图1，说明本实施方式的燃料电池系统10的结构。燃料电池系统10作为例如搭载在作为移动体的燃料电池车辆上的车载电源系统起作用，具备：接受反应气体(燃料气体及氧化气体)的供给而发电的燃料电池20；用于将作为氧化气体的空气向燃料电池20供给的氧化气体供给系统30；用于将作为燃料气体的氢气向燃料电池20供给的燃料气体供给系统40；用于控制电力的充放电的电力系统50；对系统整体进行统一控制的控制装置60。
燃料电池20是将多个单电池串联地层叠而成的固体高分子电解质型电池组。在燃料电池20中，在阳极电极发生(1)式的氧化反应，在阴极电极发生(2)式的还原反应。作为燃料电池20整体而发生(3)式的起电反应。
H2→2H++2e-…(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O…(2)
H2+(1/2)O2→H2O…(3)
构成燃料电池20的单电池包括高分子电解质膜、阳极电极、阴极电极、分隔件。阳极电极及阴极电极从两侧夹持高分子电解质膜而形成三明治结构。分隔件由不透过气体的导电性构件构成，从两侧夹持阳极电极及阴极电极，并且在与阳极电极及阴极电极之间分别形成燃料气体及氧化气体的流路。
阳极电极及阴极电极分别具有催化剂层和气体扩散层。催化剂层具有载持了作为催化剂起作用的例如铂系的贵金属粒子的催化剂载持碳、高分子电解质。作为贵金属粒子的铂系的材料，可以使用例如金属催化剂(Pt、Pt-Fe、Pt-Cr、Pt-Ni、Pt-Ru等)。作为催化剂载持碳，可以使用例如碳黑。作为高分子电解质，可以使用质子传导性的离子交换树脂等。气体扩散层形成于催化剂层的表面且同时具有通气性和电子导电性，通过由碳纤维构成的线织成的碳布、碳纸或碳毡形成。
高分子电解质膜是由固体高分子材料例如氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜，在湿润状态下发挥良好的导电性。通过高分子电解质膜、阳极电极及阴极电极形成膜-电极组装体。
如图1所示，在燃料电池20上安装有用于检测燃料电池20的输出电压(FC电压)的电压传感器71、用于检测输出电流(FC电流)的电流传感器72。
氧化气体供给系统30具有向燃料电池20的阴极电极供给的氧化气体流动的氧化气体通路33、从燃料电池20排出的氧化废气流动的氧化废气通路34。在氧化气体通路33设有经由过滤器31从大气中取入氧化气体的空气压缩器32、用于隔断向燃料电池20的氧化气体供给的截止阀A1。在氧化废气通路34设有用于将氧化废气从燃料电池20的排出隔断的截止阀A2、用于调整氧化气体供给压的背压调整阀A3。
燃料气体供给系统40具有燃料气体供给源41、从燃料气体供给源41向燃料电池20的阳极电极供给的燃料气体流动的燃料气体通路43、用于使从燃料电池20排出的燃料废气向燃料气体通路43回流的循环通路44、用于将循环通路44内的燃料废气向燃料气体通路43进行压力输送的循环泵45、与循环通路44分支连接的排气排水通路46。
燃料气体供给源41例如由高压氢罐或储氢合金等构成，贮存高压(例如，35MPa至70MPa)的氢气。当打开截止阀H1时，燃料气体从燃料气体供给源41向燃料气体通路43流出。燃料气体通过调节器H2或喷射器42，例如减压至200kPa左右，向燃料电池20供给。
在循环通路44上连接有从循环通路44分支的排气排水通路46。在排气排水通路46配置有排气排水阀H3。排气排水阀H3按照来自控制装置60的指令而工作，由此将循环通路44内的含有杂质的燃料废气和水分向外部排出。
经由排气排水阀H3排出的燃料废气与在氧化废气通路34中流动的氧化废气混合，由未图示的稀释器稀释。循环泵45将循环系统内的燃料废气通过电动机驱动向燃料电池20循环供给。
电力系统50具有DC/DC转换器51、蓄电池52、牵引逆变器53、牵引电动机54、辅机类55。DC/DC转换器51具有使从蓄电池52供给的直流电压升压而向牵引逆变器53输出的功能、将通过燃料电池20发电的直流电力或通过再生制动而牵引电动机54回收的再生电力进行降压而向蓄电池52充电的功能。
蓄电池52作为剩余电力的贮存源、再生制动时的再生能量贮存源、燃料电池车辆的与加速或减速相伴的负载变动时的能量缓冲器等起作用。作为蓄电池52，优选使用例如镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。在蓄电池52安装有用于检测其剩余容量即SOC(Stateofcharge)的SOC传感器73。
牵引逆变器53例如是以脉冲宽度调制方式驱动的PWM逆变器，按照来自控制装置60的控制指令，将从燃料电池20或蓄电池52输出的直流电压转换成三相交流电压，对牵引电动机54的旋转转矩进行控制。牵引电动机54例如是三相交流电动机，构成燃料电池车辆的动力源。
辅机类55是在燃料电池系统10内的各部配置的各电动机、用于驱动这些电动机的逆变器类、以及各种车载辅机类(例如空气压缩器32、喷射器42、循环泵45、散热器、冷却水循环泵等)的总称。
控制装置60是具备CPU、ROM、RAM及输入输出接口的计算机系统，对燃料电池系统10的各部进行控制。例如，控制装置60当接收到从点火开关输出的起动信号IG时，使燃料电池系统10的运转开始，基于从油门传感器输出的油门开度信号ACC或从车速传感器输出的车速信号VC等，求出系统整体的要求电力。系统整体的要求电力是车辆行驶电力与辅机电力的合计值。
辅机电力包括由车载辅机类(空气压缩器32、循环泵45、冷却水循环泵等)消耗的电力、由车辆行驶所需的装置(变速器、车轮控制装置、转向装置、悬架装置等)消耗的电力、由配置在乘员空间内的装置(空调装置、照明器具、音频设备等)消耗的电力等。
控制装置60决定燃料电池20与蓄电池52的各自的输出电力的分配，以使燃料电池20的发电量与目标电力一致的方式控制氧化气体供给系统30及燃料气体供给系统40，并且控制DC/DC转换器51，调整燃料电池20的输出电压，由此来控制燃料电池20的运转点(输出电压、输出电流)。
在燃料电池系统10的运转时，在燃料电池20中，如上述的(1)式所示，在阳极电极生成的氢离子透过电解质膜向阴极电极移动，移动到阴极电极的氢离子如上述的(2)式所示，与向阴极电极供给的氧化气体中的氧发生电化学反应，使氧的还原反应产生，从而生成水。
而且，控制装置60与在燃料电池20的运转停止期间中检测环境温度的温度传感器(环境温度检测部)75连接。控制装置60接受由温度传感器75检测到的与环境温度相关的信息的输入，在燃料电池20的运转停止期间中执行扫气处理。具体而言，控制装置60在由温度传感器75检测到的环境温度小于规定温度(例如摄氏零度)的情况下，执行通过对空气压缩器32、截止阀A1、截止阀H1、调节器H2、喷射器42等进行驱动控制而向燃料电池20内供给气体(氧化气体及燃料气体)从而将燃料电池20内的水分向外部排出的“扫气处理”。控制装置60进行的扫气处理的持续时间(扫气持续时间)可以预先设定。
而且，控制装置60在扫气处理中检测到使用者的特定的操作(例如点火装置的接通操作或罐盖的打开操作)的情况下，以使扫气处理中断的方式控制截止阀A1或截止阀H1等。并且，控制装置60在通过使用者的操作而使扫气处理中断的情况下，在从中断时起经过规定时间之后使扫气处理再次开始。
本实施方式的控制装置60根据由温度传感器75检测的环境温度来设定从由使用者的操作引起的扫气处理的中断到扫气处理的再次开始为止所需要的时间(扫气中断时间)。例如，控制装置60在通过温度传感器75检测到的环境温度为规定的判定温度(例如摄氏零下30度)以上的情况下，将扫气中断时间设定为一定时间(例如10分钟)。另一方面，控制装置60在由温度传感器75检测到的环境温度低于上述判定温度的情况下，将扫气中断时间设定为比上述一定时间短的时间(例如5分钟)。
接下来，使用图2的流程图，说明与本实施方式的燃料电池系统10的扫气处理相关的控制方法。
在燃料电池系统10的通常运转时，从燃料气体供给源41将燃料气体经由燃料气体通路43向燃料电池20的阳极电极供给，并将氧化气体经由氧化气体通路33向燃料电池20的阴极电极供给，由此进行发电。此时，应从燃料电池20引出的电力(要求电力)由控制装置60运算，将与该发电量对应的量的燃料气体及氧化气体向燃料电池20内供给。在通常运转时，燃料电池20内成为湿润状态，因此当使运转停止时，燃料电池20内残留有水分。因此，在本实施方式中，为了抑制低温环境下的燃料电池20内的水分的冻结，在通常运转的停止期间中执行扫气处理。
首先，燃料电池系统10的控制装置60判定经由温度传感器75检测到的环境温度是否小于规定温度(环境温度判定工序：S1)。控制装置60在判定为检测到的环境温度小于规定温度的情况下，驱动空气压缩器32或喷射器42等而向燃料电池20内供给气体(氧化气体及燃料气体)，由此开始将燃料电池20内的水分向外部排出的扫气处理(开始扫气工序：S2)。另一方面，控制装置60在判定为检测到的环境温度为规定温度以上的情况下，不进行扫气处理而结束控制。
接着，控制装置60判定在扫气处理中使用者是否进行了特定的操作(例如点火装置的接通操作或罐盖的打开操作)(操作判定工序：S3)。控制装置60判定为在扫气处理中使用者进行了特定的操作的情况下，控制截止阀A1或截止阀H1等而使扫气处理中断(中断扫气工序：S4)。另一方面，控制装置60在扫气处理中未检测到使用者的特定的操作的情况下，继续进行扫气处理直至规定的结束条件满足为止(继续进行扫气工序：S5)。
在扫气处理中检测到使用者进行了特定的操作而使扫气处理中断的控制装置60判定扫气中断时间是否超过了预先设定的时间(例如根据由温度传感器75检测到的环境温度而设定的时间)(中断时间判定工序：S6)。并且，控制装置60在判定为扫气中断时间超过了规定时间的情况下，对空气压缩器32或喷射器42等进行再驱动而使扫气处理再次开始(再次开始扫气再次开始工序：S7)。
然后，控制装置60判定规定的结束条件是否满足(结束判定工序：S8)，在判定为结束条件不满足的情况下继续进行扫气处理。另一方面，控制装置60在判定为规定的结束条件满足的情况下，结束扫气处理。作为结束条件，可以采用(1)经过了预先设定的扫气持续时间(例如5分钟)、(2)由温度传感器75检测到的环境温度成为规定温度以上等。
在以上说明的实施方式的燃料电池系统10中，在燃料电池20的运转停止期间中执行的扫气处理因使用者的操作而中断的情况下，能够在从中断时起经过规定时间之后使扫气处理再次开始。因此，能够防止扫气处理在刚中断之后再次开始的情况，能够不给使用者造成不适感(使用者怀有燃料电池系统10进行了与自己的操作相反的处理这样的印象)地执行扫气处理。
而且，在以上说明的实施方式的燃料电池系统10中，在燃料电池20的运转停止期间中环境温度降低(例如小于摄氏零度)的情况下能够自动地执行扫气处理。因此，在低温环境下能够使运转停止中的燃料电池20内部的水分量减少，能够防止伴随于环境温度的降低而燃料电池20内部的水分冻结从而起动性降低这样的事态的发生。
而且，在以上说明的实施方式的燃料电池系统10中，能够根据环境温度来设定从由使用者的操作引起的扫气处理的中断到扫气处理的再次开始为止所需要的时间(扫气中断时间)。因此，在环境温度比较低的情况下，能够将扫气中断时间设定得比较短而在比较早的时期使扫气再次开始，因此能够抑制与环境温度的降低相伴的燃料电池20内部的水分的冻结。
需要说明的是，在本实施方式中，示出了根据环境温度而设定了扫气中断时间的例子，但是扫气中断时间的设定方法并不局限于此。例如，也可以是控制装置60确定使用者的操作方式，根据确定的使用者的操作方式来设定扫气中断时间。
当采用这样的结构时，能够根据使用者的操作方式来设定扫气中断时间。例如，在确定了假定使用者从操作场所比较早地离去那样的操作方式的情况(使用者刚进行点火装置的接通操作而使扫气处理中断之后进行了点火装置的切断操作的情况、或使用者刚进行罐盖的打开操作而使扫气处理中断之后进行了罐盖的关闭操作的情况)下，能够将扫气中断时间设定得比较短而在比较早的时期再次开始扫气。另一方面，在确定了假定使用者在操作场所滞留比较长的时间那样的操作方式的情况(例如，使用者进行点火装置的接通操作而使扫气处理保持中断的状态下规定时间以上未进行点火装置的切断操作的情况、或使用者进行罐盖的打开操作而使扫气处理保持中断的状态下规定时间以上未进行罐盖的关闭操作的情况)下，能够将扫气中断时间设定得比较长而延缓扫气的再次开始。
而且，在本实施方式中，例示了“燃料电池车辆”作为移动体，但是也可以在燃料电池车辆以外的各种移动体(机器人、船舶、飞机等)上搭载本发明的燃料电池系统。
本发明没有限定为以上的实施方式，本领域技术人员对该实施方式适当施加了设计变更的情况只要具备本发明的特征，就包含于本发明的范围。即，所述实施方式具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等没有限定为例示的情况而能够适当变更。而且，所述实施方式具备的各要素只要在技术上可能就可以组合，将它们组合后的结构只要包含本发明的特征，就包含于本发明的范围。
标号说明
10…燃料电池系统
60…控制装置
75…温度传感器(环境温度检测部)

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，具备燃料电池、向所述燃料电池供给气体的气体供给系统及对所述气体供给系统进行控制的控制装置，其中，
所述控制装置在所述燃料电池的运转停止期间中控制所述气体供给系统而执行扫气处理，在扫气处理由于使用者的操作而中断的情况下，在从中断时起经过规定时间之后控制所述气体供给系统而使扫气处理再次开始。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池系统具备环境温度检测部，该环境温度检测部在所述燃料电池的运转停止期间中检测环境温度，
所述控制装置在由所述环境温度检测部检测到的环境温度小于规定温度的情况下执行扫气处理。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
所述控制装置根据由所述环境温度检测部检测到的环境温度来设定从由使用者的操作引起的扫气处理的中断到扫气处理的再次开始所需要的时间。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述控制装置根据特定的使用者的操作方式来设定从由使用者的操作引起的扫气处理的中断到扫气处理的再次开始所需要的时间。
5.一种燃料电池系统的控制方法，在燃料电池的运转停止期间中执行扫气处理，其中，
在扫气处理由于使用者的操作而中断的情况下，在从中断时起经过规定时间之后使扫气处理再次开始。
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