CN105633432A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：燃料电池；燃料气体路径，其被供给燃料并且允许燃料电池排出的燃料气体的一部分循环；向外部排出反应燃料气体的排出结构；使燃料气体循环的循环机构；以及控制单元，其被配置成：当判定排出机构的排出不正常时暂时地停止循环机构的燃料气体的循环，驱动循环机构使得当判定排出不正常并且与燃料气体路径中的水蒸汽相关的参数等于或者大于预定值时使燃料气体以第一循环速度循环，以及驱动循环机构使得当判定排出正常时使燃料气体以大于第一循环速度的第二循环速度循环。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池系统。

背景技术

燃料电池通过作为燃料的氢和包含氧作为氧化剂的空气之间的化学反应来生成电力。燃料电池系统可以使用循环机构使燃料电池排出的未反应的燃料气体(氢气)循环。在这种情况下，不仅氢气位于氢气循环导管中，氮气和水也位于氢气循环导管中。因此，诸如氮气和水的杂质随着操作的继续而聚集。因此，燃料电池系统通常具有在必要时从氢气排出导管排出气体和一部分水的排出机构以实现发电所需要的氢分压。

在低温起动时，例如在低于冰点起动时，留在燃料电池中的水等可能结冰并且阻塞一部分氢气排出导管。在这种情况下，当氢气导管是循环导管时，由于与燃料电池中的氧的化学反应使氢气减少，而未反应的氮气并未从氢气排出导管中排出，并且氮气在阻塞的氢气排出导管中积累并聚集。结果，氢分压降低，因此燃料电池的发电电压降低。当发电电压降低到负电压时，燃料电池会劣化。国际公开第2011/021301号公开了一种当燃料电池中的氢气导管被阻塞时停止用于使氢循环的泵的技术。泵的停止使氮的循环停止，防止氮流入到燃料电池中，并且减少了氢分压的降低。

发明内容

本发明的一个目的在于提供能够防止低温起动时的循环机构的结冰以及燃料电池的劣化的燃料电池系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池系统，包括：燃料电池；燃料供给源；连接到燃料电池的燃料气体路径，其被供给来自燃料供给源的燃料，并且允许从燃料电池排出的燃料气体的一部分通过其循环；排出机构，其将燃料电池中的反应之后的燃料气体排出到外部；循环机构，其被设置在燃料气体路径中并且使燃料气体循环；以及控制单元，其中当判定排出机构的排出不正常时，控制单元暂时地停止循环机构的燃料气体的循环，控制单元驱动循环机构，使得当判定排出机构的排出不正常并且与燃料气体路径中的水蒸汽相关的参数等于或者大于预定值时，以第一循环速度使燃料气体循环，以及控制单元驱动循环机构，使得当判定排出机构的排出正常时，以第二循环速度使燃料气体循环，第一循环速度小于第二循环速度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池系统，包括：燃料电池；燃料供给源；连接到燃料电池的燃料气体路径，其被供给来自燃料供给源的燃料，并且允许从燃料电池排出的燃料气体的一部分通过其循环；排出机构，其将燃料电池中的反应之后的燃料气体排出到外部；循环机构，其被设置在燃料气体路径中并且使燃料气体循环；温度检测单元，其被配置成检测冷却燃料电池的冷却剂的温度；以及控制单元，其中当判定排出机构的排出不正常时，控制单元暂时地停止循环机构的燃料气体的循环，控制单元驱动循环机构，使得当判定排出机构的排出不正常并且温度检测单元检测的冷却剂的温度等于或者大于预定温度时，以第一循环速度使燃料气体循环，以及控制单元驱动循环机构，使得当判定排出机构的排出正常时，以第二循环速度使燃料气体循环，第一循环速度小于第二循环速度。

附图说明

图1A是图示了根据第一实施例的燃料电池系统的框图，而图1B是图示了控制单元的配置的功能模块图；以及

图2图示了燃料电池系统执行的处理的流程图。

具体实施方式

在低温起动时，不仅氢气排出导管可能结冰，用于从循环路径排出诸如氮气和水的杂质的排出机构也可能结冰。排出机构的结冰使得难于从氢气循环导管中排出杂质。这样，氮气在循环导管以及燃料电池的电池中积累，并从而降低了氢分压。为了减少氢分压的降低，循环机构需要如国际公开第2011/021301号中所公开的那样停止。

然而，即使循环机构停止，在当氢气排出导管和排出机构结冰的同时燃料电池持续生成电力的情况下，发电所生成的一部水被蒸发。当循环机构停止时，水蒸汽不能被排出到大气。这样，在阻塞的导管中水蒸汽分压升高。当水蒸气分压升高时，即使在循环机构停止时水蒸汽也在氢气循环导管中扩散。当循环机构停止时，循环机构无法使温度充分地升高。因此，扩散的水蒸汽可能使循环系统结冰。

在下文中，将参考附图给出对本发明的实施例的描述。

第一实施例

图1A是图示了根据第一实施例的燃料电池系统100的框图。燃料电池系统100被安装在燃料电池车辆、电动车辆等中以用作供给用于驱动车轮的驱动电源的系统。如图1A中所图示，燃料电池系统100包括中央处理单元(CPU)10，燃料电池(FC)20，氢容器22以及散热器24(热交换器)。CPU10是控制单元的示例。氢容器22是燃料供给源的示例。

燃料电池20与空气供给导管30，空气排出导管32、燃料气体供给导管34以及燃料气体排出导管35连接。循环导管36连接在燃料气体供给导管34与燃料气体排出导管35之间。气液分离器37被设置在循环导管36中。燃料气体供给导管34、燃料气体排出导管35以及循环导管36形成允许氢气通过其循环的燃料气体路径。诸如氮气和水蒸汽的杂质以及氢气通过燃料气体路径循环。

燃料电池20还与冷却剂导管39连接。冷却水(冷却剂)通过冷却剂导管39流入到燃料电池20中，并且冷却燃料电池20。已经用于冷却的冷却水通过冷却剂导管39被供给到散热器24。冷却剂在散热器24中被冷却，并且被再次供给到燃料电池20。

阀40设置在空气排出导管32中，并且阀41设置在燃料气体供给导管34中。阀42设置在外部排出导管38中。阀40控制空气的流速。阀41控制燃料气体的流速。阀42用于将一部分燃料气体和杂质从燃料气体路径排出到外部。当阀42打开时，一部分燃料气体和杂质从燃料气体路径流向外部排出导管38以被排出到大气。

压力传感器48被设置在燃料气体排出导管35中，并检测燃料气体路径(燃料气体供给导管34、燃料气体排出导管35、循环导管36)中的压力。温度传感器50被设置在冷却剂导管39中靠近燃料电池20的出口处，并检测已经冷却燃料电池20的冷却水的温度(水温)。温度传感器50是温度检测单元的示例。水温与燃料电池20的温度相关。因此，当燃料电池20温度低时水温低，而当燃料电池20温度高时水温高。泵44被设置在循环导管36中。泵46被设置在冷却剂导管39中。泵44和46例如是罗茨泵、螺杆泵或者涡轮泵。

空气通过空气供给导管30从大气供给到燃料电池20的空气侧电极(氧化剂电极)。氢气储存在氢容器22中，并且通过燃料气体供给导管34供给到燃料电池20的氢侧电极(燃料电极)。燃料电池20使用作为燃料气体的氢气和包含氧作为氧化剂的空气生成电力。生成的电力被用在诸如用于使车辆行驶的电机、照明灯、空调以及音频装置的装置中。

燃料电池20中的反应之后的空气通过空气排出导管32被排出到外部。在反应中未使用的氢气从燃料气体排出导管35排出，经由循环导管36循环到燃料气体供给导管34中，并且再次被供给到燃料电池20。

由于比重不同，气液分离器37将诸如氮气和水的杂质与氢气分离。气液分离器37具有倾斜的底部，并且外部排出导管38与底部的最低部分连接。具有大比重的杂质在气液分离器37的下部中积累，并且排出到外部排出导管38。外部排出导管38与空气排出导管32连接，并且杂质从外部排出导管38通过阀42排出到外部。另一方面，具有小比重的氢气从气液分离器37流到循环导管36。少量杂质随氢气一起循环。

图1B是图示了CPU10的配置的功能模块图。如图1B中所图示，CPU10用作压力获取单元12、温度获取单元14、泵控制单元16以及阀控制单元18。压力获取单元12获取由压力传感器48检测的压力。另外，压力获取单元12基于发出打开阀42的指示之前的压力与发出该指示之后的压力之间的差(压力降低的量)来估计从阀42排出的量。温度获取单元14获取由温度传感器50检测的水温。泵控制单元16通过改变泵44的驱动状态(旋转速度)来调整燃料气体路径中的气体的循环量，并且还通过改变泵46的驱动状态来调整冷却水的流速。阀控制单元18改变阀40到42的打开/关闭状态。

当图1A中图示的阀42被打开时，燃料气体路径中的杂质从外部排出导管38排出到大气。然而，在低于结冰点起动时，阀42可能结冰并且被阻塞。在这种情况下，杂质并未被排出，因而燃料气体路径中的压力的降低量减小。在下面描述的处理是在低于结冰点起动时执行的处理。

图2是图示了燃料电池系统100执行的处理的流程图。如图2中所图示，阀控制单元18指示阀42打开(步骤S10)。

接着，压力获取单元12从压力传感器48获取压力P，并且基于阀打开指示之前和之后的压力的降低量以及氢消耗量估计从阀42排出的量(步骤S12)。

泵控制单元16判定估计的排出量(估计排出量)是否小于目标排出量(步骤S14)。在该步骤，判定阀42是否正常起作用(阀42的排出是否正常)。目标排出量是期望响应于阀打开指示实现的排出量。当在步骤S14的判定为否时，CPU10前往步骤S30。当在步骤S14的判定为是时，CPU10前往步骤S16。步骤S14的执行允许CPU10判定阀42是否失效。也就是说，当阀42未结冰时，阀42响应于步骤S10的阀打开指示而打开。这样，压力降低量增大，并且估计排出量变为目标排出量。另一方面，当阀42结冰时，阀42失效，因而不能打开或稍稍打开。因此，压力降低量减小，并且估计排出量变得小于目标排出量。

当步骤S14的判定为是时，泵控制单元14在步骤S16停止泵44。此时，通过燃料气体路径的氢气、氮气等的循环停止。

温度获取单元14获取温度传感器50检测的冷却水的温度(水温)T(步骤S18)。

泵控制单元16判定水温T是否等于或者大于预定温度T1(第一温度，例如30-40℃)(步骤S20)。当判定为否时，CPU10返回步骤S16。当判定为是时，CPU10前往步骤S22.

在步骤S22，泵控制单元16判定水温T是否小于温度T2(第二温度)。温度T2大于温度T1，并且例如是50℃。当判定为否时，CPU10前往步骤S30。当判定为是时，CPU10前往步骤S24。

在步骤S24，泵控制单元16以低旋转速度驱动泵44。泵44以低旋转速度旋转使得燃料气体路径中的气体循环速度变为第一循环速度。第一循环速度是水不能流入到燃料电池20中的循环速度，并且是燃料电池20中的氮的浓度落在可接受的范围内的循环速度以便阀42耗用估计的时间段恢复到正常(为了阀42解冻)。使氮的浓度在可接受的范围内使得氢分压处于有利水平。驱动泵44使氢气通过燃料气体路径循环并且将氢气泵浦到燃料电池20中。

压力获取单元12从压力传感器48获取压力P，并且基于压力降低量和氢消耗量估计排出量(步骤S26)。

泵控制单元16判定在步骤S26估计的估计排出量是否等于或者大于目标排出量(步骤S28)。在该步骤，判定阀42是否正常地起作用(排出是否正常)。当判定为否时，CPU10返回步骤S26。当判定为是时，CPU10前往步骤S30.

在步骤S30，泵控制单元16以高旋转速度驱动泵44。高旋转速度是氢气的流速变得最适合燃料电池20生成所需的电力的旋转速度。以高旋转速度驱动泵44使得循环速度变为大于第一循环速度的第二循环速度。第二循环速度例如是最适合燃料电池20生成所需的电力的循环速度。处理在步骤S30之后结束。

第一实施例在阀42的排出差时配置泵控制单元16暂时地停止泵44(图2的步骤S16)。这样，流入到燃料电池中氮气减少。相应地，氮分压的升高和氢分压的降低减少，并且因此减少了由于缺少氢气引起的的燃料电池20的发电电压的降低。然而，当泵44停止长时间段时，燃料电池20的发电所生成的水可能使泵44结冰。第一实施例在判定阀42失效并且冷却水的温度T等于或者大于T1并且小于T2时配置泵控制单元16驱动泵44(步骤S24)。因此，防止泵44结冰。此时，尽管水蒸汽和氮气流入到燃料电池20中，但是相比泵44停止的情况，泵44的旋转速度低。另外，随着燃料电池的温度一定程度的升高，阀42恢复正常操作所耗用的时间变短。因此，可以降低流入到燃料电池20中的水蒸汽和氮气的量直到阀42恢复到正常工作为止。因此，可以防止由于氢分压的降低造成的燃料电池20的劣化。也就是说，第一实施例能够防止燃料电池20的劣化以及泵44的结冰。

当估计排出量大于目标排出量时，泵控制单元16以高旋转速度驱动泵44(步骤S30)。当估计排出量大于目标排出量时，估计阀42解冻(阀42的排出是正常的)。因此，氮气和水从外部排出导管38正常地排出。因此，即使氮气和水蒸汽通过燃料气体路径循环，氢分压仍保持高的。另外，燃料电池20的温度升高到大于起动时的温度。这样，即使水渗入到燃料电池20中，也很难发生结冰。因此，尽管泵44以最适合燃料电池20生成所需的电力的高旋转速度旋转，也可以防止燃料电池20的劣化。如上所述，第一实施例能够防止低温起动时泵44的结冰以及燃料电池20的劣化并因此能够早期实现正常的工作状态。

当水在燃料电池20的温度低的情况下流入到燃料电池20中时，燃料电池20中的电池结冰。因此，在图2的步骤S24，泵控制单元16优选以实现水不能流入到燃料电池20中的循环速度的旋转速度驱动泵44。

通过在步骤S24的泵44旋转所实现的循环速度优选小于在步骤S30的循环速度，并且优选是根据阀42从失效恢复到正常状态所耗用的估计时间段计算出的氮的浓度在可接受范围内的循环速度。使氮的浓度在可接受范围内使得氢分压维持在80kPa或者更大。

在第一实施例中，当阀42的排出不正常，并且水温T等于或者大于T1并且小于T2时，以低旋转速度驱动泵44。当水温T等于或者大于T1并且小于T2时，估计超出预定量的水蒸汽将在燃料气体路径中扩散。泵44的驱动防止泵44的结冰。然而，配置并不限于第一实施例。也就是说，除水温T之外的参数可以被作用与水蒸汽相关的参数。例如，可以使用燃料气体路径中水蒸汽的量、水蒸汽分压、或者从燃料电池20生成的水蒸汽的量。当这些参数等于或者大于预定值时，以低旋转速度驱动泵44。可以提供用于测量前面提及的参数的传感器，并且CPU10可以从传感器获取这些参数。替选地，CPU10例如可以获取水温T或者从燃料电池20排出的气体的温度，并且根据这些温度判定与水蒸汽相关的参数是否等于或者大于预定值。可以使用两个或者更多个参数，或者可以使用前面提及的参数中的一个。

第一实施例在发出阀打开指示(排出指示)时根据压力P的降低量估计排出量，并且通过将估计排出量与目标排出量相比较来检测阀42的失效。然而，这并非旨在提出任何限制。例如，压力获取单元12可以获取在发出阀打开指示之后的压力P并判定压力P是否等于或者大于预定压力P1以检测阀42的失效。作为阈值的压力P1是估计阀42的排出正常时的压力。也就是说，当阀42未结冰时，阀42响应于阀打开指示打开，根据阀打开指示如所期望的那样进行排出，因而压力P降低至小于P1。另一方面，当阀42结冰时，阀42失效，因而不能打开或者稍稍打开。因此，排出量变得小于期望的排出量，因而压力P变得等于或者大于高的P1。替选地，当温度传感器50检测的水温T超出了预定阈值(例如，前面提及的温度T2)时，可以判定阀42正常地操作。阈值T2是估计阀42解冻的温度。

水蒸汽分压在30℃-40℃急剧增加。这种增加可能使水蒸汽扩散遍及整个燃料气体路径，并且相应地泵44可能结冰。因此，温度T1优选设定为30℃-40℃。在水温T变得等于或者大于T1的时刻驱动泵44防止泵的结冰。温度T1和T2可以从前面提及的值改变。

温度传感器50优选位于比冷却剂导管39的散热器24更上游的位置，并且特别地优选位于燃料电池20的冷却水的出口附近。这是因为可以在冷却水使用之后立即检测其温度。

例如可以将喷射器(ejector)用作氢的循环机构，而不是泵44。当使用喷射器时，CPU10控制氢容器22的氢供给速率以及喷射器的开度以改变循环速度。可以使用除阀42外的排出机构。

尽管已经详细地描述了本发明的一些实施例，但本发明并不限于特定的实施例而是可以在要求保护的本发明的范围内变化或改变。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池；

燃料供给源；

连接到所述燃料电池的燃料气体路径，所述燃料气体路径被供给来自所述燃料供给源的燃料，并且允许从所述燃料电池排出的燃料气体的一部分通过其循环；

排出机构，所述排出机构将所述燃料电池中的反应之后的燃料气体排出到外部；

循环机构，所述循环机构被设置在所述燃料气体路径中并且使所述燃料气体循环；以及

控制单元，其中

当判定所述排出机构的排出不正常时，所述控制单元暂时地停止所述循环机构的所述燃料气体的循环，

所述控制单元驱动所述循环机构，使得当判定所述排出机构的排出不正常并且与所述燃料气体路径中的水蒸汽相关的参数等于或者大于预定值时，以第一循环速度使所述燃料气体循环，以及

所述控制单元驱动所述循环机构，使得当判定所述排出机构的排出正常时，以第二循环速度使所述燃料气体循环，所述第一循环速度小于所述第二循环速度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：

温度检测单元，所述温度检测单元被配置成检测冷却所述燃料电池的冷却剂的温度，其中

当所述温度检测单元检测的冷却剂的温度等于或者大于第一温度时，所述控制单元判定与所述燃料气体路径中的水蒸汽相关的所述参数等于或者大于所述预定值，并且当所述冷却剂的温度小于第二温度时，所述控制单元判定所述排出机构的排出不正常，其中所述第二温度大于所述第一温度。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，还包括：

压力传感器，所述压力传感器被配置成检测所述燃料气体路径中的压力，其中

在向所述排出机构发出排出反应之后的燃料气体的指示时，所述控制单元基于在打开阀之前和之后的预定时间段内的所述燃料气体路径中的压力的降低量来判定所述排出机构的排出是否正常。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池系统，其中

所述控制单元判定所述第一循环速度，使得根据所述排出机构的排出变为正常所耗用的估计的时间段计算出的氮的浓度落在可接受的范围内。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池系统，其中

所述排出机构是阀，

所述循环机构是泵，以及

所述控制单元将所述泵的旋转速度设定成第一旋转速度以实现所述第一循环速度，以及将所述泵的旋转速度设定成第二旋转速度以实现所述第二循环速度。

6.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池；

燃料供给源；

连接到所述燃料电池的燃料气体路径，所述燃料气体路径被供给来自所述燃料供给源的燃料，并且允许从所述燃料电池排出的燃料气体的一部分通过其循环；

排出机构，所述排出机构将所述燃料电池中的反应之后的燃料气体排出到外部；

循环机构，所述循环机构被设置在所述燃料气体路径中并且使所述燃料气体循环；

温度检测单元，所述温度检测单元被配置成检测冷却所述燃料电池的冷却剂的温度；以及

控制单元，其中

当判定所述排出机构的排出不正常时，所述控制单元暂时地停止所述循环机构的所述燃料气体的循环，

所述控制单元驱动所述循环机构，使得当判定所述排出机构的排出不正常并且所述温度检测单元检测的所述冷却剂的温度等于或者大于预定温度时，以第一循环速度使所述燃料气体循环，以及

所述控制单元驱动所述循环机构，使得当判定所述排出机构的排出正常时，以第二循环速度使所述燃料气体循环，所述第一循环速度小于所述第二循环速度。