CN106299403A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统。当实际输出值小于输出指令值时(在S310中为是)，电流指令值被增加(S320)。当实际输出值等于或大于输出指令值时(在S310中为否)，确定实际输出值是否在死区范围内(S330)。当实际输出值在死区范围之外时(在S330中为否)，电流指令值被减小(S340)。当实际输出值在死区范围内时(在S330中为是)，电流指令值被维持。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池。
背景技术
存在如下已知技术，其中当要求燃料电池的预热操作时在低效率操作点操作燃料电池(参见日本专利申请公开No.2007-184243(JP2007-184243A))。根据JP2007-184243A中描述的技术，为了在低效率操作点操作燃料电池，通过使用转换器减小生成电压，并降低通过空气压缩机供给的阴极气体的供给量。通过该控制，操作点被改变而输出保持恒定，从而使燃料电池转变到预热操作。
关于上述燃料电池，并未充分考虑预热操作的稳定持续。例如，当在预热操作持续期间改变输出时，转换器和空气压缩机被控制成改变燃料电池的操作点。例如，在转换器被配置成受控制使得生成电流接近目标值，当输出增加时生成电流的目标值增加，并且当输出减小时生成电流的目标值减小。与转换器的控制并行地，通过空气压缩机供给的阴极气体的供给量被调节成使得实现目标输出。已知的是，在燃料电池中，当被供给的氢气和氧气的量恒定时，生成电流和生成电压呈现特定的相关性。以下，该相关性将被称为“I-V特性”。
通过空气压缩机供给的阴极气体的供给量的控制在响应性上比通过转换器的控制低。因此，在一些情况下，在通过转换器对生成电流的控制是主要控制的情形下操作点被改变。
应当注意的是，取决于燃料电池的操作点，生成电流的减小可能导致输出反而上升(将参考图4描述细节)。因此，当仅通过减小发电电流而减小输出以减小来自这样的操作点的输出时，操作点被改变成如下操作点，在该操作点处，生成电流低于输出达到峰值的操作点处的生成电流。一般，I-V特性呈现以下趋势：在生成电流低的区域中，生成电流越低，生成电压越高。因此，当操作点以上述方式改变时，生成电压变得更高。另一方面，如后面详细描述的，当生成电压高时，发热量小。因此，当操作点以上述方式改变时，发热量变小并且因此预热操作被中断。
发明内容
本发明提供用于在不中断的情况下稳定地持续预热操作的技术。
本发明的一个方面涉及一种燃料电池系统，其包括：燃料电池，所述燃料电池接收阳极气体和阴极气体以生成电力；负载，所述负载消耗由燃料电池生成的电力；二次电池，所述二次电池存储由燃料电池生成的电力；压缩机，所述压缩机将阴极气体供给到燃料电池；转换器，所述转换器控制燃料电池的生成电流；和控制器，所述控制器被配置成ⅰ)基于从负载和二次电池获得的信息计算输出指令值，输出指令值是指示对燃料电池要求的要求输出的值，ⅱ)控制压缩机使得燃料电池的输出接近所计算的输出指令值，ⅲ)确定电流指令值，电流指令值是燃料电池的生成电流的目标值，并且ⅳ)根据所确定的电流指令值控制转换器。控制器被配置成，在通过相对于阳极气体的供给量降低阴极气体的供给量来减小燃料电池的电力生成效率的低效率电力生成操作期间，v)在燃料电池的输出比所计算的输出指令值大等于或大于预定值的量的条件和燃料电池的输出小于输出指令值的条件中的一个条件被满足的第一状态下，将被计算为使得燃料电池的输出接近所计算的输出指令值的电流值确定为电流指令值，并且vi)在燃料电池的输出比所计算的输出指令值大小于预定值的量的第二状态下，将在紧邻在前的第一状态中计算的电流值确定为电流指令值。
根据上述方面，在低效率电力生成操作期间，当燃料电池的输出比输出指令值大小于预定值的量时，电流指令值被维持。因此，能够避免如下情形，即燃料电池被转变成发热量低的高效率操作，以消除燃料电池的输出比输出指令值大小于预定值的量的状态。
除上述模式之外，本发明还可以其它各种模式实施。例如，本发明可以以如下模式实施，诸如用于燃料电池的预热方法、用于施行该方法的计算机程序和其中存储该计算机程序的非临时存储介质。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中
图1是示意性示出燃料电池系统的配置的图；
图2是示意性示出燃料电池系统的电气配置的图；
图3是示出燃料电池的I-V特性的曲线图；
图4是示出燃料电池的输出电流特性的曲线图；并且
图5是示出电流指令值确定过程的流程图。
具体实施方式
图1是示意性示出燃料电池系统100的配置的图。燃料电池系统100包括燃料电池10、控制器20、阴极气体供给器30、阴极气体排出器40、阳极气体供给器50、阳极气体循环排出器60和冷却剂供给器70。
燃料电池10是接收氢气(阳极气体)和空气(阴极气体)的聚合物电解质燃料电池，这些气体被供给到燃料电池作为反应气体，以生成电力。燃料电池10具有包括堆叠在一起的多个(例如400个)单电池11的堆叠结构。每个单电池11包括膜电极组件和两个分隔物。膜电极组件是电力生成体，其包括电解质膜和布置在电解质膜的各个表面上的电极。膜电极组件被保持在两个分隔物之间。
电解质膜由固体聚合物薄膜构成，其在湿润状态下呈现良好的质子传导性。电极由碳制成。用于促进电力生成反应的铂催化剂被支撑在电极的电解质膜侧表面上。每个单电池11设有用于反应气体和冷却剂的歧管(未示出)。在歧管中的反应气体通过设置在单电池11中的气体通道被供给到每个单电池11的电力生成区域。
控制器20控制燃料电池系统100的部件，这将在下面描述，从而使得燃料电池10生成电力。
阴极气体供给器30包括阴极气体管道31、空气压缩机32和分流阀34。阴极气体管道31是连接到燃料电池10的阴极侧的管道。空气压缩机32通过阴极气体管道31连接到燃料电池10。空气压缩机32吸入外部空气并将其压缩，然后将压缩空气作为阴极气体供给到燃料电池10。空气压缩机32的旋转速度被控制成使得通过电力生成获得的输出值(以下，称为“实际输出值”)接近输出指令值，从而控制阴极气体的流量(flow rate)。输出指令值被用作从燃料电池10的输出的目标值。输出指令值由包括在控制器20中的输出指令值计算器22基于例如来自负载200的请求确定。
分流阀34被布置在空气压缩机32与燃料电池10之间。此外，分流阀34被连接到旁通35。旁通35是将分流阀34连接到阴极排气管道41(随后描述)的流动通道。当来自空气压缩机32的压缩空气被供给到燃料电池10时，分流阀34中断朝向旁通35的空气流，并提供阴极气体管道31的上游侧和下游侧之间的连通。另一方面，当来自空气压缩机32的压缩空气不被供给到燃料电池10时，分流阀34中断朝向阴极气体管道31的下游侧的空气流，并且提供阴极气体管道31的上游侧和旁通35之间的连通。
阴极气体排出器40包括阴极排气管道41和压力调节阀43。阴极排气管道41是连接至燃料电池10的阴极侧的管道。阴极排气通过阴极排气管道41被排出到燃料电池系统100的外部。压力调节阀43调节流经阴极排气管道41的阴极排气的压力(燃料电池10的背压)。
阳极气体供给器50包括阳极气体管道51、氢气罐52、开闭阀53、调节器54和喷射器55。氢气罐52通过阳极气体管道51连接到燃料电池10的阳极侧。氢气从罐供给到燃料电池10。
开闭阀53、调节器54和喷射器55从上游侧(即，接近氢气罐52的那侧)被按此顺序布置在阳极气体管道51上。开闭阀53在来自控制器20的指令下打开和关闭，从而调节氢气从氢气罐52到喷射器55的上游侧的流入。调节器54是减压阀，其调节在喷射器55的上游侧的氢气的压力。
喷射器55是电磁驱动的开闭阀，包括基于由控制器20设定的驱动周期和阀打开时段电磁驱动的阀元件。通过控制喷射器55的驱动周期和阀打开时段，控制器20控制要供给到燃料电池10的氢气量。
阳极气体循环排出器60包括阳极排气管道61、气液分离器62、阳极气体循环管道63、氢气循环泵64、阳极排水管道65和排水阀66。阳极排气管道61是将燃料电池10的阳极出口连接到气液分离器62的管道。阳极排气管道61将含有未反应气体(例如氢气和氮气)的阳极排气引导到气液分离器62，其中该未反应气体尚未用于为电力生成进行反应。
气液分离器62被连接到阳极气体循环管道63和阳极排水管道65。气液分离器62将阳极排气中所含的气体成分和水彼此分离。气液分离器62将气体成分引导到阳极气体循环管道63，并将水引导到阳极排水管道65。
阳极气体循环管道63在喷射器55的下游位置处被连接到阳极气体管道51。氢气循环泵64被布置在阳极气体循环管道63上。在气液分离器62中与水分离的气体成分中所含的氢气通过氢气循环泵64发送到阳极气体管道51。以这种方式，在燃料电池系统100中，阳极排气中所含的氢气被循环以被再次供给到燃料电池10。结果，氢气使用效率提高。
阳极排水管道65是通过其将在气液分离器62中与气体成分分离的水排出到燃料电池系统100的外部的管道。排水阀66被布置在阳极排水管道65上。排水阀66在来自控制器20的指令下打开和关闭。控制器20通常在燃料电池系统100操作期间保持排水阀66关闭，并且以预先设定的预定排水定时或以用于排出阳极排气中所含的惰性气体的定时打开排水阀66。
冷却剂供给器70包括冷却剂管道71、散热器72和冷却剂循环泵73。冷却剂管道71是将设置在燃料电池10中的冷却剂入口歧管和冷却剂出口歧管连接的管道。用于冷却燃料电池10的冷却剂通过冷却剂管道71循环。散热器72被布置在冷却剂管道71上。散热器72执行外部气体和流经冷却剂管道71的冷却剂之间的热交换，从而冷却冷却剂。
冷却剂循环泵73在散热器72下游的位置(在散热器72和燃料电池10的冷却剂入口之间的位置)被布置在冷却剂管道71上。冷却剂循环泵73将散热器72中冷却的冷却剂发动到燃料电池10。
图2是示意性示出燃料电池系统100的电气配置的图。除上述部件诸如控制器20之外，燃料电池系统100还包括二次电池81、FDC 82、DC-AC逆变器83、BDC 85、单电池电压测量装置91和电流测量装置92。
单电池电压测量装置91被连接到燃料电池10的每个单电池11以测量每个单电池11的电压(单电池电压)。单电池电压测量装置91将测量结果输送到控制器20。电流测量装置92测量由燃料电池10生成的电流的值，并且将生成电流的值输送到控制器20。
FDC 82和BDC 85是被配置为DC/DC转换器的电路。基于从包括在控制器20中的电流指令值确定器24输送的电流指令值，FDC 82控制由燃料电池10生成的电流。电流指令值被用作由燃料电池10生成的电流的目标值。电流指令值由控制器20确定。另外，FDC 82变换生成电压并将生成电压供给到DC-AC逆变器83，并且测量生成电压的值，并将该值输送到控制器20。在控制器20的控制下，BDC 85控制二次电池81的充电和放电。二次电池81被配置为锂离子电池，并且用作用于燃料电池10的辅助电源。
DC-AC逆变器83被连接到燃料电池10和负载200。DC-AC逆变器83将从燃料电池10和二次电池81获得的直流电力转换成交流电力，并将该交流电力供给到负载200。在负载200中生成的再生电力由DC-AC逆变器83转换成直流电力，并且BDC 85将该直流电力充电到二次电池81。当计算输出指令值时，除负载200之外，输出指令值计算器22还考虑二次电池81的充电状态(SOC)。
接着，将描述快速预热。快速预热是通过在低效率电力生成条件(随后描述)下操作燃料电池10来升高燃料电池10的温度的操作模式。快速预热通过相对于阳极气体的供给量减小阴极气体的供给量来实现。快速预热将参考图3和图4进行描述。
图3是示出燃料电池10的I-V特性的曲线图。曲线1v示出阴极气体的流量是流量F1(以下，“流量”意指阴极气体的流量)的情况，曲线2v示出流量是流量F2(F2>F1)的情况，并且曲线3v示出流量的流量F3(F3>F2)的情况。阳极气体的流量足够高，并且确保阳极气体在量上对于电力生成是足够的。
图4是示出燃料电池10的燃料电池的输出电流特性的曲线图。曲线1p示出流量是流量F1的情况，曲线2p示出流量是流量F2的情况并且曲线3p示出流量是流量F3的情况。
如图4所示，在输出指令值指示输出P0并且流量是流量F2的情况下，理论上，当操作点被调节到电流I0(操作点A1)和电流I0′(操作点A2)中的一个时，实际输出值变得等于输出指令值。
燃料电池10的发热量随着生成电压接近发热基准电压而减小。这是因为，发热量的理论值由下述表达式(1)来计算。
发热量＝(发热基准电压-生成电压)×生成电流(1)
在此，发热基准电压是以电压形式表达的、从氢气和氧气之间的反应中的焓变计算的能量，并且发热基准电压由通过将该焓除以法拉第常数与氢的电子数之和获得的值表达。一般，发热基准电压呈现比开路电压OCV高的值。
另一方面，在快速预热中，通过将操作点调节到电流I0，发热量增加并且燃料电池10的温度升高。电流I0相对于与曲线2p的峰值对应的电流值在更高的电流侧。另外，在电流I0下，生成电压低于与曲线2p的峰值对应的生成电压。
如在图3和图4所示，在操作点A1，生成电压是下限电压Vmin。FDC 82被配置成控制生成电流使得生成电压不下降到下限电压Vmin以下。在操作点A1用于执行快速预热的生成电压是下限电压Vmin的原因在于，生成电压被尽可能降低，以增加发热量。流量F2是由用于在下限电压Vmin的条件下实现输出P0的控制获得的流量。由于这样的控制，在实际输出值接近输出指令值的同时，确保了预热所要求的发热量。
下面将更详细地描述上述控制。图5是示出电流指令值确定过程的流程图。控制器20的电流指令值确定器24在燃料电池10的快速预热期间重复执行电流指令值确定过程。
首先，将电流指令值确定器24确定实际输出值是否小于输出指令值(S310)。当实际输出值小于输出指令值时(在S310中为是)，电流指令值被增加使得实际输出值接近输出指令值(S320)，并且电流指令值确定过程结束。其中电流指令值被增加的情况将参考图3和图4进行描述。
如图4所示的其中实际输出值是在操作点A1的输出P0并且输出指令值是输出P1(输出P1>输出P0)的情况将被作为示例描述。在操作点A1，生成电压是下限电压Vmin。因此，当即使在电流指令值增加的情况下也维持流量时，FDC 82不能增加生成电流。然而，当空气压缩机32增加流量时，对应于下限电压Vmin的生成电流逐渐增加。当操作点以这种方式达到操作点B时，输出P1被实现。
另一方面，当实际输出值等于或大于输出指令值时(在S310中为否)，电流指令值确定器24确定实际输出值是否在死区(dead band)范围内(S330)。死区将参考图4描述。如果输出指令值是输出P2，则死区的下限是输出P2并且死区的上限是输出(P2+Pth1)。输出Pth1是正输出值。即，仅相对于输出指令值在正侧设定死区。需要注意的是，虽然输出Pth1是比输出P2小得多的值，但为了可视化，输出Pth1在图4中被指示为比其实际值大的值。
当实际输出值在死区范围之外时(在S330中为否)，电流指令值减小，使得实际输出值接近输出指令值(S340)，然后电流指令值确定过程结束。其中，实际输出值在死区范围之外的情况可被视为其中实际输出值比输出指令值大等于或大于预定值Pth1的量的情况。其中电流指令值减小的情况将参考图3和图4进行描述。
如图4所示的其中实际输出值是输出P1(操作点B)且因此在死区之外并且输出指令值是输出P2(输出P2<输出P1)的情况将被作为示例进行描述。在这种情况下，为了实现输出P2同时维持用于快速预热的下限电压Vmin，如图4所示，通过将阴极气体的流量调节到(曲线1p上的)流量F1并且将电流指令值设定到电流I2a，将操作点调节到操作点C1。
然而，流量控制在响应性上低于电流控制。因此，在操作点由于流量减小而从操作点B转变到操作点C1之前，FDC 82减小生成电流。结果，在流量几乎不从流量F3变化的同时，实际操作点接近与流量F3和输出P2对应的操作点C2。然而，由于死区被设定，所以如图4所示，当操作点达到实现输出(P2+Pth1)的操作点C3(电流I2b)时，生成电流的减小停止。
在操作点C3的生成电压是电压V3(图3)，并且是接近开路电压OCV的值。由此，发热量小。然而，当实际输出值在死区之外时，实际输出值与输出指令值之间的差大。因此，比快速预热更高的优先级被给予输出值的控制，并如上所述地控制输出值。
另一方面，当实际输出值在死区范围内时(在S330中为是)，电流指令值被维持不被减小(S350)，然后电流指令值确定过程结束。当实际输出值在死区范围内时(在S330中为是)，即使实际输出值不与输出指令值一致，紧邻在前的S320或S330中计算的电流指令值也被维持，而不计算用于使实际输出值接近输出指令值的电流指令值。在本实施例中，由于死区仅被设定在相对于输出指令值的正侧，所以实际输出值大于输出指令值。
其中实际输出值在死区范围内的情况可被看作是其中实际输出值比输出指令值大小于预定值Pth1的量的情况。其中，实际输出值在死区范围内的情况将参考图3和图4进行描述。
如图4所示的其中实际输出值是输出P0(操作点A1)，输出指令值是输出P2并且(P2+Pth1)>P0>P2的情况，将被作为示例进行描述。在这种情况下，由于电流指令值被维持，所以实际输出值或生成电压的突然上升被避免。需要注意的是，即使当电流指令值的降低被如上所述避免时，通过空气压缩机32所实现的流量也可以在实际输出值和输出指令值之间存在差异的条件下发生变化，因此，操作点也可以变化。
如上所述，当即使实际输出值大于输出指令值也维持电流指令值时，生成剩余电力。剩余电力被储存在二次电池81中。因此，即使当如上所述设定死区时，燃料电池系统100的操作也不会受到不利影响。
当实际输出值等于输出指令值，在S330中得到肯定的判定。因此，在这种情况下，也能够通过保持电流指令值，保持实际输出值等于输出指令值的状态。
根据上述实施例，即使当实际输出值大于输出指令值时，只要实际输出值与输出指令值之间的差等于或小于输出Pth1，电流指令值也被维持。因此，能够避免生成电压被显著升高以使输出值略微减小并从而使快速预热中断的情况。另外，死区不相对于输出指令值设定在负侧。因此，在输出被升高的情况下，响应性不会降低。
本发明并不限定于本说明书中的实施例，并且可以本发明范围内的各种其它实施例来实施。
流量可以基于除输出值以外的值来控制。例如，该控制可以被执行成使得，当电流指令值增加时流量增加，当电流指令值减小时流量减小。在这种情况下，当维持电流指令值时，流量也被维持，因此，操作点也被保持。
输出指令值的确定、要提供给FDC的电流指令值的确定和将通过空气压缩机实现的流量的控制，可以如上述实施例中共同由控制器20执行，或者可以通过多个控制单元(例如ECU)以协作方式执行。当确定和控制由多个控制单元(例如ECU)以协作方式执行时，多个控制单元可被共同视为控制器。当电流输出高于要求输出时的死区可以在宽度上大于当电流输出低于要求输出时的死区。
燃料电池可以是除用于汽车的燃料电池之外的燃料电池。该燃料电池可以是被安装在另一种交通工具(例如，两轮车辆或火车)中的燃料电池，或固定式燃料电池。

Claims (1)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，所述燃料电池接收阳极气体和阴极气体以生成电力；
负载，所述负载消耗由所述燃料电池生成的电力；
二次电池，所述二次电池存储由所述燃料电池生成的电力；
压缩机，所述压缩机将所述阴极气体供给到所述燃料电池；
转换器，所述转换器控制所述燃料电池的生成电流；和
控制器，所述控制器被配置成
ⅰ)基于从所述负载和所述二次电池获得的信息计算输出指令值，所述输出指令值是指示对所述燃料电池要求的要求输出的值，
ⅱ)控制所述压缩机使得所述燃料电池的输出接近所计算的输出指令值，
ⅲ)确定电流指令值，所述电流指令值是所述燃料电池的生成电流的目标值，并且
ⅳ)根据所确定的电流指令值控制所述转换器，
所述控制器被配置成，
在通过相对于所述阳极气体的供给量降低所述阴极气体的供给量来减小所述燃料电池的电力生成效率的低效率电力生成操作期间，
v)在所述燃料电池的输出比所计算的输出指令值大等于或大于预定值的量的条件和所述燃料电池的输出小于所述输出指令值的条件中的一个条件被满足的第一状态下，将被计算为使得所述燃料电池的输出接近所计算的输出指令值的电流值确定为所述电流指令值，并且
vi)在所述燃料电池的输出比所计算的输出指令值大小于所述预定值的量的第二状态下，将在紧邻在前的第一状态中计算的电流值确定为所述电流指令值。
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