CN107148695A - 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统具备：燃料电池组；供对上述燃料电池组进行冷却的制冷剂循环的制冷剂循环路径；与上述燃料电池组的入口连接、且配置有向上述燃料电池组供给阴极气体的压缩机的阴极气体供给流路；在上述阴极气体供给流路中配置于上述压缩机的出口与上述燃料电池组的入口之间、与上述制冷剂循环路径连接、利用上述制冷剂对从上述压缩机排出的阴极气体进行冷却的内部冷却器；以及设置在上述阴极气体供给流路上、并调节上述压缩机的出口与上述燃料电池组的入口之间的压力的调压阀。

Description

燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
背景技术
公知有如下的燃料电池系统：将对燃料电池组进行冷却的制冷剂引入配置于压力供给阴极气体(氧化气体)的压缩机的下游侧的内部冷却器，对在该内部冷却器通过的阴极气体进行冷却(例如参照专利文献1)。装备内部冷却器的燃料电池系统例如亦在专利文献2中公开。
专利文献1：日本特开2010－277747号公报
专利文献2：日本特开2008－277075号公报
然而，在使燃料电池系统低温起动的情况下等，有时要求燃料电池组急速升温。此处，着眼于在配置于压缩机的下游侧的内部冷却器流通有由压缩机压缩而升温后的阴极气体这一情况，考虑促进与该阴极气体进行热交换的制冷剂的升温，从而使燃料电池组急速升温。此时，若使压缩机的出口侧的压力上升，则能够更有效地使阴极气体的温度上升，进而能够使被引入内部冷却器的制冷剂的温度上升。此处，若使用设置于燃料电池组的出口侧的所谓的背压阀使背压上升，则能够使压缩机的出口侧的压力上升。然而，由于在燃料电池组设定有基于燃料电池系统的运转状况等的要求的要求压力，因此难以将使制冷剂温度上升作为目的而随意地使背压上升。尤其是在低温起动时，有时通过进行缩减朝燃料电池组供给的阴极气体量的低效率运转来进行使燃料电池组升温的控制。与此相对，使背压上升而使压缩机的出口侧的压力上升这一做法在使朝燃料电池组供给的阴极气体量增量的方面发挥作用。即，若使背压上升，则朝阴极侧供给的阴极气体的量增加，从而阴极气体积存，无法进行低效率运转，无法提高电池组温度。因此，处于难以通过使背压上升来使阴极气体的温度上升的状况。即，背压的上升相对于燃料电池组的压力要求和阴极气体的温度上升的要求处于相互矛盾的关系。
发明内容
因此，本说明书公开的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法的课题在于，使向燃料电池组供给的制冷剂的温度迅速上升，使燃料电池组的温度上升。
为了解决上述课题，本说明书中公开的燃料电池系统具备：燃料电池组；制冷剂循环路径，对上述燃料电池组进行冷却的制冷剂在该制冷剂循环路径循环；阴极气体供给流路，该阴极气体供给流路与上述燃料电池组的入口连接，且配置有向上述燃料电池组供给阴极气体的压缩机；内部冷却器，该内部冷却器在上述阴极气体供给流路中配置于上述压缩机的出口与上述燃料电池组的入口之间，与上述制冷剂循环路径连接，利用上述制冷剂对从上述压缩机排出的阴极气体进行冷却；以及调压阀，该调压阀设置在上述阴极气体供给流路上，在上述燃料电池组处于低温起动状态时，调节上述压缩机的出口与上述燃料电池组的入口之间的压力。
由此，能够与燃料电池组内部相分离地使压缩机的出口与燃料电池组的入口之间的压力上升，能够在内部冷却器中使制冷剂的温度上升。由此，能够利用升温后的制冷剂尽快使燃料电池组迅速升温。
燃料电池系统能够具备：循环路径，该循环路径在上述压缩机的下游侧从上述阴极气体供给流路分支，并且与上述压缩机的上游侧连接；以及循环控制阀，该循环控制阀配置于上述循环路径，且能够调整开度。例如，上述循环路径可以在上述压缩机与上述内部冷却器之间从上述阴极气体供给流路分支，上述循环路径也可以在上述内部冷却器的下游侧从上述阴极气体供给流路分支。
使向燃料电池组供给前的阴极气体循环，并使之多次通过压缩机，由此，能够有效地使阴极气体的温度上升。
在本说明书所公开的燃料电池系统的控制方法中，上述燃料电池系统具备：燃料电池组；制冷剂循环路径，对上述燃料电池组进行冷却的制冷剂在该制冷剂循环路径循环；阴极气体供给流路，该阴极气体供给流路与上述燃料电池组的入口连接，且配置有向上述燃料电池组供给阴极气体的压缩机；以及内部冷却器，该内部冷却器在上述阴极气体供给流路中配置于上述压缩机的出口与上述燃料电池组的入口之间，与上述制冷剂循环路径连接，利用上述制冷剂对从上述压缩机排出的阴极气体进行冷却，其中，当要求上述燃料电池组升温时，利用设置在上述阴极气体供给流路上、并调节上述压缩机的出口与上述燃料电池组的入口之间的压力的调压阀，使上述压缩机的出口与上述燃料电池组的入口之间的压力上升。由此，能够与燃料电池组内部相分离地使压缩机的出口与燃料电池组的入口之间的压力上升，能够在内部冷却器中使制冷剂的温度上升。由此，能够利用升温后的制冷剂尽快使燃料电池组升温。
在这样的燃料电池系统的控制方法中，也可以构成为：当要求上述燃料电池组升温时，使上述阴极气体在包括上述压缩机在内的循环路径循环。使向燃料电池组供给前的阴极气体循环，并使之多次通过压缩机，由此，能够有效地使阴极气体的温度上升。
根据本说明书所公开的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法，能够使向燃料电池组供给的制冷剂的温度迅速上升，能够使燃料电池组的温度上升。
附图说明
图1是示出第一实施方式的燃料电池系统的简要结构的说明图。
图2是示出第一实施方式的燃料电池系统的控制的一个例子的流程图。
图3是示出第二实施方式的燃料电池系统的简要结构的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。其中，在图中，各部的尺寸、比率等有时并不以与实际情况完全一致的方式进行图示。并且，根据附图不同，有时省略细节部分而进行描绘、或省略实际上装备着的结构。
(第一实施方式)
首先，参照图1，对第一实施方式的燃料电池系统1进行说明。图1是示出第一实施方式的燃料电池系统1的简要结构的说明图。燃料电池系统1能够搭载于车辆、船舶、飞机、机器人等各种移动体，除此之外也能够应用于固定式电源。此处，以搭载于汽车的燃料电池系统1为例进行说明。燃料电池系统1包括固体高分子型的燃料电池2。燃料电池2包括燃料电池组3，该燃料电池组3通过层叠多个具有阴极电极、阳极电极、配置于它们之间的电解质膜的单电池而形成，并且在内部形成有阴极流路3a和阳极流路3b。电解质膜例如是质子导电性的固体高分子电解质膜。此外，图1中省略了单电池的图示。并且，在燃料电池组3内，设有供对燃料电池组3进行冷却的制冷剂流通的制冷剂流路3c。对于燃料电池组3，向阳极电极供给氢气即阳极气体，并且向阴极电极供给包含氧气的空气即阴极气体。而且，通过阳极电极处的催化剂反应而产生的氢离子透过电解质膜，移动至阴极电极，与氧气发生电化学反应，从而发电。在燃料电池组3连接有测定所产生的电的电压值的电压计V和测定电流值的电流计A。而且，在制冷剂流路3c流通的制冷剂对燃料电池组3进行冷却。其中，在燃料电池2的低温起动时，利用制冷剂使燃料电池组3的温度上升。
在燃料电池组3的入口，更具体而言为燃料电池组3的阴极流路3a的入口3a1侧，连接有阴极气体供给流路4。在阴极气体供给流路4的端部安装有空气滤清器4a。并且，在阴极气体供给流路4配置有压力供给阴极气体、从而向燃料电池组3供给阴极气体的压缩机K1。并且，在阴极气体供给流路4、且在阴极流路3a的入口3a1与压缩机K1的出口K1a之间，配置有内部冷却器5。内部冷却器5与制冷剂循环流路17连接，与制冷剂之间进行热交换，对从压缩机K1排出的阴极气体进行冷却。供制冷剂循环的制冷剂循环流路17将在下面详细说明。在阴极气体供给流路4、且是在压缩机K1与内部冷却器5之间，设置有第一温度计T1，并且在内部冷却器5的下游侧设置有压力计P。第一温度计T1测定阴极气体的温度。
在阴极气体供给流路上，设置有对压缩机K1的出口K1a与燃料电池组3的入口3a1之间的压力进行调节的调压阀V1。
在燃料电池组3的阴极流路3a的出口3a2侧连接有阴极废气排出流路6。在阴极废气排出流路6配置有背压阀V2。背压阀V2调整阴极气体供给流路4的比压缩机K1靠下游侧、阴极流路3a以及阴极废气排出流路6的比背压阀V2靠上游侧的区域的压力、即阴极背压。其中，从压缩机K1的下游侧至调压阀V1之间的压力能够通过调压阀V1的开度来调整。即，从压缩机K1至调压阀V1之间的压力相对于阴极流路3a内的压力相独立地被控制。在阴极废气排出流路6、且是在背压阀V2的下游侧，配置有消声器7。
燃料电池系统1具备循环流路8，该循环流路8在压缩机K1的下游侧从阴极气体供给流路4分支，并且与压缩机K1的上游侧连接。在该循环流路8配置有能够调整开度的循环控制阀V3。更具体地说，循环流路8在压缩机K1与内部冷却器5之间从阴极气体供给流路4分支。若循环控制阀V3开阀，则被导入内部冷却器5前的阴极气体再次被向压缩机K1供给，从而促进阴极气体的升温。
在燃料电池组3的阳极流路3b的入口3b1侧连接有阳极供给流路9。在阳极供给流路9的端部连接有作为氢气供给源的氢气罐10。在氢气罐10内储存有高压的氢气。在阳极供给流路9配置有切断氢气的供给的切断阀11、以及对氢气的压力进行减压的调节器12。
在燃料电池组3的阳极流路3b的出口3b2侧连接有排气管13。在排气管13的端部设置有气液分离器14。而且，在气液分离器14处，分支出循环流路15a和净化流路15b。在气液分离器14中，阳极废气所包含的水分被分离。水分被分离后的阳极废气被向循环流路15a侧排出。另一方面，所分离出的水分被向净化流路15b侧排出。在循环流路15a配置有泵P1。通过在循环流路15a配置泵P1，能够将阳极废气向阳极流路3b再次供给。在气液分离器14处分支出的净化流路15b与设置于阴极废气排出流路6的背压阀V2的下游侧连接。在净化流路15b配置有净化阀16。通过打开净化阀16，能够将不使之循环的阳极废气与阴极废气一起排出。
在燃料电池组3的制冷剂流路3c的入口3c1连接有制冷剂循环流路17的一端。并且，在制冷剂流路3c的出口3c2连接有制冷剂循环流路17的另一端。在制冷剂循环流路17设置有使制冷剂循环、并将制冷剂向燃料电池组3内供给的泵P2。并且，在制冷剂循环流路17设置有散热器18。在制冷剂循环流路17设有三通阀19，从该三通阀19分支出绕过散热器18的旁通流路20。此外，三通阀19具备感温部，是根据制冷剂的温度而使开闭状态变化的所谓的温控型的阀，但也可以采用电气式的阀。若制冷剂的温度比规定值高，则三通阀19使制冷剂向散热器18侧循环从而对制冷剂进行冷却。在制冷剂循环流路17的三通阀19与制冷剂流路3c的出口3c2之间，设有测定制冷剂的温度的第二温度计T2。
在制冷剂循环流路17连接有内部冷却器5。具体而言，从制冷剂循环流路17分支出第一引入流路17a和第二引入流路17b。第一引入流路17a从泵P2与制冷剂流路3c的入口3c1之间分支，其另一端与内部冷却器5连接。制冷剂通过第一引入流路17a而流入内部冷却器5。另一方面，第二引入流路17b从三通阀19与制冷剂流路3c的出口3c2之间分支，其另一端与内部冷却器5连接。制冷剂通过第二引入流路17b而从内部冷却器5返回制冷剂循环流路17。
燃料电池系统1具备ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)21。ECU21构成为在内部具备CPU、ROM、RAM的微型计算机，并作为控制部发挥功能。在ECU21电连接有第一温度计T1、压力计P、电压计V、以及电流计A。并且，在ECU21电连接有压缩机K1、泵P1及P2，进行这些设备的驱动控制。并且，在ECU21电连接有调压阀V1、背压阀V2、循环控制阀V3、切断阀11、调节器12以及净化阀16，进行这些阀的开闭控制。对ECU21输入有由其它各传感器检测到的值。并且，ECU21储存有电流电压设定表等。这样的ECU21进行输出设定处理。即，根据空气供给量、阴极背压、氢气供给量、氢气压力、输出历史、电压、电流值设定表等来设定输出的电流值。ECU21基于第二温度计T2的测定值，当要求燃料电池组3的升温时、即所谓的低温起动时，进行通过控制调压阀V1而执行的制冷剂温度的上升控制。
接下来，参照图2对第一实施方式的燃料电池系统1的控制进行说明。图2是示出第一实施方式的燃料电池系统1的控制的一个例子的流程图。燃料电池系统1的控制主要由ECU21进行。
首先，在步骤S1中，利用第二温度计T2取得制冷剂的温度TW。然后，进入步骤S2，判断温度TW是否比预先设定的阈值T0低。此处，阈值T0是成为用于判断燃料电池2是否处于低温起动状态的基准的值，是预先设定且存储在ECU21内的值。当在步骤S2中判断为是时，进入步骤S3。在步骤S3中，利用第一温度计T1取得压缩机K1的出口温度Tc，并且利用压力计P取得压缩机K1的出口压力Pc。然后，进入步骤S4。在步骤S4中，判断压缩机K1的出口温度Tc是否比预先确定的目标温度Ttrg低。此处，目标温度Ttrg是作为在内部冷却器5中能够使制冷剂有效地升温的温度而预先设定、并存储在ECU21内的值。
当在步骤S4中判断为是时，进入步骤S5。在步骤S5中，将调压阀V1向闭阀侧控制。由此，从压缩机K1的出口K1a至调压阀V1为止的部分与调压阀V1的下游侧具体而言为阴极流路3a被分开，使得能够在各区域内进行压力的调整。即，能够调整燃料电池组3的背压以使其成为要求压力，同时能够使压缩机K1的下游的压力比燃料电池组3的要求压力提高。在阴极流路3a中，阴极气体流量被节流，燃料电池组3成为能够进行低效率运转的状态，从而能够促进燃料电池组3的升温。
另一方面，相比调压阀V1靠上游侧的阴极气体供给流路4内的压力开始上升。在紧随步骤S5而进行的步骤S6中，判断压缩机K1的出口压力Pc是否比预先确定的目标压力Ptrg低。此处，目标压力Ptrg是作为在内部冷却器5中能够有效地使制冷剂升温的压力预先设定并存储在ECU21内的值。
当在步骤S6中判断为否时，进入步骤S7。另一方面，当在步骤S6中判断为是时，反复进行从步骤S5开始的处理直至在步骤S6中判断为否为止。在步骤S7中，再次利用第一温度计T1取得压缩机K1的出口温度Tc。然后，在紧随步骤S7进行的步骤S8中，再次判断压缩机K1的出口温度Tc是否比预先确定的目标温度Ttrg低。目标温度Ttrg与在步骤S4中使用的值相同。当在步骤S8中判断为是的情况下，即、尽管将调压阀V1向关闭侧控制，压缩机K1的出口压力Pc达到目标压力Ptrg，但出口温度Tc未达到目标温度Ttrg时，进入步骤S9。在步骤S9中，根据Ttrg与Tc的差分(Ttrg－Tc)、即欲使之上升的温度来计算循环控制阀V3的开度。然后，进入步骤S10，根据在步骤S9中计算出的循环控制阀V3的开度来计算压缩机K1的运转量。若循环控制阀V3开阀，则由压缩机K1排出的阴极气体的一部分流入循环流路8。结果，在未实施任何处置的情况下，流入内部冷却器5以及燃料电池组3的阴极气体的流量减少。若流入内部冷却器5的阴极气体量减少，则内部冷却器5中的热交换的效率降低。若流入燃料电池组3的阴极气体量减少，则在燃料电池组3中无法进行所希望的发电反应。因此，在步骤S10中，以补偿因使循环控制阀V3开阀而引起的流入内部冷却器5以及燃料电池组3的阴极气体的减少量的方式设定压缩机K1的运转量。在紧随步骤S10进行的步骤S11中，使循环控制阀V3开阀，并且调整压缩机运转量。具体而言，使压缩机K1的运转量增加。通过使循环控制阀V3开阀，暂且从压缩机K1被排出的阴极气体的一部分通过循环流路8而再次被送入压缩机K1。由此，再次从压缩机K1被排出的阴极气体的升温得到促进。并且，此时，由于使压缩机K1的运转量增加，因此也能够避免因流入内部冷却器5的阴极气体的流量降低而导致的升温效果的降低。此外，在本实施方式中，根据Ttrg与Tc的差分(Ttrg－Tc)来计算循环控制阀V3的开度，并基于所计算出的循环控制阀V3的开度来设定压缩机K1的运转量。代替这样的控制，也可以预先准备循环控制阀V3的开度与考虑了该情况的压缩机K1的运转量之间的组合，基于Ttrg与Tc的差分(Ttrg－Tc)来选择适当的循环控制阀V3的开度与压缩机K1的运转量的组合。在步骤S11的处理结束后，反复进行从步骤S1起的处理。
另一方面，当在步骤S2中判断为否时、在步骤S4中判断为否时、以及在步骤S8中判断为否时，均进入步骤S12。在步骤S12中，不需要进行阴极气体的升温控制，使循环控制阀V3闭阀。即，停止阴极气体向循环流路8的循环。步骤S12的处理结束后，反复进行从步骤S1起的处理。此外，当在步骤S2判断为否时，使调压阀V1成为开阀状态。
通过执行如上的控制，朝内部冷却器5供给的阴极气体的温度上升，结果，朝燃料电池组3供给的制冷剂的温度迅速上升。而且，燃料电池组3的温度上升，即便在低温起动时，也能够适当地使燃料电池2起动。即，根据本实施方式，能够同时实现燃料电池组3的低效率运转、以及对通过提高压缩机K1的下游侧的压力而升温了的阴极气体的热的利用。由此，即便在低温起动时，也能够适当地使燃料电池2起动。
(第二实施方式)
接下来，参照图3，对第二实施方式进行说明。第二实施方式的燃料电池系统101与第一实施方式的燃料电池系统1之间存在将在下文中说明的不同点。第二实施方式的燃料电池系统101与第一实施方式的燃料电池系统1相比，循环流路81的分支点不同。并且，伴随于此，循环控制阀V3的开度设定与使循环控制阀V3开阀时的压缩机K1的运转量的设定不同。此外，图2所示的流程图本身在第二实施方式中也能够通用地使用。
第一实施方式的循环流路8在压缩机K1与内部冷却器5之间分支。因此，在第一实施方式中，假设在保持压缩机K1的运转量不变的状态下使循环控制阀V3开阀的情况下，流入内部冷却器5以及燃料电池组3的阴极气体的流量减少。为了应对该情况，在第一实施方式的步骤S10中，以补偿因使循环控制阀V3开阀而引起的流入内部冷却器5以及燃料电池组3的阴极气体的减少量的方式设定压缩机K1的运转量。与此相对，第二实施方式的循环流路81在内部冷却器5的下游侧分支。因此，第二实施方式中，假设在保持压缩机K1的运转量不变的状态下使循环控制阀V3开阀的情况下，流入燃料电池组3的阴极气体的流量减少。因此，在第二实施方式的步骤S10中，为了应对该情况，以补偿因使循环控制阀V3开阀而引起的流入燃料电池组3的阴极气体的减少量的方式设定压缩机K1的运转量。由此，能够再次将从压缩机K1排出的升温了的阴极气体以不伴随流量的降低的方式向燃料电池组3供给。并且，由于流入内部冷却器5的流量增加，因此在这点上也能够提高制冷剂的升温效果。
上述实施方式只不过是用于实施本发明的例子，本发明并不限定于此，对上述实施例作出的各种变形也隶属于本发明的范围内，另外，根据上述记载可知，在本发明的范围内，能够获得其它的各种实施例。
附图标记说明：
1、101：燃料电池系统；2：燃料电池；3：燃料电池组；3a：阴极流路；3b：阳极流路；3c：制冷剂流路；4：阴极气体供给流路；5：内部冷却器；6：阴极废气排出流路；8：循环流路；17：制冷剂循环流路；17a：第一引入流路；17b：第二引入流路；K1：压缩机；V1：调压阀；V2：背压阀；V3：循环控制阀。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，其中，具备：
燃料电池组；
制冷剂循环路径，对上述燃料电池组进行冷却的制冷剂在该制冷剂循环路径循环；
阴极气体供给流路，该阴极气体供给流路与上述燃料电池组的入口连接，且配置有向上述燃料电池组供给阴极气体的压缩机；
内部冷却器，该内部冷却器在上述阴极气体供给流路中配置于上述压缩机的出口与上述燃料电池组的入口之间，与上述制冷剂循环路径连接，利用上述制冷剂对从上述压缩机排出的阴极气体进行冷却；以及
调压阀，该调压阀设置在上述阴极气体供给流路上，在上述燃料电池组处于低温起动状态时，调节上述压缩机的出口与上述燃料电池组的入口之间的压力。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，具备：
循环路径，该循环路径在上述压缩机的下游侧从上述阴极气体供给流路分支，并且与上述压缩机的上游侧连接；以及
循环控制阀，该循环控制阀配置于上述循环路径，且能够调整开度。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
上述循环路径在上述压缩机与上述内部冷却器之间从上述阴极气体供给流路分支。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
上述循环路径在上述内部冷却器的下游侧从上述阴极气体供给流路分支。
5.一种燃料电池系统的控制方法，
上述燃料电池系统具备：
燃料电池组；
制冷剂循环路径，对上述燃料电池组进行冷却的制冷剂在该制冷剂循环路径循环；
阴极气体供给流路，该阴极气体供给流路与上述燃料电池组的入口连接，且配置有向上述燃料电池组供给阴极气体的压缩机；以及
内部冷却器，该内部冷却器在上述阴极气体供给流路中配置于上述压缩机的出口与上述燃料电池组的入口之间，与上述制冷剂循环路径连接，利用上述制冷剂对从上述压缩机排出的阴极气体进行冷却，
其中，
当要求上述燃料电池组升温时，利用设置在上述阴极气体供给流路上、并调节上述压缩机的出口与上述燃料电池组的入口之间的压力的调压阀，使上述压缩机的出口与上述燃料电池组的入口之间的压力上升。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统的控制方法，其中，
当要求上述燃料电池组升温时，使上述阴极气体在包括上述压缩机在内的循环路径循环。
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