CN109309238A - 燃料电池系统和控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池系统和控制装置。燃料电池系统包括：压力控制阀，所述压力控制阀被布置在用于供给氢气的供给路径中，使待向燃料电池组供给的氢气减压；膨胀器，所述膨胀器被布置在供给路径中所述压力控制阀的上游，并且使从氢罐供给的氢气减压并膨胀；第二控制阀，所述第二控制阀被布置在供给路径中所述膨胀器的上游，并且能够被切换到打开状态和关闭状态中的一个状态，在打开状态中，氢气被供给到膨胀器，而在关闭状态中，向膨胀器的氢气的供给被截断或者向膨胀器供给的氢气量少于在打开状态中的向膨胀器供给的氢气量；和控制装置，所述控制装置包括控制第二控制阀的控制单元。

Description

燃料电池系统和控制装置

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统和一种控制装置。

背景技术

日本未审专利申请公报No.2003-217641(JP 2003-217641 A)公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有布置在高压氢罐和燃料电池组之间的膨胀器，该膨胀器使氢气减压，并且将氢气在膨胀器中膨胀时的膨胀能转换成机械能。

发明内容

然而，膨胀器中的膨胀能取决于氢气的流量以及膨胀器上游和下游的压力差异。即，当氢气在该差异相对小的状态下流入膨胀器中时，即使在氢气的流量相对高的状态中，能够从膨胀器输出的能量的量仍然降低。

本发明使得能够实现膨胀器中的氢气的膨胀能的有效率回收。

根据本发明的第一方面，提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：第一减压单元，所述第一减压单元被布置在用于从氢罐向燃料电池组供给氢气的供给路径中，并且使待向所述燃料电池组供给的氢气减压；膨胀器，所述膨胀器被布置在所述供给路径中所述第一减压单元的上游，并且使从所述氢罐供给的氢气减压并膨胀；流量调节单元，所述流量调节单元被布置在所述供给路径中所述膨胀器的上游，并且所述流量调节单元能够被切换到打开状态和关闭状态中的一个状态，在所述打开状态中，氢气被供给到所述膨胀器，而在所述关闭状态中，向所述膨胀器的氢气的供给被截断或者向所述膨胀器供给的氢气量少于在所述打开状态中的向所述膨胀器供给的氢气量；和控制单元，当在所述供给路径中的所述膨胀器上游的第一压力和所述膨胀器下游的第二压力之间的压力差小于第一阈值时或者当所述第二压力对所述第一压力的压力比等于或大于第二阈值时，所述控制单元执行将所述流量调节单元切换到所述关闭状态的控制。

当在供给路径中的膨胀器上游的第一压力和膨胀器下游的第二压力之间的压力差小于第一阈值时或者当第二压力对第一压力的压力比等于或大于第二阈值时，流量调节单元被切换到关闭状态。因此，由于在压力差小于第一阈值或者压力比等于或大于第二阈值的状态中氢气不被供给到膨胀器，所以能够有效率地回收膨胀器中的氢气的膨胀能。

该燃料电池系统可以进一步包括：第一压力传感器，所述第一压力传感器测量所述氢罐的内部压力作为所述第一压力；和第二压力传感器，所述第二压力传感器测量在所述膨胀器和所述第一减压单元之间的压力作为所述第二压力。因此，能够准确地获得在膨胀器上游的压力和膨胀器下游的压力之间的压力差或者压力比。

当所述压力差等于或大于第三阈值时或者当所述压力比小于第四阈值时，控制单元可以执行将所述流量调节单元切换到所述打开状态的控制，其中所述第三阈值大于所述第一阈值，而所述第四阈值小于所述第二阈值。因此，能够有效率地回收膨胀器中的氢气的膨胀能。

旁通路径可以被设置在所述供给路径中，所述旁通路径从上游到下游绕过所述膨胀器。所述流量调节单元可以是被设置在所述供给路径中的连接到所述旁通路径的第一端的上游部分中的三通阀，所述三通阀在所述打开状态中向所述膨胀器供给氢气并且截断向所述旁通路径的氢气的供给，并且所述三通阀具有作为所述关闭状态的第一关闭状态和第二关闭状态，在所述第一关闭状态中，向所述膨胀器的氢气的供给被截断并且氢气被供给到所述旁通路径，而在所述第二关闭状态中，向所述膨胀器和所述旁通路径这两者的氢气的供给均被截断。相应地，能够提供不包括膨胀器的氢气供给路径。

所述燃料电池系统可以进一步包括热交换器，所述热交换器被设置在所述供给路径中的连接到所述旁通路径的第二端的下游部分和所述膨胀器之间，并且所述热交换器在被所述膨胀器减压并膨胀的氢气和用于冷却所述燃料电池组的冷却剂之间执行热交换。相应地，能够有效率地冷却燃料电池组。

所述燃料电池系统可以进一步包括温度传感器，所述温度传感器测量所述冷却剂的温度。当由所述温度传感器测量到的温度等于或低于预定温度阈值时，所述控制单元可以执行将所述流量调节单元切换到所述第一关闭状态的控制。因此，能够抑制燃料电池组的过冷却。

所述第一减压单元可以被设置在所述供给路径中的连接到所述旁通路径的第二端的下游部分和所述膨胀器之间。所述燃料电池系统可以进一步包括：第二减压单元，所述第二减压单元被设置在所述膨胀器和所述流量调节单元之间，并且使从所述氢罐供给的氢气减压；第三减压单元，所述第三减压单元被设置在所述旁通路径中，并且使向所述燃料电池组供给的氢气减压；和喷射器，所述喷射器被设置在所述下游部分和所述燃料电池组之间。相应地，能够稳定输出。

所述第一减压单元可以被设置在所述供给路径中的连接到所述旁通路径的第二端的下游部分和所述膨胀器之间。所述燃料电池系统可以进一步包括：第二减压单元，所述第二减压单元被设置在所述流量调节单元和所述氢罐之间，并且使从所述氢罐供给的氢气减压；和喷射器，所述喷射器被设置在所述旁通路径中。因此，能够降低系统的尺寸。

根据本发明的第二方面，提供一种控制装置，所述控制装置控制减压单元、膨胀器和流量调节单元，其中所述减压单元被布置在用于从氢罐向燃料电池组供给氢气的供给路径中，并且使待向所述燃料电池组供给的氢气减压；所述膨胀器被布置在所述供给路径中所述减压单元的上游，并且使从所述氢罐供给的氢气减压并膨胀；所述流量调节单元被布置在所述供给路径中所述膨胀器的上游，并且所述流量调节单元能够被切换到打开状态和关闭状态中的一个状态，在所述打开状态中，氢气被供给到所述膨胀器，而在所述关闭状态中，向所述膨胀器的氢气的供给被截断或者向所述膨胀器供给的氢气量少于在所述打开状态中的向所述膨胀器供给的氢气量。所述控制装置包括：控制单元，当在所述供给路径中的所述膨胀器上游的第一压力和所述膨胀器下游的第二压力之间的压力差小于第一阈值时或者当所述第二压力对所述第一压力的压力比等于或大于第二阈值时，所述控制单元执行将所述流量调节单元切换到所述关闭状态的控制。因此，能够有效率地回收膨胀器中的氢气的膨胀能。

如上所述，根据本发明，能够有效率地回收膨胀器中的氢气的膨胀能。

附图说明

将在下面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是概略地示意根据第一实施例的燃料电池系统的构造的示例的图；

图2是示意根据第一实施例的控制装置的硬件构造的示例的框图；

图3是示意由根据第一实施例的控制装置执行的控制例程的流程的示例的流程图；

图4是示意根据第一实施例的压力的时间序列变化的示例的曲线图；

图5是概略地示意根据第二实施例的燃料电池系统的构造的示例的图；

图6是示意根据第二实施例的控制装置的硬件构造的示例的框图；

图7是示意由根据第二实施例的控制装置执行的控制例程的流程的示例的流程图；

图8是示意根据第二实施例的压力的时间序列变化的示例的曲线图；

图9是概略地示意根据第三实施例的燃料电池系统的构造的示例的图；

图10是示意根据第三实施例的第二控制阀能够被切换到的状态的示例的图；

图11是示意由根据第三实施例的控制装置执行的控制例程的流程的示例的流程图；

图12是概略地示意根据第四实施例的燃料电池系统的构造的示例的图表；

图13是示意根据第四实施例的控制装置的硬件构造的示例的框图；

图14是示意由根据第四实施例的控制装置执行的控制例程的流程的示例的流程图；

图15是概略地示意根据第五实施例的燃料电池系统的构造的示例的图；

图16是概略地示意根据修改示例的燃料电池系统的构造的示例的图；

图17是概略地示意根据修改示例的燃料电池系统的构造的示例的图；

图18是概略地示意根据第六实施例的燃料电池系统的构造的示例的图；

图19是概略地示意根据第七实施例的燃料电池系统的构造的示例的图；

图20是概略地示意根据第八实施例的燃料电池系统的构造的示例的图；

图21是示意根据第八实施例的第二控制阀能够被切换到的状态的示例的图；并且

图22是示意由根据第八实施例的控制装置执行的控制例程的流程的示例的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。在以下实施例中，假设燃料电池系统被安装在车辆中。

[第一实施例]

首先，将在下面参考图1描述根据本发明的第一实施例的燃料电池系统10的构造。如在图1中示意地，燃料电池系统10包括燃料电池组12、氢罐14、第一控制阀18、第一压力传感器20、第二控制阀22、膨胀器24、热交换器26、副罐28、压力控制阀30、和喷射器32。燃料电池系统10另外地包括能量回收装置34、气体-液体分离单元36、氢气泵38、排液阀40、散热器42、和控制装置50。

燃料电池组12是通过在氢气和氧气之间的电化学反应而发电的单元，并且具有多个单体电池被堆叠起来的构造。氢罐14填充有向燃料电池组12供给的高压(例如，70MPa或者更高)氢。在以下说明中，氢罐14侧被定义为氢气的流路中的上游，并且燃料电池组12侧被定义为氢气的流路中的下游。

在从氢罐14到燃料电池组12的氢气的供给路径16中，第一控制阀18、第一压力传感器20、第二控制阀22、膨胀器24、热交换器26、副罐28、压力控制阀30和喷射器32按照这个顺序从上游到下游设置。

第一控制阀18是在控制装置50的控制下被切换到打开状态和关闭状态中的一个状态的阀。第一压力传感器20测量在第一控制阀18和第二控制阀22之间的压力作为氢罐14的内部压力。氢罐14的内部压力可以由设置在氢罐14中的压力传感器来测量。第二控制阀22是在所公开的技术中的流量调节单元的示例，并且是在控制装置50的控制下被切换到关闭状态和打开状态中的一个状态的阀，在关闭状态中，氢气从氢罐14到膨胀器24的供给被截断，在打开状态中，氢气被从氢罐14供给到膨胀器24。

膨胀器24使从氢罐14供给的氢气减压并膨胀。能量回收装置34被连接到膨胀器24，并且能量回收装置34将当膨胀器24减压并膨胀氢气时的膨胀能转换成机械能并且回收膨胀能。能量回收装置34的示例包括减速齿轮、发电机、吸气压缩机、和送风机。

热交换器26在通过在膨胀器24中减压并膨胀而被冷却的氢气和将在以后描述的在冷却剂循环通道44中循环的冷却剂之间执行热交换。氢气被存储在副罐28中。压力控制阀30是所公开的技术中的减压单元的示例，并且使从副罐28流动的氢气减压。喷射器32包括例如电磁开关阀，并且调节被供给到燃料电池组12的氢气量。

在这个实施例中，在燃料电池组12和喷射器32之间的压力区域被定义为供给压力区域，并且供给压力区域的压力例如等于或大于40[kPa]并且小于200[kPa]。在这个实施例中，在喷射器32和压力控制阀30之间的压力区域被定义为压力控制区域，并且压力控制区域的压力例如等于或大于1[MPa]并且小于1.5[MPa]。在这个实施例中，在压力控制阀30和第二控制阀22之间的压力区域被定义为压力改变区域，并且压力改变区域的压力例如等于或大于1.5[MPa]并且小于70[MPa]。在这个实施例中，第二控制阀22上游的压力区域被定义为高压区域，并且高压区域的压力例如等于或小于70[MPa]。

气体-液体分离单元36将从燃料电池组12排出的氢气和反应气体分离成气体成分和液体成分。氢气泵38用作循环泵，其向供给路径16中的喷射器32下游发送在由气体-液体分离单元36分离的气体成分中包括的氢气。由气体-液体分离单元36分离的液体成分经由排液阀40被排出到外部。散热器42包括例如吸入外部空气的风扇，并且通过旋转风扇来冷却在冷却剂循环通道44中流动的冷却剂。燃料电池组12被在冷却剂循环通道44中流动的冷却剂冷却。

如在图1中示意地，控制装置50在功能上包括估算单元52和控制单元54。估算单元52估算在膨胀器24上游的压力P1和其下游的压力P2之间的压力差PD(＝P1-P2)。在这个实施例中，估算单元52使用由第一压力传感器20测量到的压力作为压力P1。估算单元52基于在第二控制阀22已经关闭之后从喷射器32喷射的累积氢气量和留在氢罐14中的氢气量来估算在压力控制阀30和膨胀器24之间的压力，并且使用该估算的压力作为压力P2。估算单元52将通过从压力P1减去压力P2而获得的值估算为压力差PD。

当由估算单元52估算出的压力差PD小于预定阈值TH1时，控制单元54通过执行将第二控制阀22切换到关闭状态的控制来截断向膨胀器24的氢气的供给。在该情形中，能够根据膨胀器24的设计规格适当地确定阈值TH1。当由估算单元52估算出的压力P2小于预定下限值LV1(例如，2MPa)时，控制单元54通过执行将第二控制阀22切换到打开状态的控制来开始向膨胀器24的氢气的供给。

将在下面参考图2描述控制装置50的硬件构造。如在图2中示意地，控制装置50包括电子控制单元(ECU)60。ECU 60被构造为包括中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)的微型计算机。第一控制阀18、第一压力传感器20、第二控制阀22等被连接到ECU 60。利用这种构造，ECU 60执行第一控制阀18和第二控制阀22的控制和由第一压力传感器20测量到的压力的获取。

将在下面参考图3和图4描述根据这个实施例的燃料电池系统10的操作。图3是示意由根据这个实施例的控制装置50的ECU 60执行的控制例程的流程的示例的流程图。在这个实施例中，通过使ECU 60执行预先存储在ROM中的程序来执行该控制例程。例如，当燃料电池组12的驱动开始时，诸如当未示意的电源开关被打开时，在图3中示意的控制例程被执行。通过执行预先存储在ROM中的程序，控制装置50的ECU 60充当在图1中示意的估算单元52和控制单元54。

图4是示意由第一压力传感器20测量的压力P1和由估算单元52估算的在压力控制阀30和膨胀器24之间的压力P2的时间序列变化的示例的曲线图。在图4中，实线L1表示压力P1，并且实线L2表示压力P2。

在图3中的步骤S10中，控制单元54执行将第一控制阀18切换到打开状态的控制。然后，在步骤S12中，控制单元54执行将第二控制阀22切换到关闭状态的控制。在步骤S14中，估算单元52获取由第一压力传感器20测量到的压力P1。估算单元52基于从喷射器32喷射的氢气量、留在氢罐14中的氢气量等估算在压力控制阀30和膨胀器24之间的压力P2。然后，估算单元52将通过从压力P1减去压力P2而获得的值估算为压力差PD。

然后，在步骤S16中，控制单元54判定通过在步骤S14中的处理估算出的、在压力控制阀30和膨胀器24之间的压力P2是否小于下限值LV1。当判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S20，而当判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S18。

在步骤S18中，控制单元54执行将第二控制阀22切换到打开状态的控制。当第二控制阀22已经处于打开状态中时，打开状态被维持。当步骤S18的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。在另一方面，在步骤S20中，控制单元54判定在步骤S14的处理中估算出的压力差PD是否小于阈值TH1。当判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S22。在步骤S22中，控制单元54执行将第二控制阀22切换到关闭状态的控制。当第二控制阀22已经处于关闭状态中时，关闭状态被维持。当步骤S22的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。当步骤S20的判定结果是否定时，步骤S22的处理不被执行并且该例程过渡到步骤S24。

在步骤S24中，控制单元54判定预定结束时间是否已经到达。该结束时间的示例是燃料电池组12的驱动停止的时间，诸如电源开关被关闭的时间。当步骤S24的判定结果是否定时，该例程返回步骤S14，并且当判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S26。

在步骤S26中，控制单元54执行将第一控制阀18切换到关闭状态的控制。当步骤S26的处理完成时，该控制例程结束。

通过上述控制例程，例如，如在图4中示意地，当燃料电池组12的驱动开始时，首先，通过步骤S10和S12的处理，使第一控制阀18处于打开状态，并且使第二控制阀22处于关闭状态。通过这些处理，在压力控制阀30和膨胀器24之间的压力P2开始降低。在压力控制阀30和膨胀器24之间的压力P2等于或大于下限值LV1的时期T1中，第二控制阀22被维持在关闭状态中，在压力控制阀30和膨胀器24之间的压力P2降低，并且预定压力差PD得到确保。

当在压力控制阀30和膨胀器24之间的压力P2从等于或大于下限值LV1的值改变成小于下限值LV1的值时，第二控制阀22通过步骤S18的处理被切换到打开状态，并且在压力控制阀30和膨胀器24之间的压力P2增加。在直至压力差PD小于阈值TH1的时期T2中，第二控制阀22被维持在打开状态中，并且基于在时期T2中的压力差PD的在膨胀器24中的膨胀能被能量回收装置34回收。

然后，当压力差PD从等于或大于阈值TH1改变到小于阈值TH1时，第二控制阀22通过步骤S22的处理被切换到关闭状态，并且在压力控制阀30和膨胀器24之间的压力P2降低。在压力差PD等于或大于阈值TH1并且直至在压力控制阀30和膨胀器24之间的压力P2小于下限值LV1的时期T3中，第二控制阀22被维持在关闭状态中，在压力控制阀30和膨胀器24之间的压力P2降低，并且预定压力差PD得到确保。此后，时期T2和时期T3被交替地反复，直至燃料电池组12的驱动停止为止。

如上所述，根据这个实施例，通过当压力差PD小于阈值TH1时将第二控制阀22切换到关闭状态，等于或大于阈值TH1的压力差PD得到确保。因此，能够有效率地回收膨胀器24中的氢气的膨胀能。

在这个实施例中，当在压力控制阀30和膨胀器24之间的压力P2小于下限值LV1时，第二控制阀22被切换到打开状态，但是本发明不限于这个示例。当压力差PD等于或大于阈值TH2(所述阈值TH2大于阈值TH1)时，可以通过将第二控制阀22切换到打开状态而开始向膨胀器24的氢气的供给。

在这个实施例中，当使第二控制阀22处于关闭状态中时，向膨胀器24的氢气的供给被截断，但是本发明不限于此情形。例如，当使第二控制阀22处于关闭状态中时，供给到膨胀器24的氢气量可以变得小于当使第二控制阀22处于打开状态中时的量。

[第二实施例]

将在下面描述第二实施例。将通过相同的附图标记指代与在第一实施例中相同的元件，并且其说明将不予重复。

将在下面参考图5描述根据这个实施例的燃料电池系统210的构造。如在图5中示意地，燃料电池系统210进一步包括第二压力传感器21。第二压力传感器21被设置在供给路径16中在副罐28和压力控制阀30之间，并且测量在副罐28和压力控制阀30之间的压力。控制装置50在功能上包括估算单元252和控制单元254。

估算单元252估算在膨胀器24上游的压力P1和其下游的压力P2之间的压力差PD。在这个实施例中，估算单元252使用由第一压力传感器20测量到的压力作为压力P1。估算单元252使用由第二压力传感器21测量到的压力作为压力P2。估算单元252将通过从压力P1减去压力P2而获得的值估算为压力差PD。当由第二压力传感器21测量到的压力P2小于下限值LV1时，控制单元254通过执行将第二控制阀22切换到打开状态的控制而开始向膨胀器24的氢气的供给。

当在高负荷指令正被从不同于ECU 60的ECU(未示意)输入的同时压力差PD小于阈值TH1时，类似于第一实施例中的控制单元54，控制单元254执行将第二控制阀22切换到关闭状态的控制。在另一方面，当高负荷指令未被输入并且由第二压力传感器21测量到的压力等于或大于上限值UV1时，控制单元254执行将第二控制阀22切换到关闭状态的控制。在此情形中，上限值UV1的示例是在大于下限值LV1并且小于由第一压力传感器20测量到的压力P1的范围内的预定值。例如，当负荷等于或大于预定负荷时，诸如当车辆的加速器操作量等于或大于预定值的状态被维持了预定时期或更长时，高负荷指令被输入到ECU 60。

将在下面参考图6描述控制装置50的硬件构造。如在图6中示意地，第二压力传感器21被另外地连接到ECU 60。

将在下面参考图7和图8描述根据这个实施例的燃料电池系统210的操作。图7是示意由根据这个实施例的控制装置50的ECU 60执行的控制例程的流程的示例的流程图。在这个实施例中，通过使ECU 60执行预先存储在ROM中的程序来执行该控制例程。例如，当燃料电池组12的驱动开始时，诸如当未示意的电源开关被打开时，在图7中示意的控制例程被执行。通过执行预先存储在ROM中的程序，控制装置50的ECU 60充当在图5中示意的估算单元252和控制单元254。将通过相同的步骤编号指代执行与在图3中相同的处理的在图7中的步骤，并且其说明将不予重复。

图8是示意由第一压力传感器2测量的压力P1和由第二压力传感器21测量的压力P2的时间序列变化的示例的曲线图。图8中的实线L3表示由第一压力传感器20测量的压力P1，并且实线L4表示由第二压力传感器21测量的压力P2。在图8中示意的示例中，时期T1和T4是高负荷指令不被输入的时期，并且时期T2和T3是高负荷指令被输入的时期。

在图7的步骤S214中，估算单元252获取由第一压力传感器20和第二压力传感器21测量到的压力。然后，估算单元252将通过从由第一压力传感器20测量到的压力P1减去由第二压力传感器21测量到的压力P2而获得的值估算作为压力差PD。

在步骤S216中，控制单元254判定在步骤S214中获取并且由第二压力传感器21测量到的压力P2是否小于下限值LV1。当其判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S18，并且当其判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S230。

在步骤S230中，控制单元254判定高负荷指令是否已经被输入。当其判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S20，并且当其判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S232。在步骤S232中，控制单元254判定在步骤S214中获取并且由第二压力传感器21测量到的压力P2是否等于或大于上限值UV1。当其判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S234。在步骤S234中，控制单元254执行将第二控制阀22切换到关闭状态的控制。当步骤S234的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。当步骤S232的判定结果是否定时，步骤S234的处理不被执行，并且该例程过渡到步骤S24。

通过上述控制例程，例如，如在图8中示意地，在时期T1、T2和T3中压力以与在第一实施例中相同的方式变化。在另一方面，在高负荷指令不被输入的时期T4中，第二控制阀22的开和关被重复，使得由第二压力传感器21测量到的压力P2处于等于或大于下限值LV1并且小于上限值UV1的范围中。

如上所述，根据这个实施例，能够在高负荷指令不被输入的时期中回收膨胀器24中的氢气的膨胀能，并且能够将在输入高负荷指令的时间点处的压力差PD保持为相对高。因此，能够有效率地回收膨胀器24中的氢气的膨胀能。

[第三实施例]

将在下面描述第三实施例。将通过相同的附图标记指代与在第二实施例中相同的元件，并且其说明将不予重复。

将在下面参考图9和图10描述根据这个实施例的燃料电池系统310的构造。如在图9中示意地，替代第二实施例中的第二控制阀22地，燃料电池系统310包括第二控制阀22A。燃料电池系统310另外地包括止回阀46。

在根据这个实施例的燃料电池系统310中，从上游到下游绕过膨胀器24的旁通路径被设置在供给路径16中。在以下说明中，为了避免复杂化，在供给路径16中在连接到旁通路径的上游侧上的一端的部分和连接到其下游侧上的另一端的部分之间的路径被称作第一供给路径16A，并且旁通路径被称作第二供给路径16B。在第一供给路径16A中，膨胀器24、热交换器26、副罐28、第二压力传感器21和止回阀46被按照这个顺序从上游到下游布置。在这个实施例中，第一供给路径16A和第二供给路径16B在压力控制阀30的上游相互联结。设置止回阀46以防止氢气向副罐28回流。

在燃料电池系统310中，是三通阀的第二控制阀22A被设置在供给路径16中的连接到第二供给路径16B的上游侧上的一端的部分中。在这个实施例中的第二控制阀22A是如在图10中示意地被切换到打开状态、第一关闭状态和第二关闭状态中的一个状态的阀。打开状态是向第二供给路径16B的氢气的供给被截断并且氢气被供给到第一供给路径16A(即，膨胀器24)的状态。第一关闭状态是氢气被供给到第二供给路径16B并且向第一供给路径16A的氢气的供给被截断的状态。第二关闭状态是向第一供给路径16A和第二供给路径16B这两者的氢气的供给均被截断的状态。

控制装置50在功能上包括估算单元252和控制单元354。当由第一压力传感器20测量到的压力P1小于预定阈值TH3时，控制单元354执行将第二控制阀22A切换到第一关闭状态的控制。当由第一压力传感器20测量到的压力P1等于或大于阈值TH3时，控制单元354执行与由第二实施例中的控制单元254执行的相同的控制。

由于第二实施例中的第二控制阀22仅需被第二控制阀22A取代，所以控制装置50的硬件构造将不予重复描述。

将在下面参考图11描述根据这个实施例的燃料电池系统310的操作。图11是示意由根据这个实施例的控制装置50的ECU 60执行的控制例程的流程的示例的流程图。在这个实施例中，通过使ECU 60执行预先存储在ROM中的程序来执行该控制例程。例如，当燃料电池组12的驱动开始时，诸如当未示意的电源开关被打开时，在图11中示意的控制例程被执行。通过执行预先存储在ROM中的程序，控制装置50的ECU 60充当在图9中示意的估算单元252和控制单元354。将通过相同的步骤编号指代执行与在图7中相同的处理的在图11中的步骤，并且其说明将不予重复。

在图11的步骤S300中，控制单元354判定在步骤S214中获取并且由第一压力传感器20测量到的压力P1是否小于阈值TH3。当其判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S216，并且当其判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S302。

在步骤S302中，控制单元354执行将第二控制阀22A切换到第一关闭状态的控制。当第二控制阀22A已经处于第一关闭状态中时，第一关闭状态被维持。当步骤S302的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。

在另一方面，在步骤S318中，控制单元254执行将第二控制阀22A切换到打开状态的控制。当第二控制阀22A已经处于打开状态中时，打开状态被维持。在步骤S322和S334中，控制单元254执行将第二控制阀22A切换到第二关闭状态的控制。当第二控制阀22A处于第二关闭状态中时，第二关闭状态被维持。

如上所述，根据这个实施例，能够实现与在第二实施例中相同的优点，并且即使当氢罐14的内部压力相对低时，仍然能够通过使用不包括膨胀器24的供给路径向燃料电池组12供给氢气来稳定燃料电池系统310的操作。

[第四实施例]

将在下面描述第四实施例。将通过相同的附图标记指代与第三实施例中相同的元件，并且其说明将不予重复。

将在下面参考图12描述根据这个实施例的燃料电池系统410的构造。如在图12中示意地，燃料电池系统410另外地包括温度传感器48，其测量在冷却剂循环通道44中流动的冷却剂的温度。控制装置50在功能上包括估算单元252和控制单元454。

当由温度传感器48测量到的温度等于或低于预定温度阈值时，控制单元454执行将第二控制阀22A切换到第一关闭状态的控制。当由温度传感器48测量到的温度高于温度阈值时，控制单元454执行与由第三实施例中的控制单元354执行的相同的控制。

将在下面参考图13描述控制装置50的硬件构造。如在图13中示意地，温度传感器48被另外地连接到ECU 60。

将在下面参考图14描述根据这个实施例的燃料电池系统410的操作。图14是示意由根据这个实施例的控制装置50的ECU 60执行的控制例程的流程的示例的流程图。在这个实施例中，通过使ECU 60执行预先存储在ROM中的程序来执行该控制例程。例如，当燃料电池组12的驱动开始时，诸如当未示意的电源开关被打开时，在图14中示意的控制例程被执行。通过执行预先存储在ROM中的程序，控制装置50的ECU 60充当在图12中示意的估算单元252和控制单元454。将通过相同的步骤编号指代执行与在图11中相同的处理的在图14中的步骤，并且其说明将不予重复。

在图14的步骤S400中，控制单元454获取由温度传感器48测量到的温度。在步骤S402中，控制单元454判定在步骤S400中获取的温度是否等于或低于温度阈值。当其判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S302，并且当其判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S214。

如上所述，根据这个实施例，能够实现与在第三实施例中相同的优点。根据这个实施例，当用于冷却燃料电池组12的冷却剂的温度等于或低于温度阈值时，通过将第二控制阀22A切换到第一关闭状态，向第一供给路径16A的氢气的供给被截断，并且氢气被供给到第二供给路径16B。因此，在此情形中，由于不通过热交换器26执行热交换，所以冷却剂不被冷却并且因此能够抑制燃料电池组12的过冷却。

[第五实施例]

将在下面描述第五实施例。将通过相同的附图标记指代与第四实施例中相同的元件，并且其说明将不予重复。

将在下面参考图15描述根据这个实施例的燃料电池系统510的构造。如在图15中示意地，燃料电池系统510包括设置在第二供给路径16B中的压力控制阀30。与压力控制阀30类型相同的第二压力控制阀31A被设置在第一供给路径16A中在第二压力传感器21的下游。使在其中流动的氢气减压的第三压力控制阀31B被设置在第一供给路径16A中在膨胀器24的上游。第一供给路径16A和第二供给路径16B在喷射器32的上游相互联结。

控制装置50在功能上包括估算单元552和控制单元454。估算单元552估算在膨胀器24上游的压力P1与其下游的压力P2之间的压力差PD。在这个实施例中，估算单元552使用被第三压力控制阀31B减压的压力作为压力P1。压力P1例如基于第三压力控制阀31B的设计规格被预先确定。估算单元552使用由第二压力传感器21测量到的压力作为压力P2。估算单元552将通过从压力P1减去压力P2获得的值估算为压力差PD。

根据这个实施例的控制装置50的硬件构造与第四实施例中的相同，并且因此其说明将不予重复。

根据这个实施例的燃料电池系统510的操作不同于根据第四实施例的之处在于，替代由第一压力传感器20测量到的压力，由第三压力控制阀31B降低的压力被用作膨胀器24上游的压力P1，并且因此其说明将不予重复。

如上所述，根据这个实施例，膨胀器24上游的压力P1的上限值被第三压力控制阀31B设定为低于第四实施例中的值。因此，当第二控制阀22A被打开和关闭时，能够稳定膨胀器24的输出并且减小对于膨胀器24的压力变化。

例如，如在图16中示意地，类似于第四实施例，止回阀46可以被设置在第一供给路径16A中，并且第一供给路径16A和第二供给路径16B可以在压力控制阀30的上游相互联结。例如，如在图17中示意地，替代第二控制阀22A，是与第二控制阀22相同类型的双通阀的第二控制阀22B可以被设置在第一供给路径16A中，并且第二控制阀22C可以被设置在第二供给路径16B中。在此情形中，使第二控制阀22B处于打开状态中并且使第二控制阀22C处于关闭状态中的状态对应于第二控制阀22A的打开状态。使第二控制阀22B处于关闭状态中并且使第二控制阀22C处于打开状态中的状态对应于第二控制阀22A的第一关闭状态。第二控制阀22B和22C这两者均处于关闭状态中的状态对应于第二控制阀22A的第二关闭状态。在图17中示意的示例中，第二控制阀22B的位置和第三压力控制阀31B的位置可以颠倒。

[第六实施例]

将在下面描述第六实施例。将通过相同的附图标记指代与在第五实施例中相同的元件，并且其说明将不予重复。

将在下面参考图18描述根据这个实施例的燃料电池系统610的构造。如在图18中示意地，在根据这个实施例的燃料电池系统610中，第一供给路径16A和第二供给路径16B在喷射器32的下游相互联结。即，在这个实施例中，膨胀器24下游的压力的下限值被设定为比第五实施例中的小的值。

根据这个实施例的控制装置50的硬件构造与第五实施例中相同，并且因此其说明将不予重复。

除了下限值LV1被设定为比第五实施例中的小的值之外，根据这个实施例的燃料电池系统610的操作与根据第五实施例的燃料电池系统相同，并且因此其说明将不予重复。

如上所述，根据这个实施例，由于膨胀器24下游的压力的下限值比在第五实施例中的小，所以能够选择适当的膨胀比。

[第七实施例]

将在下面描述第七实施例。将通过相同的附图标记指代与在第六实施例中相同的元件并且其说明将不予重复。

将在下面参考图19描述根据这个实施例的燃料电池系统710的构造。如在图19中示意地，在根据这个实施例的燃料电池系统710中，第三压力控制阀31B被设置在供给路径16中在第二控制阀22A的上游。即，在这个实施例中，在第二控制阀22A中流动的压力的上限值被设定为比第六实施例中的小的值。喷射器32被设置在第二供给路径16B中。

根据这个实施例的控制装置50的硬件构造与第六实施例中相同，并且因此其说明将不予重复。

根据这个实施例的燃料电池系统710的操作与在第六实施例中相同，并且因此其说明将不予重复。

如上所述，根据这个实施例，由于不使用高压氢气，所以能够实现膨胀器24的高密封能力并且因此减小燃料电池系统710的尺寸。

[第八实施例]

将在下面描述第八实施例。将通过相同的附图标记指代与在第五实施例中相同的元件，并且其说明将不予重复。

将在下面参考图20描述根据这个实施例的燃料电池系统810的构造。如在图20中示意地，根据这个实施例的燃料电池系统810的控制装置50在功能上包括估算单元852和控制单元854。

根据这个实施例的控制装置50的硬件构造与第五实施例中相同，并且因此其说明将不予重复。

将在下面参考图22描述根据这个实施例的燃料电池系统810的操作。图22是示意由根据这个实施例的控制装置50的ECU 60执行的控制例程的流程的示例的流程图。在这个实施例中，通过使ECU 60执行预先存储在ROM中的程序而执行该控制例程。例如，当燃料电池组12的驱动开始时，诸如当未示意的电源开关被打开时，在图22中示意的控制例程被执行。通过执行预先存储在ROM中的程序，控制装置50的ECU 60充当在图20中示意的估算单元852和控制单元854。将通过相同的步骤编号指代执行与在图14中相同的处理的在图22中的步骤，并且其说明将不予重复。

为了避免复杂化，在以下说明中，由第一压力传感器20测量到的压力被定义为Pa，由第三压力控制阀31B降低的压力被定义为Pc，并且由第二压力传感器21测量到的压力被定义为Pd。为了避免复杂化，在以下说明中，由压力控制阀30降低的压力被定义为Pe，并且由温度传感器48测量到的温度被定义为Te。

为了避免复杂化，在以下说明中，如在图21中示意地，使连接到第二供给路径16B的第二控制阀22A的第一通路Vb处于关闭状态中并且使连接到第一供给路径16A的第二通路Vc处于打开状态中的状态对应于图10中的打开状态。如在图21中示意地，使第二控制阀22A的第一通路Vb处于打开状态中并且使第二通路Vc处于关闭状态中的状态对应于图10中的第一关闭状态。如在图21中示意地，第二控制阀22A的第一通路Vb和第二通路Vc这两者均处于关闭状态中的状态对应于图10中的第二关闭状态。

在图22的步骤S800中，估算单元852获取由第一压力传感器20测量到的压力Pa和由第二压力传感器21测量到的压力Pd。在步骤S802中，控制单元854判定Pa是否等于或大于(Pe+δ)。当其判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S804。在步骤S804中，控制单元854执行将第一通路Vb切换到打开状态的控制，并且执行将第二通路Vc切换到关闭状态的控制。当步骤S804的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。

在另一方面，当步骤S802的判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S806。在步骤S806中，控制单元854判定高负荷指令是否被输入。当其判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S808。在步骤S808中，控制单元854判定Te是否高于90[℃]。当其判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S810。

在步骤S810中，控制单元854判定Pd是否高于Pe。当其判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S814，并且当判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S812。在步骤S812中，控制单元854执行将第一通路Vb切换到打开状态的控制。当步骤S812的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。

在步骤S814中，控制单元854执行将第一通路Vb切换到关闭状态的控制。在步骤S816中，控制单元854判定Pd是否等于或低于(Pc-α)。当其判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S822，并且当判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S818。

在步骤S818中，控制单元854判定是否第二通路Vc处于关闭状态中并且Pd高于(Pe+γ)。当其判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S822，并且当其判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S820。在步骤S820中，控制单元854执行将第二通路Vc切换到打开状态的控制。当步骤S820的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。在步骤S822中，控制单元854执行将第二通路Vc切换到关闭状态的控制。当步骤S822的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。

在另一方面，当步骤S808的判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S824。在步骤S824中，控制单元854判定Te是否高于30[℃]并且等于或低于90[℃]。当其判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S828，并且当其判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S826。在步骤S826中，控制单元854执行将第一通路Vb切换到打开状态的控制和将第二通路Vc切换到关闭状态的控制。当步骤S826的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。

在步骤S828中，控制单元854判定Pd是否高于Pe。当其判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S832，并且当判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S830。在步骤S830中，控制单元854执行将第一通路Vb切换到打开状态的控制。当步骤S830的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。

在步骤S832中，控制单元854执行将第一通路Vb切换到关闭状态的控制。在步骤S834中，控制单元854判定是否第二通路Vc出于关闭状态中并且Pd等于或低于(Pe+β)。当其判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S842，并且当判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S836。

在步骤S836中，控制单元854判定Pd是否等于或低于(Pe+γ)。当判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S840，并且当判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S838。在步骤S838中，控制单元854执行将第二通路Vc切换到打开状态的控制。当步骤S838的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。在步骤S840中，控制单元854执行将第二通路Vc切换到关闭状态的控制。当步骤S840的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。

在步骤S842中，控制单元854判定Pd是否等于或低于(Pe+β)。当其判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S846，并且当判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S844。在步骤S844中，控制单元854执行将第二通路Vc切换到打开状态的控制。当步骤S844的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。在步骤S846中，控制单元854执行将第二通路Vc切换到关闭状态的控制。当步骤S846的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。

在另一方面，当步骤S806的判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S848。在步骤S848中，控制单元854判定Te是否等于或低于30[℃]。当其判定结果是否定时，该例程过渡到步骤S810，并且当判定结果是肯定时，该例程过渡到步骤S850。在步骤S850中，控制单元854执行将第一通路Vb切换到打开状态的控制和将第二通路Vc切换到关闭状态的控制。当步骤S850的处理完成时，该例程过渡到步骤S24。

在这个实施例中，替代被用于判定压力的下限值的Pe，通过将与第二压力控制阀31A的阻力对应的ε添加到Pe而获得的Pe’(＝Pe+ε)可以被用作在Pd的位置处的压力。

如上所述，根据这个实施例，能够实现与在第五实施例中实现的相同的优点。

在上述实施例中，通过将在膨胀器24上游的压力P1和其下游的压力P2之间的压力差PD与阈值进行比较来切换控制阀的打开/关闭状态，但是本发明不限于此。例如，可以通过将膨胀器24下游的压力P2对其上游的压力P1的压力比PR(＝P2/P1)与阈值进行比较来切换控制阀的打开/关闭状态。在此情形中，例如，在第一实施例中，当压力比PR等于或高于预定阈值TH4时，第二控制阀22被切换到关闭状态。例如，当压力比PR低于阈值TH5(该阈值TH5小于阈值TH4)时，第二控制阀22被切换到打开状态。在此情形中，能够根据膨胀器24的设计规格适当地确定阈值TH4和TH5。

在上述实施例中由ECU 60执行的例程是通过执行程序而执行的软件例程，但是也可以是由硬件执行的例程。由ECU 60执行的例程可以是软件和硬件结合地执行的例程。存储在ROM中的程序可以被记录在各种存储介质上并且然后被分发。

本发明不限于上述实施例，并且除了实施例之外，本发明还能够在不偏离本发明的主旨的情况下以各种形式修改。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，其特征在于包括：

第一减压单元，所述第一减压单元被布置在用于从氢罐向燃料电池组供给氢气的供给路径中，并且使待向所述燃料电池组供给的氢气减压；

膨胀器，所述膨胀器被布置在所述供给路径中所述第一减压单元的上游，并且使从所述氢罐供给的氢气减压并膨胀；

流量调节单元，所述流量调节单元被布置在所述供给路径中所述膨胀器的上游，并且所述流量调节单元能够被切换到打开状态和关闭状态中的一个状态，在所述打开状态中，氢气被供给到所述膨胀器，而在所述关闭状态中，向所述膨胀器的氢气的供给被截断或者向所述膨胀器供给的氢气量少于在所述打开状态中的向所述膨胀器供给的氢气量；和

控制单元，当在所述供给路径中的所述膨胀器上游的第一压力和所述膨胀器下游的第二压力之间的压力差小于第一阈值时或者当所述第二压力对所述第一压力的压力比等于或大于第二阈值时，所述控制单元执行将所述流量调节单元切换到所述关闭状态的控制。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于进一步包括：

第一压力传感器，所述第一压力传感器测量所述氢罐的内部压力作为所述第一压力；和

第二压力传感器，所述第二压力传感器测量在所述膨胀器和所述第一减压单元之间的压力作为所述第二压力。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，当所述压力差等于或大于第三阈值时或者当所述压力比小于第四阈值时，所述控制单元执行将所述流量调节单元切换到所述打开状态的控制，其中所述第三阈值大于所述第一阈值，而所述第四阈值小于所述第二阈值。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，旁通路径被设置在所述供给路径中，所述旁通路径从上游到下游绕过所述膨胀器，并且

其中，所述流量调节单元是被设置在所述供给路径中的连接到所述旁通路径的第一端的上游部分中的三通阀，所述三通阀在所述打开状态中向所述膨胀器供给氢气并且截断向所述旁通路径的氢气的供给，并且所述三通阀具有作为所述关闭状态的第一关闭状态和第二关闭状态，在所述第一关闭状态中，向所述膨胀器的氢气的供给被截断并且氢气被供给到所述旁通路径，而在所述第二关闭状态中，向所述膨胀器和所述旁通路径这两者的氢气的供给均被截断。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于进一步包括热交换器，所述热交换器被设置在所述供给路径中的连接到所述旁通路径的第二端的下游部分和所述膨胀器之间，并且所述热交换器在被所述膨胀器减压并膨胀的氢气和用于冷却所述燃料电池组的冷却剂之间执行热交换。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于进一步包括温度传感器，所述温度传感器测量所述冷却剂的温度，

其中，当由所述温度传感器测量到的温度等于或低于预定温度阈值时，所述控制单元执行将所述流量调节单元切换到所述第一关闭状态的控制。

7.根据权利要求4至6中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一减压单元被设置在所述供给路径中的连接到所述旁通路径的第二端的下游部分和所述膨胀器之间，并且

其中，所述燃料电池系统进一步包括：

第二减压单元，所述第二减压单元被设置在所述膨胀器和所述流量调节单元之间，并且使从所述氢罐供给的氢气减压；

第三减压单元，所述第三减压单元被设置在所述旁通路径中，并且使要向所述燃料电池组供给的氢气减压；和

喷射器，所述喷射器被设置在所述下游部分和所述燃料电池组之间。

8.根据权利要求4至6中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一减压单元被设置在所述供给路径中的连接到所述旁通路径的第二端的下游部分和所述膨胀器之间，并且

其中，所述燃料电池系统进一步包括：

第二减压单元，所述第二减压单元被设置在所述流量调节单元和所述氢罐之间，并且使从所述氢罐供给的氢气减压；和

喷射器，所述喷射器被设置在所述旁通路径中。

9.一种控制装置，所述控制装置控制减压单元、膨胀器和流量调节单元，其中所述减压单元被布置在用于从氢罐向燃料电池组供给氢气的供给路径中，并且使待向所述燃料电池组供给的氢气减压；所述膨胀器被布置在所述供给路径中所述减压单元的上游，并且使从所述氢罐供给的氢气减压并膨胀；所述流量调节单元被布置在所述供给路径中所述膨胀器的上游，并且所述流量调节单元能够被切换到打开状态和关闭状态中的一个状态，在所述打开状态中，氢气被供给到所述膨胀器，而在所述关闭状态中，向所述膨胀器的氢气的供给被截断或者向所述膨胀器供给的氢气量少于在所述打开状态中的向所述膨胀器供给的氢气量，所述控制装置的特征在于包括：

控制单元，当在所述供给路径中的所述膨胀器上游的第一压力和所述膨胀器下游的第二压力之间的压力差小于第一阈值时或者当所述第二压力对所述第一压力的压力比等于或大于第二阈值时，所述控制单元执行将所述流量调节单元切换到所述关闭状态的控制。