CN110085890A - 燃料电池系统以及燃料电池车辆 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及燃料电池系统以及燃料电池车辆。该燃料电池系统具备：燃料电池；蓄压器，其贮存燃料气体；气体余量获取单元，其获取在所述蓄压器中贮存的所述燃料气体的余量；以及发电控制部，其中，在所述蓄压器内贮存的所述燃料气体的余量减小至阈值时，所述发电控制部从湿润发电控制切换为干燥发电控制。

Description

燃料电池系统以及燃料电池车辆
技术领域
本发明涉及实施为下次的低温启动等而具备的干燥发电控制的燃料电池系统以及燃料电池车辆。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池具备电解质膜-电极结构体(MEA)，该电解质膜-电极结构体在由高分子离子交换膜形成的电解质膜的一方的面配设阳极电极，在另一方的面配设阴极电极。电解质膜-电极结构体以被隔板夹持的方式构成发电单电池(电池单体)。通常，通过层叠规定个数的发电单电池例如作为车载用燃料电池堆组入燃料电池车辆(燃料电池电动汽车等)。
如日本特开2016-4630号公报(以下称为JPA2016-4630)等所记载那样，为了用燃料电池来高效率地发电，需要将MEA维持为湿润的状态(JPA2016-4630的[0003])。
但是，在燃料电池的发电停止时，如果在燃料电池的内部保持余留有所需以上量的水的状态，该残留水成为向燃料电池供给氢和空气的障碍，存在下次的启动性能下降的风险。另外，当在冰点以下时，残留水冻结。因这样的残留水引起的启动性能下降会随着在启动时的温度越为低温而变得越明显。
因而，在JPA2016-4630中，从对燃料电池产生停止指令至满足规定条件为止，执行继续发电的停止时发电工序。而且，在执行停止时发电工序时，估计将来进行的闲置期间扫气工序的扫气效果，使用该估计的结果来设定停止时发电工序的完成时间点的目标含水状态。而且，在停止时发电工序中，继续发电以实现所设定的目标含水状态(JPA2016-4630的[0019])。由此，能够使闲置期间中进行了扫气之后的、下次的启动时的膜的含水状态总是与发电优选的状态一致。
发明内容
然而，在燃料电池车辆中，为了执行用于调整内部的水分量的干燥发电，需要在氢罐中余留闲置期间中的干燥发电部分的氢余量来作为燃料。
因而，在燃料电池车辆中，作为气体缺乏(燃料用尽的情况)判定阈值，设定为对余留在氢罐中的无效氢余量(燃料电池无法发电的氢余量)加上闲置期间中消耗的氢量而成的值。
但是，如果将加上闲置期间中消耗的氢量而成的值设定为气体缺乏判定阈值，与该部分相应地，行驶时可使用的氢量减少。
本发明是考虑了这样的问题而完成的，其目的在于提供能够一边确保下次启动时的启动性能，一边使行驶时可使用的氢量增加的燃料电池系统以及燃料电池车辆。
本发明所涉及的燃料电池系统具备：燃料电池；蓄压器，其用于贮存燃料气体；气体余量获取单元，其用于获取在所述蓄压器贮存的所述燃料气体的余量；以及发电控制部，其中，在所述蓄压器内贮存的所述燃料气体的余量减小至阈值时，所述发电控制部从湿润发电控制切换为干燥发电控制。
根据本发明，在燃料气体的余量减小至阈值时，切换为干燥发电控制，因此即使在燃料电池系统停止后外部气温降低到冰点以下，也能够避免燃料电池的冻结，并能够抑制下次启动时的启动不良。
在该情况下，也可以是，还具备温度相关值获取单元，该温度相关值获取单元获取所述燃料电池的温度相关值，在所述燃料气体的余量减小至所述阈值之前该燃料电池系统停止的情况下，所述发电控制部在该系统停止后的闲置期间中基于所述温度相关值预测到所述燃料电池的冻结时，将该燃料电池系统启动来实施干燥发电控制，所述阈值至少设定为比对所述燃料电池成为无法发电的气体缺乏判定量加上在所述闲置期间中的干燥发电控制所消耗的部分的干燥发电消耗量而成的值大的值。
这样，根据系统停止时的温度的变化状况，仅在需要时进行干燥发电，因此能够抑制因不需要的干燥发电造成的燃料消耗，并且即使在停止后的闲置期间中进行干燥发电，也能够确保用于在下次启动时启动燃料电池的足够量的燃料气体。
此外，优选为，所述发电控制部在实施所述干燥发电控制时对该燃料电池系统的输出进行限制。
这样，由于在实施干燥发电控制时对燃料电池系统的输出进行限制，因此能够将燃料电池的劣化抑制为最小。
本发明还包括搭载有上述燃料电池系统的燃料电池车辆。
本发明所涉及的燃料电池车辆能够确保可行驶续航距离，并且能够防止燃料电池的冻结，因此能够提高燃料电池车辆的商品性能。
根据本发明所涉及的燃料电池系统以及燃料电池车辆，在燃料气体的余量减小至阈值时切换为干燥发电控制，因此即使在燃料电池系统停止后外部气温降低到冰点以下，也能够避免燃料电池的冻结，并能够抑制下次启动时的启动不良。在该情况下，在燃料电池车辆中，能够确保可行驶续航距离并能够提高商品性能。
根据参照附图对以下的实施方式进行的说明，容易理解所述目的、特征以及优点。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的搭载有燃料电池系统的实施方式所涉及的燃料电池车辆的概要结构说明图。
图2是用于说明图1例的燃料电池车辆的运转控制方法的动作的流程图。
图3是说明实施方式和比较例的气体缺乏判定阈值等的说明图。
图4是说明实施方式所涉及的干燥发电控制的时序图。
图5是说明比较例所涉及的干燥发电控制的时序图。
具体实施方式
下面，举出适合的实施方式，并参照附图来对本发明所涉及的燃料电池系统以及燃料电池车辆进行说明。
[搭载有燃料电池系统12的燃料电池车辆10的结构]
如图1所示，实施方式所涉及的燃料电池车辆10例如是燃料电池电动汽车。燃料电池车辆10具备实施方式所涉及的燃料电池系统12、蓄电池(蓄電装置)14、电流控制器15以及电机(车辆驱动用电动机)16。蓄电池14包括二次电池和电容器等。
燃料电池系统12具备燃料电池堆(燃料电池)18、氧化剂气体供给装置20、燃料气体供给装置22、冷却介质供给装置24以及控制装置26。控制装置26由ECU(ElectronicControl Unit：电子控制单元)构成，CPU(中央处理器)通过执行在存储器中存储的程序来作为各种控制部等进行动作。
氧化剂气体供给装置20向燃料电池堆18供给氧化剂气体，燃料气体供给装置22向所述燃料电池堆18供给燃料气体，冷却介质供给装置24向所述燃料电池堆18供给冷却介质。控制装置26通过未图示的控制线来进行包含对电流控制器15的控制在内的、对整个燃料电池系统12(各构成部件)的控制。
在燃料电池堆18中，层叠多个发电单电池28。各发电单电池28构成有MEA(电解质膜-电极结构体)，该MEA具备例如作为包含水分的全氟磺酸的薄膜的固体高分子电解质膜30、和夹持所述固体高分子电解质膜30的阳极电极32以及阴极电极34。固体高分子电解质膜30除了能使用氟系电解质之外还能够使用HC(碳化氢)系电解质。
燃料电池系统12的输出(电力)、即燃料电池堆18的输出(电力)在控制装置26的控制下通过电流控制器15来向电机16供给，并且能够充入蓄电池14。
在该情况下，在控制装置26的控制下进行针对电机16的动力运行和再生驱动控制、针对蓄电池14的充电放电控制、和针对空气压缩机42(EGR泵49、氢循环泵75、冷却泵82)等辅助设备的驱动控制、以及通过电流控制器15来进行的燃料电池堆18的发电量控制。此外，为了避免复杂，只描绘了流通大电力的、燃料电池堆18与电流控制器15之间的、以及电流控制器15与蓄电池14、电机16之间的电力线。
在燃料电池堆18设置向阳极电极32供给燃料气体(例如，氢气)的燃料气体入口连通孔36a和燃料气体出口连通孔36b。
在燃料电池堆18设置向阴极电极34供给氧化剂气体(例如，空气)的氧化剂气体入口连通孔38a和氧化剂气体出口连通孔38b。
在燃料电池堆18设置有在各发电单电池28中使冷却介质流通的冷却介质入口连通孔40a和冷却介质出口连通孔40b。
氧化剂气体供给装置20具备将来自大气的空气压缩并供给的空气压缩机(气泵)42，所述空气压缩机42配设于空气供给流路44。
在空气供给流路44设置加湿器46和经由阀48而绕过所述加湿器46的旁路流路50。空气供给流路44与燃料电池堆18的氧化剂气体入口连通孔38a连通。
氧化剂气体出口连通孔38b通过加湿器46来与空气排出流路52连通。在空气排出流路52与空气供给流路44之间设置EGR(Exhaust Gas Recirculation：排气再循环)泵49。
EGR泵49使从氧化剂气体出口连通孔38b排出的气体的一部分向氧化剂气体入口连通孔38a侧回流。
在空气压缩机42的空气供给流路44侧，配设入口密封阀53。
在空气排出流路52设置出口密封阀54，并且在出口密封阀54的下游，通过背压控制阀55来连接稀释器56。
燃料气体供给装置22具备贮存高压氢的高压氢罐(蓄压器)58，所述高压氢罐58经由氢供给流路60来与燃料电池堆18的燃料气体入口连通孔36a连通。在氢供给流路60，沿氢气流动方向依次设置截止阀59、用于压力调整的喷射器61以及引射器64。
燃料电池堆18的燃料气体出口连通孔36b与排气流路66连通。排气流路66与气液分离器68连接，并且在所述气液分离器68设置排出液体成份的泄放流路70和排出气体成份的气体流路72。气体流路72经由循环路74和氢循环泵75来与引射器64连接，另一方面，在吹扫阀76打开的作用下，该气体流路72与稀释器56连通。泄放流路70经由阀78来与稀释器56连通。
稀释器56具有如下功能：使从燃料电池堆18的燃料气体出口连通孔36b排出的排气(含有氢气)和从所述燃料电池堆18的氧化剂气体出口连通孔38b排出的排气(含有氧)混合，并且将氢浓度稀释至规定值以下。
冷却介质供给装置24将燃料电池堆18的冷却介质入口连通孔40a与冷却介质出口连通孔40b连通，具备对冷却介质进行循环供给的冷却介质循环路80。在冷却介质循环路80，接近冷却介质入口连通孔40a来配置冷却泵82，并且接近冷却介质出口连通孔40b来配置散热器84。
在发电单电池28设置测定阻抗值和电位的阻抗传感器85。
在空气供给流路44、空气排出流路52、氢供给流路60、排气流路66以及高压氢罐58的出口侧分别配置压力计92a、92b、92c、92d以及92e。在空气供给流路44和氢供给流路60配置湿度计94a、94b。在空气排出流路52、气体流路72以及冷却介质循环路80配置温度计96a、96b以及96c。
[搭载有燃料电池系统12的燃料电池车辆10的湿润发电动作]
下面，对这样构成的燃料电池车辆10的动作进行说明。
借助构成氧化剂气体供给装置20的空气压缩机42来向空气供给流路44输送空气(氧化剂气体)。该空气在通过加湿器46被加湿之后、或者在通过旁路流路50绕过所述加湿器46之后，向燃料电池堆18的氧化剂气体入口连通孔38a供给。
此外，加湿器46将从氧化剂气体出口连通孔38b排出的氧化剂气体包含的水回收，并使用所回收的水来将对空气压缩机42供给的空气进行加湿。利用该加湿器46的功能，发电中的燃料电池堆18的固体高分子电解质膜30被维持为适合发电程度的湿润状态。
另一方面，在燃料气体供给装置22中，在喷射器61打开的作用下，从高压氢罐58向氢供给流路60供给氢气(燃料气体)。该氢气在通过引射器64之后，向燃料电池堆18的燃料气体入口连通孔36a供给。
另外，在冷却介质供给装置24中，在冷却泵82的作用下，从冷却介质循环路80向燃料电池堆18的冷却介质入口连通孔40a供给纯水和乙二醇、油等冷却介质。
从氧化剂气体入口连通孔38a向各发电单电池28的阴极电极34供给空气。另一方面，从燃料气体入口连通孔36a向各发电单电池28的阳极电极32供给氢气。因而，在各发电单电池28中，向阴极电极34供给的空气和向阳极电极32供给的氢气在电极催化剂层内因电化学反应被消耗来进行发电。
接着，向阴极电极34供给且被消耗的空气向氧化剂气体出口连通孔38b排出，在空气排出流路52流通并向稀释器56导入。同样地，向阳极电极32供给且被消耗的氢气作为排气(一部分被消耗的燃料气体)而向燃料气体出口连通孔36b排出。排气在从排气流路66向气液分离器68导入并被去除了液状水分之后，从气体流路72经由循环路74被引射器64吸引。
另外，被供给到冷却介质入口连通孔40a的冷却介质在将各发电单电池28冷却之后，从冷却介质出口连通孔40b排出。冷却介质通过冷却介质循环路80被散热器84冷却，又在冷却泵82的作用下对燃料电池堆18进行循环供给。
[燃料电池车辆10的行驶中的干燥发电控制动作]
接着，下面，参照图2的流程图来对本发明的实施方式所涉及的燃料电池车辆10的运转控制方法(干燥发电控制动作)进行说明。
此外，为了方便理解，参照图3的B的比较例以及图3的A的实施方式所涉及的气体余量Pr与高压氢罐58的氢贮藏量(0[％]～100[％]：气体满量Pfull)之间的关系。
在燃料电池车辆10的未图示的动力开关为接通(ON)状态下的行驶中的步骤S1中，控制装置26(发电控制部)根据压力计(气体余量获取单元)92e的压力值等来获取作为高压氢罐58内的燃料气体的余量的气体余量Pr。
还有，在该步骤S1中，判定气体余量Pr是否降低至开始行驶中的干燥发电的阈值Pdth。
在步骤S1的判定(气体余量Pr是否降低至Pr＝Pdth)为否定的(步骤S1：否)的情况下，气体余量Pr仍充分余留，因此在步骤S2中，执行将用于绕过加湿器46的阀48保持关闭的通常发电控制(湿润发电控制)。
另一方面，在步骤S1中，在气体余量Pr降低至使行驶中的干燥发电开始的阈值Pdth时(步骤S1：是)，在步骤S3中，将用于绕过加湿器46的阀48打开，并且阀48保持打开，使来自空气压缩机42的干燥空气通过旁路流路50并经由氧化剂气体入口连通孔38a来向燃料电池堆18内供给，行驶中的干燥发电控制开始。
在该情况下，在步骤S4中，控制装置26限制从燃料电池堆18通过电流控制器15来向蓄电池14以及电机16供给的电流、即发电电流，由此抑制干燥发电控制中的行驶中的高负载输出，防止燃料电池堆18的劣化加剧。
接下来，在步骤S5中，获取气体余量Pr，并判定所获取中的气体余量Pr是否降低至燃料电池堆18成为无法发电的气体无效余量阈值(也称为无效氢余量阈值、或者气体缺乏判定量)Pgsth。
在步骤S3、步骤S4、以及步骤S5为“否”的干燥发电控制的持续期间，燃料电池车辆10停止行驶，未图示的动力开关被设为断开状态。在动力开关被设为断开状态之后的步骤S3中，切换为停止中(闲置中)的干燥发电控制，在步骤S4中，进一步限制输出。
在停止中的干燥发电控制中的步骤S5中，在气体余量Pr降低至气体无效余量阈值Pgsth(步骤S5：是)的情况下，在步骤S6中，燃料电池车辆10成为不可行驶的行驶停止状态。
此外，未图示的所谓的气体缺乏灯在气体余量Pr下降为比图3的A所示的使干燥发电开始的阈值Pdth稍大的值时点亮。
[总结]
如图3的A所示，本实施方式所涉及的搭载有燃料电池系统12的燃料电池车辆10在行驶中，贮藏在高压氢罐58的燃料气体的气体余量(高压氢罐58的氢贮藏量)Pr例如从满填充量(100[％])下降至阈值(使行驶中的干燥发电开始的阈值)Pdth时，切换为干燥发电控制并继续行驶，由此燃料电池堆18进行干燥。因而，即使在燃料电池系统12停止后外部气温降低到冰点以下，也能够避免燃料电池堆18的冻结，并能够抑制下次启动时的启动不良。
这样，在本实施方式中，与图3的B的比较例的气体缺乏判定阈值Pgspth相比较，将根据比较例(图3的B)在闲置中要消耗的氢量(图3的B的闲置中的干燥发电部分)作为图3的A的实施方式的行驶时可使用的干燥发电部分，与无效氢余量阈值Pgsth相加，来设为使行驶中的干燥发电开始的阈值Pdth，因此不需要闲置中的干燥发电，能够使行驶中可使用的氢量增加。
即，下次的低温启动所具备的干燥发电控制与行驶同时进行，由此能够确保行驶时可使用的气体余量Pr，能够延长可续航的距离。实质上，能够考虑到气体缺乏判定阈值已从气体缺乏判定阈值Pgspth(比较例)降低至气体无效余量阈值Pgsth(实施方式)(图3的A、图3的B)。
图4是说明本实施方式的时序图，图5是说明比较例的时序图。
在图5所示的比较例中，在时间点t1，当气体余量Pr降低至气体缺乏判定阈值Pgspth时，行驶停止并开始闲置。在闲置中的时间点t2～t3期间，实施干燥发电。关于燃料电池堆18内部的水分状态，至时间点t2为止被设为通常使用范围的湿润发电控制(湿润控制状态)，从时间点t2至时间点t3，从湿润发电控制(湿润控制状态)被设为干燥发电控制(干燥控制状态)。
此外，在闲置中的干燥发电中(时间点t2～t3)要消耗的氢量既可以是预先设定的规定量，也可以是利用湿度计94a、94b探测堆内水分状态(堆内水分量)而得的值、或者也可以是基于估计堆内水分状态而得的值来可变地设定。例如，能够基于干燥发电时使用范围(图5)内的目标堆内水分状态与当前的堆内水分状态之间的比较的结果，来将成为目标堆内水分状态所需的氢量设为在闲置中要消耗的氢量。
另一方面，在图4所示的实施方式中，在行驶中的时间点t10，当气体余量Pr低于使行驶中的干燥发电开始的阈值Pdth(Pdth≈Pgspth>Pgsth)时，开始干燥发电并且进行输出限制。由此，在时间点t10～时间点t11之间，从湿润发电控制状态设为干燥发电控制(干燥控制状态)。在时间点t10～时间点t11之间的干燥发电期间，通过电流控制器15来限制燃料电池堆18的输出，抑制与干燥发电伴随的燃料电池堆18的劣化加剧。
[变形例]
在图4的时间点t10之前，换言之，在气体余量Pr减小至使行驶中的干燥发电开始的阈值Pdth之前，燃料电池系统12的动力开关为断开状态，在燃料电池系统12停止的情况下，在燃料电池系统12的系统停止后的闲置期间中，在基于由温度计(温度相关值获取单元)96a检测到的温度而预测到燃料电池堆18的冻结时，启动燃料电池系统12并实施停止中的干燥发电控制。
此外，将使行驶中的干燥发电开始的阈值Pdth至少设定为对燃料电池堆18成为无法发电的气体缺乏判定量Pgsth加上闲置期间中的干燥发电控制所消耗的部分的干燥发电消耗部分(干燥发电消耗量)而得的量{Pdth≥(Pgsth+干燥发电消耗量)}。
如本变形例所示那样，根据系统停止时的温度的变化状况，仅在需要时进行干燥发电，因此能够抑制因不需要的干燥发电造成的氢消耗，并且在停止后的闲置期间中进行干燥发电，也能够确保在下次启动时用于启动燃料电池的足够量的燃料气体。
此外，本发明不限于上述的实施方式，能够采用各种各样的结构，这是当然的。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池；
蓄压器，其贮存燃料气体；
气体余量获取单元，其获取在所述蓄压器中贮存的所述燃料气体的余量；以及
发电控制部，
其中，在所述蓄压器内贮存的所述燃料气体的余量减小至阈值时，所述发电控制部从湿润发电控制切换为干燥发电控制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备温度相关值获取单元，该温度相关值获取单元获取所述燃料电池的温度相关值，
在所述燃料气体的余量减小至所述阈值之前该燃料电池系统停止的情况下，所述发电控制部在该系统停止后的闲置期间中基于所述温度相关值预测到所述燃料电池的冻结时，将该燃料电池系统启动来实施干燥发电控制，
所述阈值至少设定为比对所述燃料电池成为无法发电的气体缺乏判定量加上在所述闲置期间中的干燥发电控制中消耗的部分的干燥发电消耗量而得的值大的值。
3.根据权利要求1或者2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述发电控制部在实施所述干燥发电控制时对该燃料电池系统的输出进行限制。
4.一种燃料电池车辆，通过向电机供给燃料电池系统的输出来行驶，其特征在于，所述燃料电池系统具备：
燃料电池；
蓄压器，其贮存燃料气体；
气体余量获取单元，其获取在所述蓄压器中贮存的所述燃料气体的余量；以及
发电控制部，
其中，在该燃料电池车辆行驶时，在所述蓄压器内贮存的所述燃料气体的余量减小至阈值时，所述发电控制部从湿润发电控制切换为干燥发电控制。
5.根据权利要求4所记载的燃料电池车辆，其特征在于，
所述燃料电池系统还具备温度相关值获取单元，该温度相关值获取单元获取所述燃料电池的温度相关值，
在所述燃料气体的余量减小至所述阈值之前所述燃料电池系统停止的情况下，所述发电控制部在该系统停止后的闲置期间中基于所述温度相关值预测到所述燃料电池的冻结时，将该燃料电池系统启动来实施干燥发电控制，
所述阈值至少设定为比对所述燃料电池成为无法发电的气体缺乏判定量加上在所述闲置期间中的干燥发电控制中消耗的部分的干燥发电消耗量而得到的值大的值。
6.根据权利要求4或者5所记载的燃料电池车辆，其特征在于，
所述发电控制部在实施所述干燥发电控制时对所述燃料电池系统的输出进行限制。
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