CN110098419B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

燃料电池系统配备有：燃料电池堆、压缩机、空气供应流路、旁通流路、旁通阀、开度传感器、控制器。空气供应流路将压缩机喷出的空气导向燃料电池堆。旁通流路从空气供应流路的中途分支，使压缩机喷出的空气不通过燃料电池堆，而导向排出流路。旁通阀设置于旁通流路，被构成为当旁通阀的上游侧的压力超过设定压时打开。控制器基于旁通阀的开度推定空气供应流路的压力。

Description

燃料电池系统

技术领域

本说明书公开的技术涉及燃料电池系统。

背景技术

在日本特开2017－126540中公开了一种燃料电池系统。该燃料电池系统配备有燃料电池堆、压缩机、空气供应流路、调压阀、旁通流路、旁通阀、压力传感器、控制器。压缩机向燃料电池堆输送空气(氧)。空气供应流路将压缩机喷出的空气导向燃料电池堆。调压阀设置在从燃料电池堆排出残留空气的排出流路中。旁通流路从空气供应流路的中途分支，使压缩机喷出的空气不经过燃料电池堆，而导向所述排出流路。旁通阀设置于旁通流路，当上游侧的压力超过设定压时打开。压力传感器设置于空气供应流路。控制器控制调压阀和压缩机中的一方，以便使压力传感器的测量值与目标空气压力相一致。

发明内容

本说明书公开的技术，提供一种将旁通阀作为推定空气供应流路的压力的传感器灵活运用的技术。

本说明书公开的燃料电池系统配备有燃料电池堆、压缩机、空气供应流路、排出流路、旁通流路、旁通阀、开度传感器和控制器。压缩机向燃料电池堆输送空气。空气供应流路将压缩机喷出的空气导向燃料电池堆。从燃料电池堆排出的残留空气在排出流路中流动。旁通流路从空气供应流路的中途分支出来，使压缩机喷出的空气不经过燃料电池堆，而导向排出流路。旁通阀设置于旁通流路，被构成为当旁通阀的上游侧的压力超过设定压时打开。开度传感器测量旁通阀的开度。压缩机被构成为基于旁通阀的开度来推定空气供应流路的压力。

燃料电池系统也可以配备设置于排出流路的调压阀。推定的压力也可以用于空气供应流路的压力调整，或者用于另行配备的压力传感器的异常检测。在前者的情况下，控制器也可以基于推定的压力控制压缩机和调压阀中的至少一方。控制器也可以控制压缩机和调压阀中的至少一方，以便使推定的压力与目标空气压力相一致。在后者的情况下，控制器也可以在由配备于空气供应流路的压力传感器测量的压力与推定的压力之差超过规定的压力差阈值的情况下，输出通知异常的信号。

本说明书公开的技术的详细情况及进一步的改进将在下面的“具体实施方式”中进行说明。

附图说明

下面，将参照附图描述本发明的示范性的实施方式的特征、优点和技术及工业上的意义，在附图中，类似的附图标记表示类似的部件，其中：

图1是第一个实施例的燃料电池系统的框图。

图2是表示旁通阀的一个例子的示意结构图。

图3是第一个实施例的系统的控制器实施的空气压调整处理的流程图。

图4是第二个实施例的燃料电池系统的框图。

具体实施方式

(第一个实施例)参照附图说明第一个实施例的燃料电池系统2。在图1中表示燃料电池系统2的框图。燃料电池系统2是由燃料电池堆30通过氢和氧的电化学反应而产生电力的发电系统。图1中的虚线表示信号线。

燃料电池系统2被搭载于具有行驶用的电动机的汽车中。汽车利用由燃料电池系统2发出的电力来驱动电动机而行驶。

实施例的燃料电池堆30是将被称为电池单元的多个发电单位串联地连接起来而成的装置。当向燃料极(阳极)供应氢，向空气极(阴极)供应氧(空气)时，燃料电池堆30发电。

氢从氢罐31通过氢供应流路32被输送到燃料电池堆30的燃料极。在氢供应流路32中配备有主断流阀33、喷射器34和压力传感器35。主断流阀33是打开或者关闭氢罐31的开口的阀。喷射器34是调整供应给燃料电池堆30的氢气(燃料气体)的供应量的阀。在反应中残存的残留氢气通过氢排出流路36被从燃料电池堆30排出。氢排出流路36与后面描述的排出流路10合流。在氢排出流路36中配备有排出阀11。压力传感器35在氢供应流路32中被设置于喷射器34的下游侧。压力传感器35测量的压力为喷射器34的下游侧的压力，即，向燃料电池堆30的燃料极供应的氢的压力。

在与氢气的反应中，使用包含在空气中的氧。从空气取入口5取入的空气被压缩机4压缩，通过空气供应流路6被供应给燃料电池堆30的空气极。在与氢的反应中残存的残留空气通过排出流路10被向大气排出。在排出流路10的中途配备有调压阀9。在排出流路10的下游连接有消声器12。

旁通流路8被连接于空气供应流路6的中途。旁通流路8从空气供应流路6的中途分支出来，被连接于排出流路10。旁通流路8使压缩机4压缩的空气不通过燃料电池堆30，而导向排出流路10。在旁通流路8的中途配备有旁通阀20。另外，旁通阀20配备有检测阀的开度的开度传感器7。

压缩机4、主断流阀33、喷射器34、调压阀9、排出阀11、旁通阀20由控制器3控制。控制器3根据燃料电池堆30的目标输出确定氢气的压力(目标氢压)。当燃料电池系统2的主开关被接通时，控制器3打开主断流阀33，开始向燃料电池堆30供应氢气。控制器3控制喷射器34，以使得供应给燃料电池堆30的氢气的压力与确定的目标氢压相一致。控制器3反馈设置在喷射器34的下游的压力传感器35的测量值，控制喷射器34，以使得被供应给燃料电池堆30的氢气的压力与目标氢压相一致。

另外，控制器3以使在燃料电池堆30的内部的氢气和空气的压力相等的方式确定供应给燃料电池堆30的空气的压力(目标空气压)。这是因为，当氢气的压力和空气的压力存在差异时，燃料电池堆30的恶化会发展。控制器3控制压缩机4和调压阀9中的至少一方，以便使供应给燃料电池堆30的空气压(即，空气供应流路6的压力)与目标空气压相一致。另外，对于空气压的调整，将在后面进行描述。

在反应中残存的空气通过排出流路10和消声器12被排出到大气中。控制器3控制排出阀11，使在反应中残存的氢气以适度的比例流向排出流路10，与残留空气混合，通过消声器12排出。

配备有旁通阀20的旁通流路8有两个作用。一个作用是，在将燃料电池堆30停止之后，将高压空气不经过燃料电池堆30，而输送到消声器12，将残留于消声器12的水分排出。另一个作用是，在空气供应流路6的内部压力变得过高时，起着作为降低内部压力的安全阀的作用。

进而，在本实施例的燃料电池系统2中，利用旁通阀20作为压力传感器。旁通阀20的上游连接于空气供应流路6，旁通阀20的上游侧的压力等于空气供应流路6的压力。在燃料电池系统2中，根据旁通阀20的开度推定空气供应流路6的压力，用于向燃料电池堆30供应的空气的压力的调整。另外，空气供应流路6的压力主要依存于压缩机4的驱动状态和调压阀9的开度。

在图2中，表示旁通阀20的一个例子的示意的结构。在上游28侧的压力(上游压力)超过设定压时，旁通阀20的阀21打开。在阀21的旋转轴上安装有电动机22。另外，弹簧23被安装于阀21。弹簧23将阀21向止动件24施力。阀21被压接于止动件24的状态是阀21关闭的状态。电动机22对阀21施加开阀方向的转矩。从弹簧23施加于阀21的转矩(弹簧转矩)中减去电动机22施加于阀21的转矩(电动机转矩)而得到的转矩，相当于将阀21保持在关闭状态的保持转矩。当上游压力超过保持转矩时，阀21打开。即，保持转矩相当于旁通阀20的设定压。通过调整电动机转矩，可以改变旁通阀20的设定压。即，旁通阀20是当上游28侧的压力超过设定压时打开的阀，其设定压能够改变。

旁通阀20被构成为当上游压力超过设定压时，随着上游压力变大，阀21的开度变大。旁通阀20附带有测量阀21的开度的开度传感器7，开度传感器7测量的开度被输送到控制器3。控制器3可以根据旁通阀20的开度来推定空气供应流路6的压力。

控制器3基于从旁通阀20的阀21的开度推定出的压力(空气供应流路6的压力)来控制压缩机4。下面，说明控制器3实施的空气压的调整处理。

在图3中表示空气压调整处理的流程图。如前面描述，控制器3根据目标发电量确定供应给燃料电池堆30的氢的压力(目标氢压)(步骤S3)。并且，控制器3以使燃料电池堆30的内部的空气压与目标氢压相等的方式确定供应的空气的压力(目标空气压)(步骤S4)。目标空气压相当于空气供应流路6的压力的目标值。

控制器3确定从目标空气压力中减去规定的余量而得到的值，作为旁通阀20的设定压(步骤S5)。并且，控制旁通阀20的电动机22，以便当超过确定的设定压时，使旁通阀20打开。

如先前描述的那样，在上游侧的压力(上游压力)超过设定压的情况下，旁通阀20的阀21的开度根据上游压力的大小而变化。上游压力越大，则阀21的开度变得越大。即，阀21的开度与上游压力之间存在正相关性。换句话说，阀21的开度与上游压力的推定值等价。控制器3确定阀21的目标开度At(步骤S6)。目标开度At是与目标空气压等价的开度。

控制器3从开度传感器7取得旁通阀20的开度As(步骤S7)。并且，将所取得的开度As与目标开度At进行比较(步骤S8)。在所取得的开度As为零的情况下(即，在旁通阀20为完全关闭状态的情况下)，由于空气供应流路6的压力还没有达到目标空气压，因此，控制器3提高压缩机4的输出(步骤S9)。

控制器3重复实施图3的处理。在被重复的步骤S8的处理中，存在着从开度传感器7取得的开度As超过目标开度At的情况。在在该情况下，由于空气供应流路6的压力超过目标空气压，因此，控制器3降低压缩机4的输出(步骤S10)。在开度As大于零且在目标开度At以下的情况下，控制器3使空气供应流路6的压力大致等于目标空气压，保持压缩机4的输出。在重复图3的处理的过程中，空气供应流路6的压力变得大致等于目标空气压。

如前面所述那样，旁通阀20的开度As与旁通阀20的上游侧的压力(即，空气供应流路6的压力)具有正相关性。开度As为零的情况，意味着供应流路6的压力比对应于目标开度At的压力低。开度As超过目标开度At的情况，意味着空气供应流路6的压力超过对应于目标开度At的压力。开度As比零大且在目标开度At以下的场合，意味着空气供应流路6的压力与对应于目标开度At的压力相等或者稍低。即，对在步骤S7中取得的开度As与目标开度At进行比较，与推定空气供应流路6的压力是等价的。燃料电池系统2根据旁通阀20的开度推定空气供应流路6的压力，基于该推定值来控制压缩机4。

另外，也可以借助设置在排出流路10中的调压阀9来调整空气供应流路6的压力。因此，在图3的步骤S9、S10的处理中，也可以将控制对象从压缩机替换成调压阀9。在开度As为零的情况下，控制器3缩小调压阀9的开度。在开度As超过目标开度At的情况下，控制器3增大调压阀9的开度。或者，控制器3也可以利用压缩机4和调压阀9两者来调整空气供应流路6的压力。

(第二个实施例)在图4中，表示第二个实施例的燃料电池系统2a的框图。第二个实施例的燃料电池系统2a以下方面与第一个实施例的燃料电池系统2不同：在空气供应流路6中配备有压力传感器13，以及，在控制器3上连接有显示装置14。其它结构与第一个实施例的燃料电池系统2相同。但是，控制器3实施的处理不同。

燃料电池系统2a，由于在空气供应流路6中配备有压力传感器13，因此，在空气供应流路6的压力调整中采用压力传感器13的测量值。由旁通阀20推定的压力用于压力传感器13的检验。当旁通阀20打开时，控制器3根据旁通阀的开度As推定旁通阀20的上游侧的压力(即，空气供应流路6的压力)。控制器3对推定的压力值与压力传感器13的测量值进行比较。在推定的压力值与测量值之差超过规定的压力差阈值的情况下，控制器3向显示装置14输出通知压力传感器13的异常的信号。接收到信号的显示装置14显示告知在压力传感器13中发生异常的信息。另外，所谓“推定的压力值与测量值之差”是指“推定的压力值与测量值之差的绝对值”。

第二个实施例的燃料电池系统2a可以使用旁通阀20检测压力传感器13的异常。

下面，说明与实施例中说明的技术相关的注意点。对于旁通阀20，在施加了超过设定值的压力时，阀打开。上游侧的压力越高，旁通阀20打开得越大。即，旁通阀20的开度与上游侧的压力具有正相关性。燃料电池系统2(2a)利用该相关性推定空气供应流路6的压力。

图2中所示的结构是旁通阀20的一个例子。旁通阀20的结构并不局限于图2的结构。旁通阀20只要是当施加了超过设定值的压力时，在上游侧的压力与开度之间具有正相关性的结构即可。

上面，详细地说明了本发明的具体的例子，但是，这些只不过是例子而已，并不限定权利要求的范围。在权利要求的范围内记载的技术中，包括将上面举例表示的具体的例子进行各种各样的变形、变更的技术。本说明书或者附图中说明的技术要素是单独的或者通过各种组合来发挥技术上的有效性的要素，并不被申请时的权利要求记载的组合所限定。另外，本说明书或者附图中举例表示的技术可以同时达到多个目的，达到其中的一个目的本身也具有技术上的有效性。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：

燃料电池堆；

压缩机，所述压缩机向所述燃料电池堆输送空气；

空气供应流路，所述空气供应流路将所述压缩机喷出的空气导向所述燃料电池堆；

排出流路，从所述燃料电池堆排出的残留空气在所述排出流路中流动；

调压阀，所述调压阀设置于所述排出流路；

旁通流路，所述旁通流路从所述空气供应流路的中途分支出来，使所述压缩机喷出的空气不经过所述燃料电池堆，而导向所述排出流路；

旁通阀，所述旁通阀设置于所述旁通流路，当上游侧的压力超过设定压时，所述旁通阀开启；

开度传感器，所述开度传感器测量所述旁通阀的开度；以及

控制器，所述控制器被构成为基于所述旁通阀的开度来推定所述空气供应流路的压力，当所述旁通阀的开度在目标开度以下时，对所述压缩机和所述调压阀中的至少一方进行控制，以便直到所述旁通阀的开度超过目标开度为止，增大所述旁通阀的上游侧的压力，当所述旁通阀的开度超过目标开度时，对所述压缩机和所述调压阀中的至少一方进行控制，以便直到所述旁通阀的开度变成目标开度以下为止，减小所述旁通阀的上游侧的压力。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制器被构成为基于推定的压力来控制所述压缩机。

3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：

压力传感器，所述压力传感器测量所述空气供应流路内的压力，其中，所述控制器被构成为在推定的压力与所述测量的压力之差超过规定的压力差阈值的情况下，输出通知异常的信号。

Images