CN110176612B - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统及其控制方法。燃料电池系统具备获取燃料电池的阳极气体入口或者阳极气体出口处的阳极气体的压力测定值的压力测定部、和水分量推断部，水分量推断部根据包括设置于阳极气体供给流路的喷射器的开阀时间和喷射器开阀前的压力测定值的多个状况参数，来求出在水分量为水分量阈值时所设想的设想压力上升幅度，在因喷射器的开阀而引起的压力测定值的测定压力上升幅度大于设想压力上升幅度的情况下，推断为水分量比水分量阈值多。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
在日本特开2015－099727中公开了一种使用燃料电池的阻抗来推断燃料电池内的水分量的方法。
但是，通过日本特开2015－099727推断出的燃料电池内的水分量是将阳极侧的水分量与阴极侧的水分量合计而得到的水分量，在准确地推断燃料电池内的状态的方面是不够的。因此，在准确地推断阳极侧的状态的方面，期望一种推断阳极侧的水分量的技术。
发明内容
(1)本发明的第一方式涉及燃料电池系统，该燃料电池系统具备：燃料电池，通过阳极气体与阴极气体的电化学反应来进行发电；阳极气体供给流路，向上述燃料电池供给阳极气体；喷射器，设置于上述阳极气体供给流路；压力测定部，获取上述燃料电池的阳极气体入口或者阳极气体出口处的阳极气体的压力测定值；以及水分量推断部，推断上述燃料电池的阳极侧的水分量是否比预先规定的阈值多。上述水分量推断部根据包括上述喷射器的开阀时间和上述喷射器开阀前的上述压力测定值的多个状况参数，来求出在上述水分量为上述预先规定的阈值时所设想的设想压力上升幅度。在因上述喷射器的开阀而引起的上述压力测定值的测定压力上升幅度大于上述设想压力上升幅度的情况下，上述水分量推断部推断为上述水分量比上述预先规定的阈值多。根据该方式的燃料电池系统，能够推断燃料电池的阳极侧的水分量。
(2)上述方式的燃料电池系统也可以具备获取上述燃料电池的温度测定值的温度测定部，上述多个状况参数包括上述温度测定值。根据该方式的燃料电池系统，通过还进一步考虑燃料电池的温度，能够更正确地推断燃料电池的阳极侧的水分量。
(3)上述方式的燃料电池系统可以还具备减少控制部，在推断为上述水分量比上述预先规定的阈值多的情况下，该减少控制部进行使上述水分量减少的减少控制。根据该方式的燃料电池系统，能够在燃料电池的阳极侧的水分量过多时使水分量减少。
(4)本发明的第二方式涉及燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备通过阳极气体与阴极气体的电化学反应来进行发电的燃料电池、向上述燃料电池供给阳极气体的阳极气体供给流路、以及设置于阳极气体供给流路的喷射器。该燃料电池系统的控制方法包括：根据包括上述喷射器的开阀时间和上述喷射器开阀前的上述燃料电池的阳极气体入口或者阳极气体出口的压力测定值的多个状况参数，来求出在上述燃料电池的阳极侧的水分量为预先规定的阈值时所设想的设想压力上升幅度；以及在因上述喷射器的开阀而引起的上述压力测定值的测定压力上升幅度大于上述设想压力上升幅度的情况下，推断为上述水分量比上述预先规定的阈值多。
附图说明
通过以下参照附图，对本发明的优选实施方式进行的详细描述，本发明的其它特征、构件、过程、步骤、特性及优点会变得更加清楚，其中，附图标记表示本发明的要素，其中，
图1是表示作为本发明的一个实施方式的燃料电池系统的构成的概略图。
图2是表示在阳极侧和阴极侧产生水的机制的图。
图3是表示阳极侧的容积与阳极气体压力的上升幅度的关系的示意图。
图4是表示喷射器的开闭和阳极气体压力的变化的示意图。
图5是用于对阳极侧水分量的推断步骤进行说明的流程图。
图6是表示第二实施方式中的燃料电池系统的构成的概略图。
图7是第二实施方式中的流程图。
具体实施方式
A.第一实施方式
图1是表示作为本发明的一个实施方式的燃料电池系统110的构成的概略图。燃料电池系统110具备燃料电池组(以下，简单地称为“燃料电池”)10、阴极气体流路20、阳极气体流路30、冷却流路70、以及控制部80。在本实施方式中，燃料电池系统110被搭载于车辆。
燃料电池10例如通过将具备使阳极和阴极这两个电极接合在电解质膜的两侧的膜电极组件(Membrane Electrode Assembly/MEA)的发电模块层叠而构成。燃料电池10通过从阳极气体罐60供给的作为阳极气体的氢气和作为阴极气体的大气中的氧气的电化学反应而进行发电。此外，作为阳极气体，也可以代替氢气而例如使用乙醇、烃。
阴极气体流路20是针对燃料电池10进行阴极气体的供给以及排出的流路。阴极气体流路20具备向燃料电池10供给阴极气体的阴极气体供给流路22、从燃料电池10排出阴极气体的阴极气体排出流路24、以及将阴极气体供给流路22和阴极气体排出流路24连通的旁通流路26。
在阴极气体供给流路22中，从上游侧起按顺序设置有外部气压计41、流量计40、压缩机42、供给阀44、以及压力计45。外部气压计41是测定外部气压的设备。流量计40是测定被吸入至燃料电池系统110的阴极气体的流量的设备。压缩机42是压缩被吸入的阴极气体并向燃料电池10送出的设备。供给阀44是控制从压缩机42向燃料电池10的阴极气体的流入的有无的阀，被设置于比与旁通流路26的连接部靠阴极气体供给流路22的下游侧。压力计45是测定燃料电池10的阴极气体入口的压力的设备。在本实施方式中，压力计45测定燃料电池10的阴极气体入口的压力，但并不局限于此，例如也可以通过将压力计45设置于阴极气体排出流路24，来测定燃料电池10的阴极气体出口的压力。
在比与旁通流路26的连接部靠阴极气体排出流路24的上游侧，设置有对燃料电池10的阴极出口侧的阴极气体的压力进行调整的压力调整阀46。在旁通流路26中设置有调节旁通流路26上的阴极气体的流量的旁通阀48。在本实施方式中，旁通流路26是将阴极气体供给流路22中的压缩机42与供给阀44之间和阴极气体排出流路24中的比压力调整阀46靠下游侧的位置连结的流路。
阳极气体流路30是针对燃料电池10进行阳极气体的供给以及排出的流路。阳极气体流路30具备向燃料电池10供给阳极气体的阳极气体供给流路32、从燃料电池10排出阳极气体的阳极气体排出流路34、以及将阳极气体供给流路32和阳极气体排出流路34连通的阳极气体循环流路36。
阳极气体供给流路32与阳极气体罐60连接。在阳极气体供给流路32中，从上游侧起按顺序设置有开闭阀52、调节器54、上游侧压力测定部53、喷射器56、以及压力测定部55。开闭阀52是控制从阳极气体罐60向喷射器56的上游侧的阳极气体的流入的有无的阀。调节器54是用于调整喷射器56的上游侧的阳极气体的压力的阀。喷射器56是控制向燃料电池10的阳极气体的流入的阀。在本实施方式中，喷射器56被设置于比与阳极气体循环流路36连通的部分靠阳极气体供给流路32的上游侧。
上游侧压力测定部53是获取喷射器56的入口处的阳极气体的压力测定值的设备。压力测定部55是测定燃料电池10的阳极气体入口的压力的设备。在本实施方式中，压力测定部55被设置于比与阳极气体循环流路36的接合部靠阳极气体供给流路32的下游侧。此外，压力测定部55也可以为了获取燃料电池10的阳极气体出口处的阳极气体的压力测定值而被设置于阳极气体排出流路34。以下，将由压力测定部55测定出的压力测定值也称为“阳极气体压力”。
阳极气体排出流路34与气液分离器58连接。阳极气体排出流路34将在燃料电池10内未被电化学反应使用的未反应气体(阳极气体、氮气等)、在燃料电池10内生成的水向气液分离器58引导。
气液分离器58对从燃料电池10的阳极排出的气体和液体进行分离。气液分离器58与阳极气体循环流路36和排出管38连接。气液分离器58将在燃料电池10内未被电化学反应使用的未反应的阳极气体向阳极气体循环流路36引导，将在燃料电池10内生成的水、氮气向排出管38引导。
在阳极气体循环流路36设置有泵50。泵50将包括在气液分离器58中分离出的阳极气体的气体送出到阳极气体供给流路32。在燃料电池系统110中，通过使阳极气体循环并再次供给到燃料电池10，来使阳极气体的利用效率提高。此外，在本实施方式中，在阳极气体循环流路36具备泵50，但并不局限于此，例如，也可以在阳极气体循环流路36的与阳极气体供给流路32的连接部设置排出器(Ejector)。另外，在本实施方式中，具备阳极气体循环流路36，但也可以不具备阳极气体循环流路36。
排出管38是用于将在气液分离器58中分离出的液体以及气体排出到燃料电池系统110的系统外的配管。在排出管38中，从上游侧起按顺序设置有进行排气排水的排出阀57和使进行排气排水时的声音降低的消音器59。
冷却流路70是为了冷却燃料电池10而设置的流路，是将对冷却流路70内的制冷剂进行冷却的散热器74和燃料电池10内的制冷剂流路连接的流路。在冷却流路70的比散热器74靠上游侧设置有温度测定部72，在冷却流路70的比散热器74靠下游侧设置有泵76。在本实施方式中，能够通过温度测定部72获取燃料电池10的温度测定值。此外，作为测定燃料电池10的温度的方法并不局限于此，例如，可举出在燃料电池10的阴极出口或阳极出口设置温度计，并通过该温度计进行测定的方法。
DC/DC转换器94将燃料电池10的输出电压升压并供给到PCU95。燃料电池10的发电电力经由包括PCU95的电源电路被供给到驱动车轮的驱动用马达等负荷、上述的压缩机42、泵50以及各种阀。PCU95通过控制部80的控制来限制燃料电池10的电流。此外，在燃料电池10与DC/DC转换器94之间设置有测定燃料电池10的电流的电流测定部91、以及测定燃料电池10的电压的电压测定部92。
控制部80被构成为具备CPU、存储器、以及连接上述的各部件的接口电路的计算机。控制部80根据ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)82的指示，输出用于控制燃料电池系统110内的构成部件的起动以及停止的信号。ECU82是进行包括燃料电池系统110的车辆整体的控制的控制部。例如，在车辆中，ECU82根据加速器踏板的踏入量、制动踏板的踏入量、车速等来执行车辆的控制。此外，ECU82也可以包含于控制部80的功能的一部分。CPU通过执行存储于存储器的控制程序，来进行燃料电池系统110的发电的控制。
在本实施方式中，控制部80进行对于阳极侧的水分量的推断。进行该推断的控制部80的功能部是水分量推断部81。一般来说，在发电时的燃料电池10内，在阳极侧和阴极侧都存在水。
图2是表示阳极侧和阴极侧的水的举动的图。在阳极侧中，通过下述公式(1)所示的反应来生成质子，在阴极侧中，通过下述公式(2)所示的反应来生成水。
H2→2H++2e－ (1)
2H++O2－→H2O (2)
另外，与上述反应并行地通过因阳极侧与阴极侧的水的浓度差而引起的扩散，使得通过公式(2)的反应而生成的水的一部分从阴极侧移动到阳极侧。同样，与上述反应并行地伴随着通过公式(1)的反应而生成的质子从阳极侧向阴极侧移动，水的一部分从阳极侧移动到阴极侧。将该现象也称为“质子伴随”。另外，阳极侧的水被阳极气体搬运而排出，阴极侧的水被阴极气体搬运而排出。
一般来说，燃料电池10内的阳极气体流量比燃料电池10内的阴极气体流量少。因此，伴随着阳极气体从燃料电池10向阳极气体排出流路34排出而被排出到燃料电池10外的水量比伴随着阴极气体从燃料电池10向阴极气体排出流路24排出而被排出到燃料电池10外的水量少。因此，若水一旦存积在阳极侧，则阳极气体难以被供给到阳极，由此会抑制公式(1)的反应的进行，并且，也抑制与从阳极侧向阴极侧的质子的移动相伴的水的移动。因此，为了良好地保持燃料电池10的发电效率，优选将阳极侧的水分量保持为适当的量，为此，优选首先推断阳极侧的水分量。
在本实施方式中，控制部80使用因喷射器56的开阀而引起的阳极气体压力的上升幅度来推断阳极侧的水分量是否比预先规定的水分量阈值多。以下，对该推断机制进行说明。此外，在本实施方式中，将水分量阈值设为燃料电池10的阳极侧的容积的10％的水分量，但并不局限于此，例如，也可以为燃料电池10的阳极侧的容积的5％的水分量，还可以为燃料电池10的阳极侧的容积的15％的水分量。
图3是表示燃料电池10的阳极侧的容积V与每单位时间的阳极气体压力的上升幅度ΔP的关系的示意图。根据博伊尔定律，在因喷射器56的开阀而进入燃料电池10内的阳极气体的物质量与燃料电池10内的温度条件相等的情况下，容积V与压力上升幅度ΔP之积大致恒定，压力上升幅度ΔP与容积V成为大致反比例的关系。因此，由于在阳极侧越存积水，则燃料电池10内的阳极侧的气体能够存在的容积V越小，所以压力上升幅度ΔP与容积V的减少成反比例地变大。在本实施方式中，使用该现象来进行阳极侧的水分量的推断。
图4是表示喷射器56的开闭和阳极气体压力的变化的示意图。如图4所示，通过喷射器56的开阀，由压力测定部55测定出的阳极气体压力急剧地上升，通过喷射器56关闭，阳极气体压力逐渐地减少。
在图4中，由虚线L1表示燃料电池10的发电效率良好的状态时的阳极气体压力。换句话说，虚线L1表示阳极侧的水分量是适当的水分量的情况下的阳极气体压力。另一方面，实线L2表示阳极侧的水分量比适当的水分量多的情况下的阳极气体压力。如图4所示可知，阳极侧的水分量比适当的水分量多的情况(实线L2的情况)下的每单位时间tA的压力上升幅度W2大于阳极侧的水分量为适当的水分量的情况(虚线L1的情况)下的每单位时间tA的压力上升幅度W1。这里，阳极气体压力的上升幅度是指将从因喷射器56的开阀而阳极气体压力开始上升的时间到经过单位时间tA时的最高值减去了最低值而得到的值。在本实施方式中，单位时间是1秒，但并不局限于此，例如也可以为0.1秒，还可以为5秒，也可以为10秒。另外，也可以通过将单位时间tA规定得足够小，而使用因喷射器56的开阀而引起的阳极气体压力的上升斜率作为阳极气体压力的上升幅度。
图5是用于对由控制部80执行的阳极侧水分量的推断步骤进行说明的流程图。该处理在燃料电池系统110的运转中总是被反复执行。
首先，控制部80进行因喷射器56的开阀而引起的阳极气体压力的设想上升幅度亦即设想压力上升幅度WS的导出(步骤P110)。设想压力上升幅度WS是在阳极侧的水分量为预先规定的水分量阈值时，根据多个状况参数而设想的阳极气体压力的上升幅度。作为多个状况参数，使用因喷射器56的开阀而引起的对阳极气体压力的影响大的参数。在本实施方式中，多个状况参数包括喷射器56的开阀时间和喷射器56的开阀前的阳极气体压力。在本实施方式中，控制部80使用查找表85从多个状况参数导出设想压力上升幅度WS。但是，并不局限于此，也可以使用将多个状况参数作为变量的函数来计算设想压力上升幅度WS。在本实施方式中，查找表85被预先存储于控制部80。
此外，多个状况参数并不局限于喷射器56的开阀时间和喷射器56的开阀前的阳极气体压力。例如，作为多个状况参数，还可以使用由温度测定部72获取到的燃料电池10的温度测定值、设置于阳极气体循环流路36的泵50的转速、由上游侧压力测定部53测定出的喷射器56的入口侧的压力中的至少一个。也能够忽略这些状况参数，但通过将这些状况参数使用于设想压力上升幅度WS的导出，能够进一步提高阳极侧的水分量的推断精度。
在导出了设想压力上升幅度WS之后(步骤P110)，控制部80根据实际的阳极气体压力来计算测定压力上升幅度WP(步骤P115)，判定测定压力上升幅度WP是否大于设想压力上升幅度WS(步骤P120)。在本实施方式中，控制部80将从因喷射器56的开阀而阳极气体压力开始上升的时间到经过单位时间tA的最高值减去了最低值而得到的值作为测定压力上升幅度WP。在本实施方式中，控制部80根据由压力测定部55测定出的阳极气体压力来导出测定压力上升幅度WP。
在测定压力上升幅度WP大于设想压力上升幅度WS的情况下，控制部80推断为燃料电池10的阳极侧的水分量比水分量阈值Th多(步骤P130)，结束流程。另一方面，在测定压力上升幅度WP为设想压力上升幅度WS以下的情况下，控制部80推断为燃料电池10的阳极侧的水分量为水分量阈值Th以下(步骤P140)，结束流程。
根据本实施方式的燃料电池系统，通过使用因喷射器56的开阀而引起的阳极气体压力的上升幅度，能够推断燃料电池10的阳极侧的水分量。
B.第二实施方式
图6是表示第二实施方式中的燃料电池系统110A的构成的概略图。图7是第二实施方式中的流程图。第二实施方式与第一实施方式相比较，不同之处在于在步骤P130之后还具备步骤P135，并且，控制部80具备进行后述的减少控制的减少控制部83，其他相同。
在第二实施方式中，在控制部80推断为燃料电池10的阳极侧的水分量比水分量阈值Th多的情况下(步骤P130)，控制部80进行使燃料电池10的阳极侧的水分量减少的减少控制(步骤P135)。在本实施方式中，作为减少控制，与不进行减少控制的情况相比较，控制部80进行使泵50的转速增加的控制。这样一来，伴随着阳极气体从燃料电池10向阳极气体排出流路34排出，水被向燃料电池10外排出，使燃料电池10的阳极侧的水分量减少。但是，并不局限于此，例如，作为减少控制，也可以与不进行减少控制的情况相比较，控制部80进行通过使喷射器56的开阀时间增加的控制来使燃料电池10的阳极侧的水分量减少。根据第二实施方式，通过具备减少控制，能够减少阳极侧的水分量。
本发明并不局限于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围中以各种构成实现。例如，与发明内容一栏所记载的各方式中的技术特征对应的实施方式中的技术特征为了解决上述课题的一部分或者全部、或者实现上述效果的一部分或者全部，能够适当地进行替换、组合。另外，若该技术特征在本说明书中未被说明为是必要技术特征，则能够适当地删除。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池，通过阳极气体与阴极气体的电化学反应来进行发电；
阳极气体供给流路，向上述燃料电池供给阳极气体；
喷射器，设置于上述阳极气体供给流路；
压力测定部，获取上述燃料电池的阳极气体入口或者阳极气体出口处的阳极气体的压力测定值；以及
水分量推断部，推断上述燃料电池的阳极侧的水分量是否比预先规定的阈值多，
其中，上述水分量推断部根据包括上述喷射器的开阀时间和上述喷射器开阀前的上述压力测定值的多个状况参数，来求出在上述水分量为上述预先规定的阈值时所设想的设想压力上升幅度，
在因上述喷射器的开阀而引起的上述压力测定值的测定压力上升幅度大于上述设想压力上升幅度的情况下，上述水分量推断部推断为上述水分量比上述预先规定的阈值多。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述燃料电池系统还包括获取上述燃料电池的温度测定值的温度测定部，
其中，上述多个状况参数包括上述温度测定值。
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，
上述燃料电池系统还包括减少控制部，在推断为上述水分量比上述预先规定的阈值多的情况下，该减少控制部进行使上述水分量减少的减少控制。
4.一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备通过阳极气体与阴极气体的电化学反应来进行发电的燃料电池、向上述燃料电池供给阳极气体的阳极气体供给流路、以及设置于阳极气体供给流路的喷射器，上述燃料电池系统的控制方法的特征在于，包括：
根据包括上述喷射器的开阀时间和上述喷射器开阀前的上述燃料电池的阳极气体入口或者阳极气体出口的压力测定值的多个状况参数，来求出在上述燃料电池的阳极侧的水分量为预先规定的阈值时所设想的设想压力上升幅度；以及
在因上述喷射器的开阀而引起的上述压力测定值的测定压力上升幅度大于上述设想压力上升幅度的情况下，推断为上述水分量比上述预先规定的阈值多。
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