CN110233274B - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供燃料电池系统及其控制方法，燃料电池系统包括控制部，该控制部构成为在使基于燃料电池的发电开始的情况下，当满足根据外部气压相关信息而决定的外部气压小于预先规定的外部气压阈值这一高地条件的情况下，与不满足高地条件的情况相比较，进行高地控制，该高地控制是使燃料电池的每单位时间的发电量增大，并且使压缩机的转速增大以便压缩机的动作点位于喘振区域外的控制。

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
燃料电池系统处于高地的情况与处于低地的情况相比较，外部气压变低。因此，在燃料电池系统处于高地的情况下，为了压缩机向燃料电池供给与处于低地的情况相同的量的阴极气体，需要与低地的情况相比使压缩机更高速旋转。在日本特开2012－227044中，记载有一种为了抑制由于使压缩机高速旋转而引起的噪声、振动而在燃料电池系统处于高地的情况下对压缩机的转速设置上限的方法。
但是，发明人们发现了在燃料电池系统处于高地的情况下，有可能在为了二次电池的充电而使基于燃料电池的发电开始的情况下，由于产生喘振而压缩机不会正常地发挥作用，无法进行二次电池的充电这一情况。这里，喘振是指在特定的条件中压缩机无法正常地供给阴极气体的现象。因此，希望在燃料电池系统处于高地的情况下也能够可靠地进行二次电池的充电的技术。
发明内容
本发明能够作为以下的方式来实现。
本发明的第一方式涉及燃料电池系统，包括：燃料电池，构成为通过阳极气体与阴极气体的电化学反应来进行发电；外部气压获取部，构成为获取与外部气压相关的外部气压相关信息；阴极气体供给流路，构成为向上述燃料电池供给上述阴极气体；压缩机，被设置于上述阴极气体供给流路，构成为向上述燃料电池送入外部空气，并利用上述燃料电池的输出电力进行动作；以及控制部，构成为进行上述燃料电池系统的控制。上述控制部构成为在使基于上述燃料电池的发电开始的情况下，当满足根据上述外部气压相关信息所决定的外部气压小于预先规定的外部气压阈值这一高地条件的情况下，与不满足上述高地条件的情况相比较，进行高地控制，该高地控制是使上述燃料电池的每单位时间的发电量增大，并且使上述压缩机的转速增大以便上述压缩机的动作点位于喘振区域外的控制。根据该方式的燃料电池系统，通过在外部气压小于外部气压阈值、推断为正在高地中运转的情况下，进行高地控制，来使压缩机在喘振区域外正常地运转，结果能够可靠地进行二次电池的充电。
上述第一方式也可以包括二次电池，上述控制部可以构成为在为了上述二次电池的充电而使基于上述燃料电池的发电开始的情况下，当满足上述高地条件的情况下，与不满足上述高地条件的情况相比较，进行高地控制，该高地控制是使上述燃料电池的上述发电量增大，并且使上述压缩机的转速增大以便上述压缩机的上述动作点位于喘振区域外来对上述二次电池进行充电的控制。
在上述第一方式的燃料电池系统中，也可以在上述高地控制中，上述外部气压越低，则上述控制部使上述燃料电池的每单位时间的发电量越增大。根据该方式的燃料电池系统，能够抑制发电时的压缩机的噪声、振动。
本发明的第二方式是具备燃料电池和对上述燃料电池供给阴极气体的压缩机的燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统的控制方法包括在使基于上述燃料电池的发电开始的情况下，当满足外部气压小于预先规定的外部气压阈值这一高地条件的情况下，与不满足上述高地条件的情况相比较，进行高地控制，该高地控制是使上述燃料电池的每单位时间的发电量增大，并且使上述压缩机的转速增大以便上述压缩机的动作点位于喘振区域外的控制。
在本发明的第二方式中，上述燃料电池系统可以包括二次电池，之所以进行上述高地控制是在为了上述二次电池的充电而使基于上述燃料电池的发电开始的情况下，当满足上述高地条件的情况下，与不满足上述高地条件的情况相比较，使上述燃料电池的每单位时间的发电量增大，并且使上述压缩机的转速增大以便上述压缩机的动作点位于喘振区域外来对上述二次电池进行充电。
本发明能够以各种方式实现，例如能够以燃料电池系统的控制方法等方式来实现。
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是表示第一实施方式的燃料电池系统的构成的概略图。
图2是表示压力比与阴极气体供给流量的关系的图。
图3是用于对高地控制进行说明的流程图。
图4是表示高地控制时的外部气压与燃料电池的发电量的关系的图。
具体实施方式
A.第一实施方式
图1是表示第一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电极接合在电解质膜的两侧而成的膜电极组件(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与作为阴极气体的大气中的氧气的电化学反应来进行发电。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是测定被燃料电池系统110取入的阴极气体的流量的设备。压缩机42是能够利用燃料电池10的输出电力来进行动作的设备，并且是向燃料电池10送入外部空气的设备。在本实施方式中，使用涡轮压缩机作为压缩机42，但并不局限于此，例如也可以使用罗茨式压缩机。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调压阀46。在旁通流路26设置有调节旁通流路26中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中的比调压阀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是测定喷射器56的入口的压力的设备。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。
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将从燃料电池10的阳极排出的气体和液体分离。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向阳极气体供给流路32送出。在燃料电池系统110中，通过使阳极气体循环而再次供给到燃料电池10，来使阳极气体的利用效率提高。
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向燃料电池系统110的系统外排出的配管。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气排水阀57、和减少进行排气排水时的声音的消音器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测定燃料电池10的温度。
DC/DC转换器94将燃料电池10的输出电压升压并供给到PCU95，并且也与二次电池96连接。燃料电池10的发电电力经由包括PCU95的电源电路，被供给至驱动车轮的驱动用马达等负载、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、和测定燃料电池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、以及连接上述的外部气压计41等传感器、压缩机42等促动器等部件的输入输出接口电路的计算机。控制部80根据ECU(ElectronicControl 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，ECU82根据加速器踏板的踏入量、制动踏板的踏入量、车速等，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。另外，在本实施方式中，控制部80与接收GNSS(GlobalNavigation Satellite System：全球导航卫星系统)信息的GNSS接收机84连接，但并不局限于此，也可以不连接。
在本实施方式中，控制部80在预先规定的高地条件成立的情况下，通过使压缩机42的转速增大以便压缩机42的动作点位于喘振区域外，来使向燃料电池10供给的阴极气体的流量(以下，也称为“阴极气体供给流量”)增大。以下，对喘振与阴极气体供给流量的关系进行说明。
图2是表示压力比与阴极气体供给流量[NL/分钟]的关系的图。压力比是将压缩机42的出口压力除以入口压力而得到的值。入口压力能够视为与外部气压相等。因此，在压缩机42的出口压力相同的情况下，外部气压越小，则压力比越大。
这里，设想为了进行基于燃料电池10的发电，而压缩机42向燃料电池10供给阴极气体流量FA的情况。此时，在燃料电池系统110存在于低地的情况下，与高地的情况相比较，由于外部气压较大，所以压力比变小。其结果，控制部80即使不特别进行阴极气体供给流量的修正，压缩机42的动作点A也位于喘振区域外。这里，喘振区域是指由于压力比和阴极气体供给流量分别位于特定的范围内而产生压缩机42的喘振的区域。在产生了喘振的情况下，压缩机42消耗的能量的一部分被噪声、振动消耗，结果压缩机42不能正常地进行阴极气体的供给。
另一方面，在燃料电池系统110存在于高地的情况下，与低地的情况相比较，由于外部气压较小，所以压力比变大。其结果，若控制部80不进行阴极气体供给流量的修正，则压缩机42的动作点B有时会位于喘振区域内。
在本实施方式中，控制部80在这样的情况下使压缩机42的转速增大以便压缩机42的动作点位于喘振区域外，使阴极气体供给流量增大。这样一来，在本实施方式中，由于能够抑制喘振的产生，所以能够使压缩机42正常地运转，作为其结果，能够可靠地进行二次电池96的充电。
图3是用于对由控制部80执行的高地控制进行说明的流程图。该处理在为了二次电池的充电而使基于燃料电池10的发电开始的情况下被执行。
在从ECU82向控制部80有为了二次电池96的充电而使基于燃料电池10的发电开始的要求的情况下(步骤P110)，控制部80判定外部气压是否小于预先规定的外部气压阈值Ah(步骤P120)。控制部80具备获取与外部气压相关的外部气压相关信息的外部气压获取部81。在本实施方式中，外部气压获取部81获取由外部气压计41测定出的外部气压作为与外部气压相关的外部气压相关信息。但是，并不局限于此。例如，外部气压获取部81也可以预先存储将位置和该位置的外部气压建立了关联的查找表，根据从GNSS接收机84获取到的GNSS信息来决定燃料电池系统110所在的位置，并使用该查找表来获取该位置的外部气压。在本实施方式中，将外部气压阈值Ah设为标准大气压(1atm)，但并不局限于此，例如，也可以为0.9atm，还可以为0.8atm。换言之，外部气压阈值Ah优选为对标准大气压乘以1以下的系数而得到的值，优选将该系数设定为小于1的值。
在控制部80判定为外部气压小于外部气压阈值Ah的情况下(步骤P120：是)，控制部80进行压缩机42的动作点是否处于喘振区域内的判定(步骤P130)。在本实施方式中，压缩机42的动作点根据压缩机42的压力比和阴极气体供给流量来决定。因此，在本实施方式中，控制部80如以下那样进行压缩机42的动作点是否处于喘振区域内的判定。
在本实施方式中，由于可认为燃料电池10内的压力恒定，所以压缩机42的压力比根据外部气压来决定。另外，在本实施方式中，为了二次电池96的充电而开始基于燃料电池10的发电时的阴极气体供给流量被预先规定。而且，在本实施方式中，控制部80预先存储了压缩机42的压力比、转速、以及将阴极气体供给流量与喘振区域建立了关联的查找表83。因此，控制部80使用外部气压和查找表83，来判定压缩机42的动作点是否位于喘振区域内。但是，并不局限于此。例如，也可以将燃料电池10内的压力设为由压力计45测定出的压力值，并根据该压力值和外部气压来决定压力比。
当控制部80判定为压缩机42的动作点在喘振区域内的情况下(步骤P130：是)，控制部80进行高地控制。具体而言，作为高地控制，控制部80使燃料电池10的每单位时间的发电量增大，并且使压缩机42的转速增大以使压缩机42的动作点位于喘振区域外来进行二次电池96的充电(步骤P140)。使燃料电池10的发电量增大的理由是为了燃料电池10供给因使压缩机42的转速增大而增大了的压缩机42的消耗电力。然后，在步骤P140结束的同时，流程结束。在本实施方式中，控制部80在二次电池96的充电完成的同时使高地控制(步骤P140)结束，但并不局限于此。例如，控制部80也可以定期地(例如每1分钟)获取外部气压相关信息，在判定为根据外部气压相关信息所决定的外部气压是外部气压阈值Ah以上的情况下，返回到不进行高地控制的情况下的压缩机42的动作点，进行二次电池96的充电。
图4是表示高地控制时的外部气压[atm]与燃料电池10的每单位时间的发电量[kw]的关系的图。在本实施方式中，在高地控制中，外部气压越低，则使燃料电池10的每单位时间的发电量越增大。一般来说，燃料电池10的每单位时间的发电量越增加，则压缩机42的转速越增加，压缩机42产生的噪声、振动越增加。因此，这样一来，和使高地控制时的燃料电池10的每单位时间的发电量与外部气压极低的情况下所需要的发电量对应而恒定的情况相比，能够抑制发电时的压缩机42的噪声、振动。此外，并不局限于此，例如，也可以不管外部气压如何，都使高地控制时的燃料电池10的每单位时间的发电量恒定。
另一方面，在控制部80判定为外部气压是外部气压阈值Ah以上的情况下(步骤P120：否(参照图3))，或者控制部80判定为压缩机42的动作点位于喘振区域外的情况下(步骤P130：否)，控制部80进行通常控制(步骤P150)。具体而言，作为通常控制，控制部80不变更压缩机42的动作点，而通过压缩机42向燃料电池10供给阴极气体，并且使燃料电池10发电来进行二次电池96的充电。然后，在通常控制(步骤P150)结束的同时，流程结束。在本实施方式中，控制部80在二次电池96的充电完成的同时使通常控制(步骤P150)结束。
在本实施方式中，控制部80在满足外部气压小于外部气压阈值Ah这一高地条件的情况下，与不满足高地条件的情况相比，进行高地控制。换句话说，控制部80在满足高地条件的情况下，与不满足高地条件的情况相比较，使燃料电池10的每单位时间的发电量增大，并且使压缩机42的转速增大以便压缩机42的动作点位于喘振区域外，来进行二次电池96的充电。这样一来，根据本实施方式，在外部气压小于外部气压阈值、推断为燃料电池系统110正在高地运转的情况下，使压缩机在喘振区域外正常地运转，结果能够可靠地进行二次电池96的充电。此外，在本实施方式中，虽然设置了步骤P130，但并不局限于此，也可以不设置步骤P130。换句话说，在控制部80判定为外部气压小于外部气压阈值Ah的情况下(步骤P120：是)，控制部80也可以不管压缩机42的动作点是否进入喘振区域内，都进行高地控制(步骤P140)。
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通过各种构成来实现。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，或者为了实现上述效果的一部分或者全部，能够适当地进行替换或组合。另外，若该技术特征在本说明书中未被说明为是必要的，则能够适当地删除。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
二次电池；
燃料电池，构成为通过阳极气体与阴极气体的电化学反应来进行发电；
外部气压获取部，构成为获取与外部气压相关的外部气压相关信息；
阴极气体供给流路，构成为向上述燃料电池供给上述阴极气体：
压缩机，被设置于上述阴极气体供给流路，构成为向上述燃料电池送入外部空气，并利用上述燃料电池的输出电力来进行动作；以及
控制部，构成为进行上述燃料电池系统的控制，
上述控制部构成为在为了上述二次电池的充电而使基于上述燃料电池的发电开始的情况下，当满足根据上述外部气压相关信息而决定的外部气压小于预先规定的外部气压阈值这一高地条件的情况下，与不满足上述高地条件的情况相比较，进行高地控制，该高地控制是使上述燃料电池的每单位时间的发电量增大，并且使上述压缩机的转速增大以便上述压缩机的动作点位于喘振区域外的控制，
上述控制部在开始了上述高地控制之后，取得上述外部气压相关信息，在判定为根据上述外部气压相关信息而决定的外部气压为上述外部气压阈值以上的情况下，返回到不进行上述高地控制的情况下的上述压缩机的动作点，来进行上述二次电池的充电。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述控制部构成为在上述高地控制中，上述外部气压越低则使上述燃料电池的每单位时间的发电量越增大。
3.一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备二次电池、燃料电池、和对上述燃料电池供给阴极气体的压缩机，上述燃料电池系统的控制方法的特征在于，包括：
在为了上述二次电池的充电而使基于上述燃料电池的发电开始的情况下，当满足根据由构成为获取与外部气压相关的外部气压相关信息的外部气压获取部所取得的外部气压相关信息而决定的外部气压小于预先规定的外部气压阈值这一高地条件的情况下，与不满足上述高地条件的情况相比较，进行高地控制，该高地控制是使上述燃料电池的每单位时间的发电量增大，并且使上述压缩机的转速增大以便上述压缩机的动作点位于喘振区域外的控制，
在开始了上述高地控制之后，取得与外部气压相关的外部气压相关信息，在判定为根据上述外部气压相关信息而决定的外部气压为上述外部气压阈值以上的情况下，返回到不进行上述高地控制的情况下的上述压缩机的动作点，来进行上述二次电池的充电。
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