CN113707917A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池高温时的耐久性高的燃料电池系统。该燃料电池系统被搭载于车辆，其特征在于，具有：燃料电池；二次电池；温度取得部，取得上述燃料电池的温度；充电状态值取得部，取得上述二次电池的充电状态值；外部气温取得部，取得外部气温；外部气压取得部，取得外部气压；以及控制部，控制上述二次电池的电力，在上述燃料电池的温度超过规定的温度、且上述二次电池的充电状态值为规定的阈值以上、且上述外部气温为规定的气温以上、且上述外部气压为规定的气压以下的情况下，上述控制部使上述二次电池的电力大于上述车辆的通常行驶时所需的该二次电池的电力。

Description

燃料电池系统
技术领域
本公开涉及燃料电池系统。
背景技术
燃料电池(FC)是在层叠了多个单电池(以下，存在称为单元的情况)而成的燃料电池组(以下，存在简称为电池组的情况)中通过作为燃料气体的氢(H2)与作为氧化剂气体的氧(O2)的电化学反应来取出电能的发电装置。其中，以下也存在不特别区分燃料气体、氧化剂气体而简称为“反应气体”或“气体”的情况。
该燃料电池的单电池通常由膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)与根据需要而夹持该膜电极接合体的两面的2张隔膜构成。
膜电极接合体具备在具有质子(H+)传导性的固体高分子型电解质膜(以下，亦简称为“电解质膜”)的两面分别依次形成了催化剂层以及气体扩散层的构造。因此，存在将膜电极接合体称为膜电极气体扩散层接合体(MEGA)的情况。
隔膜通常具有在与气体扩散层接触的面形成有作为反应气体的流路的槽的构造。此外，该隔膜还作为发出的电力的集电体发挥功能。
在燃料电池的燃料极(阳极)中，从气体流路以及气体扩散层供给的氢因催化剂层的催化剂作用而质子化，并通过电解质膜向氧化剂极(阴极)移动。同时生成的电子通过外部电路进行做功，向阴极移动。供给至阴极的氧在阴极上与质子以及电子反应，生成水。
生成的水对电解质膜赋予适度的湿度，多余的水透过气体扩散层而被向系统外排出。
关于车载于燃料电池车辆(以下存在记载为车辆的情况)而使用的燃料电池系统进行了各种研究。
例如在专利文献1中公开了一种如下所述的燃料电池车辆：当预测为燃料电池车辆在上坡路行驶时进行二次电池的充电，通过从二次电池供给燃料电池车辆在上坡路行驶时供给至驱动马达的电力中的至少一部分来预防燃料电池成为高温。
另外，在专利文献2中公开了一种如下所述的燃料电池车辆：在检测到燃料电池的高温状态之后使燃料电池的电压暂时降低，使燃料电池中的生成水的产生量增加，基于二次电池的充电状态与上述燃料电池的运转状态来暂时变更电压降低处理的处理内容。
专利文献1：日本特开2018－137855号公报
专利文献2：日本特开2013－101844号公报
在燃料电池成为高温的情况下，因燃料电池的过干燥而使得燃料电池的电阻增加、发电效率降低。而且，伴随着燃料电池的电阻增加，燃料电池的发热增加，存在燃料电池的耐久性降低这一问题。
发明内容
本公开是鉴于上述实际情况而完成的，其主要目的在于，提供燃料电池的高温时的耐久性高的燃料电池系统。
在本公开中，提供一种燃料电池系统，被搭载于车辆，其特征在于，具有：
燃料电池；
二次电池；
温度取得部，取得上述燃料电池的温度；
充电状态值取得部，取得上述二次电池的充电状态值；
外部气温取得部，取得外部气温；
外部气压取得部，取得外部气压；以及
控制部，控制上述二次电池的电力，
在上述燃料电池的温度超过规定的温度、且上述二次电池的充电状态值为规定的阈值以上、且上述外部气温为规定的气温以上、且上述外部气压为规定的气压以下的情况下，上述控制部使上述二次电池的电力大于上述车辆的通常行驶时所需的该二次电池的电力。
在本公开中，上述控制部以上述燃料电池的温度成为规定的温度的方式决定上述二次电池的电力。
在本公开中，上述燃料电池的上述规定的温度是该燃料电池的发电效率最高的温度。
根据本公开的燃料电池系统，能够提高燃料电池高温时的耐久性。
附图说明
图1是表示本公开的燃料电池系统的控制方法的一个例子的流程图。
图2是表示由车辆请求的电力、二次电池的电力以及FC温度(水温：冷却水温度)的关系的一个例子的图。
图3是表示由车辆请求的电力、向FC请求的电力以及FC温度(水温：冷却水温度)的关系的一个例子的图。
具体实施方式
在本公开中，提供一种燃料电池系统，被搭载于车辆，其特征在于，具有：
燃料电池；
二次电池；
温度取得部，取得上述燃料电池的温度；
充电状态值取得部，取得上述二次电池的充电状态值；
外部气温取得部，取得外部气温；
外部气压取得部，取得外部气压；以及
控制部，控制上述二次电池的电力，
在上述燃料电池的温度超过规定的温度、且上述二次电池的充电状态值为规定的阈值以上、且上述外部气温为规定的气温以上、且上述外部气压为规定的气压以下的情况下，上述控制部使上述二次电池的电力大于上述车辆的通常行驶时所需的该二次电池的电力。
在燃料电池因冷却性能不足等而成为高温的情况下，因燃料电池的过干燥而燃料电池的电阻增加、发电效率降低。而且，伴随着燃料电池的电阻增加，燃料电池的发热增加，燃料电池的耐久性降低。
当来自车辆的请求发电量多、在FC的发电的损耗大的区域连续使用的情况下(车辆的上坡行驶时等)等，可能发生FC的温度上升。
另外，在外部气温高、与FC的冷却水温度的温度差小而冷却系统的散热器中的冷却水的散热能力降低的情况下；以及外部气压低而中冷器中的空气等氧化剂气体与冷却水的热交换效率降低的情况下等，会产生FC的温度上升。
在本公开中，当FC成为高温的情况下，通过暂时使来自二次电池的电力增加来使FC的发电负荷降低，使FC的耐久性提高。
本公开的燃料电池系统至少具有：燃料电池；二次电池；温度取得部，取得上述燃料电池的温度；充电状态值取得部，取得上述二次电池的充电状态值(SOC)；外部气温取得部，取得外部气温；外部气压取得部，取得外部气压；以及控制部，控制上述二次电池的电力。
本公开的燃料电池系统通常被搭载于使驱动源为电动机(马达)的燃料电池车辆而使用。
另外，本公开的燃料电池系统也可以被搭载于即便在车辆的启动时燃料电池不能发电也能够利用二次电池的电力进行行驶的车辆而使用。
电动机并不特别限定，可以是以往公知的驱动马达。
燃料电池可以是层叠了多个燃料电池的单电池的层叠体亦即燃料电池组。
单电池的层叠数并不特别限定，例如可以是2个～几百个，也可以是2～200个。
燃料电池组可以在单电池的层叠方向的两端具备端板。
燃料电池的单电池具备至少包括氧化剂极、电解质膜以及燃料极的膜电极接合体，可以根据需要具备夹持该膜电极接合体的两面的2张隔膜。
隔膜可以在与气体扩散层接触的面具有反应气体流路。另外，隔膜可以在与和气体扩散层接触的面相反一侧的面具有用于将燃料电池的温度保证为一定的制冷剂流路。
隔膜可以具有用于使反应气体以及制冷剂沿单电池的层叠方向流通的供给孔以及排出孔。
供给孔可举出燃料气体供给孔、氧化剂气体供给孔以及制冷剂供给孔等。
排出孔可举出燃料气体排出孔、氧化剂气体排出孔以及制冷剂排出孔等。
隔膜也可以是不透气的导电性部件等。作为导电性部件，例如可以是压缩碳而形成为不透气的致密质碳、以及冲压成形后的金属(例如、铁、铝以及不锈钢等)板等。另外，隔膜可以具备集电功能。
燃料电池组可以具备连通了各供给孔的入口歧管、以及连通了各排出孔的出口歧管等歧管。
入口歧管可举出阳极入口歧管、阴极入口歧管以及制冷剂入口歧管等。
出口歧管可举出阳极出口歧管、阴极出口歧管以及制冷剂出口歧管等。
氧化剂极包括氧化剂极催化剂层以及气体扩散层。
燃料极包括燃料极催化剂层以及气体扩散层。
氧化剂极催化剂层以及燃料极催化剂层例如可以具备促进电化学反应的催化剂金属、具有质子传导性的电解质、以及具有电子传导性的碳粒子等。
作为催化剂金属，例如能够使用铂(Pt)、以及由Pt与其他金属构成的合金(例如混合了钴以及镍等的Pt合金)等。
作为电解质，可以是氟类树脂等。作为氟类树脂，例如可以使用Nafion溶液等。
上述催化剂金属被担载于碳粒子上，在各催化剂层中，担载了催化剂金属的碳粒子(催化剂粒子)与电解质可以混合存在。
用于担载催化剂金属的碳粒子(担载用碳粒子)例如一般可以使用通过对市售的碳粒子(碳粉末)进行加热处理来提高自身的防水性的防水化碳粒子等。
气体扩散层可以是具有透气性的导电性部件等。
作为导电性部件，例如可举出碳布以及碳纸等碳多孔体、和金属网以及发泡金属等金属多孔体等。
电解质膜可以是固体高分子电解质膜。作为固体高分子电解质膜，例如可举出包含有水分的全氟磺酸的薄膜等氟类电解质膜以及烃类电解质膜等。作为电解质膜，例如可以是Nafion膜(杜邦公司制)等。
燃料电池系统可以具有向燃料电池的电极供给反应气体的反应气体供给部。
反应气体供给部向燃料电池组供给反应气体。
反应气体是包括燃料气体以及氧化剂气体的概念。
作为反应气体供给部，可举出燃料气体供给部以及氧化剂气体供给部等，燃料电池系统可以具有这些供给部中的任一方，也可以具备这些供给部的两方。
燃料电池系统可以具有向燃料电池的燃料极供给燃料气体的燃料气体供给部。
燃料气体是主要含有氢的气体，例如可以是氢气。
作为燃料气体供给部，例如可举出燃料箱等，具体而言，可举出液体氢罐、压缩氢罐等。
燃料电池系统可以具备燃料气体供给流路。
燃料气体供给流路将燃料电池与燃料气体供给部连接，能够实现燃料气体从燃料气体供给部向燃料电池的燃料极的供给。
燃料电池系统可以具备循环流路。
循环流路能够回收从燃料电池的燃料极排出的燃料废气，并将其作为循环气体返回至燃料电池的燃料极。
燃料废气包含在燃料极中保持未反应的状态通过的燃料气体、在氧化剂极中生成的生成水到达燃料极的水分、以及可以在扫气时供给至燃料极的氧化剂气体等。
燃料电池系统可以根据需要而在循环流路上具备调整循环气体的流量的氢泵等循环用泵、以及引射器(ejector)等。
循环用泵可以与控制部电连接，通过由控制部控制循环用泵的驱动的通/断以及转速等，来调整循环气体的流量。
引射器例如被配置于燃料气体供给流路与循环流路的合流部，将包含燃料气体与循环气体的混合气体供给至燃料电池的燃料极。作为引射器，能够采用以往公知的引射器。
在循环流路可以设置有用于减少燃料废气中的水分的气液分离器。而且，可以具备因气液分离器而从循环流路分支的排水流路以及在该排水流路上装备的排水阀。
在气液分离器中，从燃料废气中分离出的水分可以通过在从循环流路分支的排水流路设置的排水阀的开放来排出。
排水阀与控制部电连接，可以通过由控制部控制排水阀的开闭来调整液态水的排水量。
燃料电池系统可以具备燃料废气排出部。
燃料废气排出部能够将燃料废气排出至外部(系统外)。其中，外部可以是燃料电池系统的外部，也可以是车辆的外部。
燃料废气排出部可以具备燃料废气排出阀，根据需要，可以还具备燃料废气排出流路。
燃料废气排出阀与控制部电连接，可以通过利用控制部控制燃料废气排出阀的开闭来调整燃料废气的排出流量。
燃料废气排出流路例如可以从循环流路分支，在燃料废气中的氢浓度过低的情况下，能够将该燃料废气排出至外部。
燃料电池系统可以具备氧化剂气体供给部、氧化剂气体供给流路以及氧化剂气体排出流路。
氧化剂气体供给部至少向燃料电池的氧化剂极供给氧化剂气体。
作为氧化剂气体供给部，例如能够使用空气压缩机等。空气压缩机根据来自控制部的控制信号被驱动，将氧化剂气体导入至燃料电池的阴极侧(氧化剂极、阴极入口歧管等)。
氧化剂气体供给流路将氧化剂气体供给部与燃料电池连接，能够实现氧化剂气体从氧化剂气体供给部向燃料电池的氧化剂极的供给。
氧化剂气体是含氧气体，可以是空气、干燥空气以及纯氧等。
氧化剂气体排出流路能够实现氧化剂气体从燃料电池的氧化剂极的排出。
在氧化剂气体排出流路可以设置有氧化剂气体压力调整阀。
氧化剂气体压力调整阀与控制部电连接，通过利用控制部将氧化剂气体压力调整阀开阀来将反应完毕的阴极废气从氧化剂气体排出流路排出。另外，通过调整氧化剂气体压力调整阀的开度，能够调整供给至氧化剂极的氧化剂气体压力(阴极压力)。
在氧化剂气体供给流路可以配置有中冷器。中冷器与制冷剂循环流路连接，与制冷剂之间进行热交换，对从氧化剂气体供给部排出的氧化剂气体进行冷却。另外，当存在燃料电池的暖机(发电预处理)请求时，利用被氧化剂气体供给部压缩而温度变高了的氧化剂气体的热使制冷剂升温。
燃料电池系统可以具备旁通流路，该旁通流路在中冷器的下游侧从氧化剂气体供给流路分支，绕过燃料电池而与氧化剂气体排出流路连接。在该旁通流路配置有控制旁通流路的开通状态的旁通阀。旁通阀与控制部电连接，例如在驱动马达的再生发电时二次电池的充电容量没有富余量的状况下，当驱动氧化剂气体供给部而消耗二次电池的电力的情况下，被控制部开阀。由此，氧化剂气体不会被输送至燃料电池，而被向氧化剂气体排出流路排出。
另外，燃料气体供给流路与氧化剂气体供给流路可以经由合流流路连接。在合流流路可以设置有扫气阀。
扫气阀与控制部电连接，通过利用控制部将扫气阀开阀，可以使氧化剂气体供给部的氧化剂气体作为扫气气体流入至燃料气体供给流路内。
扫气所使用的扫气气体可以是反应气体，反应气体可以是燃料气体，也可以是氧化剂气体，还可以是包含上述两方气体的混合反应气体。
燃料电池系统可以具备制冷剂供给部以及制冷剂循环流路作为燃料电池的冷却系统。
制冷剂循环流路与设置于燃料电池的制冷剂供给孔以及制冷剂排出孔连通，使从制冷剂供给部供给的制冷剂在燃料电池内外循环，能够实现燃料电池的冷却。
制冷剂供给部例如可举出冷却水泵等。
在制冷剂循环流路可以设置有对冷却水的热进行散热的散热器。
作为冷却水(制冷剂)，为了防止低温时的结冰，例如能够使用乙二醇与水的混合溶液。
燃料电池系统可以具备二次电池。
二次电池(电池)只要能够充放电即可，例如可举出镍氢二次电池以及锂离子二次电池等以往公知的二次电池。另外，二次电池可以包括双电层电容器等蓄电元件。二次电池可以是串联连接有多个的结构。二次电池向马达等电动机以及空气压缩机等氧化剂气体供给部等供给电力。二次电池可以构成为可从车辆的外部的电源例如家庭用电源充电。二次电池可以被燃料电池的输出充电。
燃料电池系统可以具备将电池作为电源的辅机。
作为辅机，例如可举出车辆的照明设备以及空调设备等。
可以在本公开的燃料电池系统设置有检测二次电池的充电状态值(SOC)的充电状态值取得部。
充电状态值取得部检测二次电池的充电状态值(SOC)。
充电状态值取得部可以与控制部连接。控制部可以构成为能够根据充电状态值取得部的输出来检测二次电池的充电状态值。
充电状态值取得部可以是以往公知的充电状态传感器等。
控制部可以控制二次电池的充电状态值的管理以及二次电池的充放电。
充电状态值(SOC：State of Charge)表示二次电池的充电容量相对于满充电容量的比例，满充电容量为SOC100％。
温度取得部取得燃料电池的温度。
温度取得部可以与控制部连接。控制部可以构成为能够根据温度取得部的输出来检测燃料电池的温度。
温度取得部可以是以往公知的温度传感器等。
燃料电池的温度可以是为了冷却燃料电池而使用的冷却水的温度。
外部气温取得部取得外部气温。
外部气温取得部可以与控制部连接。控制部可以构成为能够根据外部气温取得部的输出来检测外部气温。
外部气温取得部可以是以往公知的外部气温传感器等。
外部气压取得部取得外部气压。
外部气压取得部可以与控制部连接。控制部可以构成为能够根据外部气压取得部的输出来检测外部气压。
外部气压取得部可以是以往公知的外部气压传感器等。
控制部至少控制二次电池的电力。
控制部可以经由输入输出接口与气液分离器、排水阀、燃料废气排出阀、氧化剂气体压力调整阀、扫气阀、燃料气体供给部、氧化剂气体供给部、旁通阀、二次电池、循环用泵、充电状态值取得部、温度取得部、外部气温取得部以及外部气压取得部等连接。另外，控制部可以与可搭载于车辆的点火开关电连接。
控制部在物理上例如具有CPU(中央运算处理装置)等运算处理装置、存储由CPU处理的控制程序以及控制数据等的ROM(只读存储器)和主要作为用于控制处理的各种工作区域而使用的RAM(随机访问存储器)等存储装置、以及输入输出接口。另外，控制部例如可以是ECU(发动机控制单元)等控制装置。
图1是表示本公开的燃料电池系统的控制方法的一个例子的流程图。此外，本公开不必仅限定于本典型例。
在燃料电池的温度超过规定的温度、且二次电池的充电状态值为规定的阈值以上、且外部气温为规定的气温以上、且外部气压为规定的气压以下的情况下，控制部使二次电池的电力大于车辆的通常行驶时所需的该二次电池的电力(FC高温时模式)。
另一方面，在燃料电池的温度为规定的温度以下、或者二次电池的充电状态值小于规定的阈值、或者外部气温小于规定的气温、或者外部气压超过规定的气压的情况下，控制部将二次电池的电力设定为车辆的通常行驶时所需的电力(通常模式)，并结束控制。
在FC高温时模式中，控制部可以以燃料电池的温度成为规定的温度的方式将二次电池的电力设定成大于车辆的通常行驶时所需的二次电池的电力。由此，通过以能够将燃料电池的温度维持为一定温度的方式决定二次电池的电力，能够高效地从燃料电池获得电力。
另外，燃料电池的规定的温度可以是该燃料电池的发电效率最高的温度。由此，能够最高效地从燃料电池获得电力。
二次电池的充电状态值的规定的阈值并不特别限定，可以以不成为车辆的行驶不良的方式适当地设定。
此外，在燃料电池的温度虽然超过规定的温度但二次电池的充电状态值小于规定的阈值的情况下，由于二次电池的可输出电力不充分，所以可以不进行FC高温时模式。
在FC高温时模式中，只要将二次电池的电力设定成大于车辆的通常行驶时所需的二次电池的电力即可，二次电池的电力并不特别限定。
然而，在二次电池的当前的充电状态值小于由车辆请求的能量的情况下，可以预先设定与二次电池可输出的能量相当的充电状态值的上限值与下限值以便二次电池的充电状态值不会枯竭而成为车辆的行驶不良。
而且，可以根据由车辆请求的电力与二次电池的可输出电力之差来计算对FC请求的电力，使FC进行发电。
图2是表示由车辆请求的电力、二次电池的电力以及FC温度(水温：冷却水温度)的关系的一个例子的图。如图2所示，例如可以定义FC成为高温的最差上坡模式(例如外部气温与外部气压的条件)，并以最差上坡模式中的FC的温度(冷却水温度等)能够保持FC的发电效率最大的温度(例如80℃)的方式设定FC高温时的向二次电池请求的电力。
在本公开中，外部气温为规定的气温以上且外部气压为规定的气压以下的情况表示了FC的冷却性能降低的条件。
若外部气温为规定的气温以上，则与FC的冷却水温度的温度差变小，在冷却系统的散热器中的冷却水的散热能力降低，FC温度上升。
外部气温的规定的气温不特别限定，例如可以根据表示预先测定的外部气温、外部气压以及FC的冷却水温度的关系的数据组来设定。
若外部气压为规定的气压以下，则由于与从空气压缩机等氧化剂气体供给部供给的高压的空气等氧化剂气体的压力差变大，氧化剂气体的密度下降，所以经由中冷器后的散热器中的氧化剂气体与冷却水的热交换效率降低，FC温度上升。
外部气压的规定的气压不特别限定，例如可以根据表示预先测定的外部气温、外部气压以及FC的冷却水温度的关系的数据组来设定。
图3是表示由车辆请求的电力、对FC请求的电力以及FC温度(水温：冷却水温度)的关系的一个例子的图。
对FC请求的电力能够根据由车辆请求的电力与二次电池的可输出电力之差来计算。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统，被搭载于车辆，其特征在于，具有：
燃料电池；
二次电池；
温度取得部，取得所述燃料电池的温度；
充电状态值取得部，取得所述二次电池的充电状态值；
外部气温取得部，取得外部气温；
外部气压取得部，取得外部气压；以及
控制部，控制所述二次电池的电力，
在所述燃料电池的温度超过规定的温度、且所述二次电池的充电状态值为规定的阈值以上、且所述外部气温为规定的气温以上、且所述外部气压为规定的气压以下的情况下，所述控制部使所述二次电池的电力大于所述车辆的通常行驶时所需的该二次电池的电力。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述控制部以所述燃料电池的温度成为规定的温度的方式决定所述二次电池的电力。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池的所述规定的温度是该燃料电池的发电效率最高的温度。
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