CN116031437A - 燃料电池的燃料气体供给系统以及该系统的控制方法 - Google Patents

燃料电池的燃料气体供给系统以及该系统的控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116031437A
CN116031437A CN202210974275.XA CN202210974275A CN116031437A CN 116031437 A CN116031437 A CN 116031437A CN 202210974275 A CN202210974275 A CN 202210974275A CN 116031437 A CN116031437 A CN 116031437A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel
injector
limit value
fuel gas
discharge valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210974275.XA
Other languages
English (en)
Inventor
长谷川茂树
宫本祐辅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of CN116031437A publication Critical patent/CN116031437A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04753Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438Pressure; Ambient pressure; Flow
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04402Pressure; Ambient pressure; Flow of anode exhausts
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04425Pressure; Ambient pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及燃料电池的燃料气体供给系统以及燃料气体供给系统的控制方法,该燃料电池的燃料气体供给系统具备喷射器、入口压力取得部、排出阀、氢分压取得部以及控制部。控制部构成为当在喷射器进行驱动的状态下氢分压变为第1上限值以上的情况下使喷射器的驱动停止,当在喷射器停止的状态下氢分压变为第1下限值以下的情况下喷射器的驱动开始。当在排出阀闭阀的状态下入口压力变为第2上限值以上的情况下,控制部使排出阀开阀,当在排出阀开阀的状态下入口压力变为第2下限值以下的情况下,控制部使排出阀闭阀。

Description

燃料电池的燃料气体供给系统以及该系统的控制方法
技术领域
本说明书公开的技术涉及燃料电池的燃料气体供给系统以及燃料气体供给系统的控制方法。
背景技术
在日本特开2020-145181中公开了一种如下所述的燃料电池系统,具备:燃料电池组;喷射器,经由供给路向燃料电池组的燃料气体入口供给燃料;以及排出阀,经由排出路从燃料电池组的燃料气体出口排出燃料废气等。在日本特开2020-145181的技术中,通过将燃料电池系统所具备的燃料气体供给系统的整体模型化,来推断多个状态量的各个,并且控制为目标值。因此,用于将多个状态量的各个控制为目标值的机构成为通过多个部件的动作的组合实现的构造。例如,为了控制包括氢分压以及燃料电池组入口压力的2个以上的状态量,而控制包括喷射器以及排出阀的2个以上的部件的动作。
在日本特开2020-145181的技术中,若喷射器、排出阀的规格变更、配管形状变更等燃料气体供给系统的一部分的特性发生变化,则需要重新研究燃料气体供给系统整体的模型。即,需要对于燃料气体供给系统整体的控制逻辑再次进行大规模的动作适配。当将燃料气体供给系统扩展到其他用途的情况等需要变更燃料气体供给系统的一部分的特性的情况下,需要庞大的开发工时。
发明内容
本说明书的第1方式涉及燃料电池的燃料气体供给系统。燃料电池的燃料气体供给系统具备:喷射器,构成为经由供给路与燃料电池组的燃料气体入口连接并供给燃料气体;入口压力取得部,构成为取得供给路的压力亦即入口压力;排出阀,经由排出路与燃料电池组的燃料气体出口连接;氢分压取得部,构成为取得排出路中的燃料废气的氢分压;以及控制部。控制部构成为基于针对燃料电池组的请求负荷来确定与氢分压对应的第1上限值以及第1下限值,并构成为当在喷射器进行驱动的状态下氢分压变为第1上限值以上的情况下使喷射器的驱动停止,且构成为当在喷射器停止的状态下氢分压变为第1下限值以下的情况下使喷射器的驱动开始。控制部构成为基于针对燃料电池组的请求负荷来确定与入口压力对应的第2上限值以及第2下限值,并构成为当在排出阀闭阀的状态下入口压力变为第2上限值以上的情况下使排出阀开阀,且构成为当在排出阀开阀的状态下入口压力变为第2下限值以下的情况下使排出阀闭阀。
根据上述的方式,为了将排出路的氢分压这1个状态量控制在第1上限值与第1下限值之间,而控制喷射器的1个部件的动作。另外,为了将供给路的入口压力这1个状态量控制在第2上限值与第2下限值之间,而控制排出阀的1个部件的动作。即,能够通过1个部件的动作实现1个状态量的向目标值的控制。而且,能够使各个状态量的控制相互独立。因此,即便在燃料气体供给系统的一部分的特性发生变化的情况下(例:变更喷射器的情况下),也只要仅针对与变化了的特性相关的1个状态量进行动作适配即可。由此,在变更燃料气体供给系统的一部分的特性的情况下,能够大幅度抑制开发工时。
在上述方式中,燃料气体供给系统可以还具备构成为将排出路与供给路连接的循环路。燃料气体供给系统可以还具备构成为被配置于循环路上并将燃料废气向供给路送出的泵。燃料气体供给系统可以还具备构成为取得泵的入口处的入口氢浓度的入口氢浓度取得部。燃料气体供给系统可以还具备构成为取得泵的排出流量的流量取得部。控制部可以构成为基于针对燃料电池组的请求负荷来确定从泵排出的氢的目标流量值,并构成为基于入口氢浓度以及排出流量来计算从泵排出的氢的当前流量值,且构成为控制泵以使当前流量值接近目标流量值。根据该结构,能够通过泵的1个部件的动作实现将氢的当前流量值这1个状态量控制为接近目标流量值。
在上述方式中,控制部可以反馈控制泵的转速以使目标流量值与当前流量值的偏差减少。由此,能够恰当地执行使当前流量值接近目标流量值的控制。
在上述方式中,燃料气体供给系统可以还具备构成为被设置于排出路、分离燃料废气所包括的液态水并存积的气液分离器。控制部可以根据存积于气液分离器的液态水达到规定量来将排出阀开阀而将液态水向外部排出。由此,能够将燃料废气所包含的液态水向外部排出。
在上述方式中,燃料气体供给系统可以具备具有第1学习模型的第1机器学习部,该第1学习模型构成为运算与氢分压对应的喷射器的控制的第1反馈增益。第1机器学习部可以将喷射器的操作量与氢分压的变动量的相关性作为教导数据来更新第1学习模型。控制部可以基于由第1学习模型决定的第1反馈增益来控制喷射器。由此,不需要繁琐的作业就能够恰当地调整第1反馈增益。在喷射器涉及的氢分压的控制中,能够实现过冲的抑制、响应速度的提高。
在上述方式中,燃料气体供给系统可以具备具有第2学习模型的第2机器学习部,该第2学习模型运算与入口压力对应的排出阀的控制的第2反馈增益。第2机器学习部可以将排出阀的操作量与入口压力的变动量的相关性作为教导数据来更新第2学习模型。控制部可以基于由第2学习模型决定的第2反馈增益来控制排出阀。由此,不需要繁琐的作业就能够恰当地调整第2反馈增益。在排出阀涉及的入口压力的控制中,能够实现过冲的抑制、响应速度的提高。
本说明书的第2方式涉及燃料气体供给系统的控制方法,该燃料气体供给系统具备:喷射器,经由供给路与燃料电池组的燃料气体入口连接并供给燃料气体;入口压力取得部,取得供给路的压力亦即入口压力;排出阀,经由排出路与燃料电池组的燃料气体出口连接;以及氢分压取得部,取得排出路中的燃料废气的氢分压。燃料气体供给系统的控制方法包括:基于针对燃料电池组的请求负荷来确定与氢分压对应的第1上限值以及第1下限值;当在喷射器记性驱动的状态下氢分压变为第1上限值以上的情况下,使喷射器的驱动停止;当在喷射器停止的状态下氢分压变为第1下限值以下的情况下,使喷射器的驱动开始;基于针对燃料电池组的请求负荷来确定与入口压力对应的第2上限值以及第2下限值;当在排出阀闭阀的状态下入口压力变为第2上限值以上的情况下,使排出阀开阀;以及当在上述排出阀开阀的状态下上述入口压力变为上述第2下限值以下的情况下,使上述排出阀闭阀。
附图说明
以下,参照附图对本发明的示例性实施例的特征、优点、技术及工业重要性进行说明,在附图中相同的附图标记表示相同的构成要素,其中:
图1是燃料电池系统的简要结构图。
图2是表示燃料气体供给系统的动作的一个例子的时序图。
具体实施方式
实施例1
燃料电池系统1的结构
参照图1,对燃料电池系统1进行说明。燃料电池系统1例如被搭载于燃料电池汽车。燃料电池系统1具备燃料电池组2、燃料气体供给系统3、空气供给系统4。
燃料电池组2是通过氢与氧的化学反应来发出电力的装置。通过氢与氧发生化学反应而生成水。燃料电池组2具备多个单电池(省略图示)。各单电池具备燃料极和空气极,通过燃料极被供给燃料气体(氢气)、空气极被供给包括氧的空气来进行发电。燃料电池组2发出的电力例如被供给至燃料电池汽车的行驶用马达。未被燃料电池组2中的发电使用的未反应的燃料气体(以下,称为“燃料废气”)从燃料电池组2排出。燃料废气中以蒸汽的状态包含有发电时生成的水。
燃料气体供给系统3是将燃料气体供给至燃料电池组2的装置。燃料气体供给系统3主要具备燃料箱10、喷射器20、气液分离器50、泵54、流量计55、ECU100(ElectronicControl Unit的简称)。
在燃料箱10储藏有向燃料电池组2供给的燃料气体(在本实施例中为氢气)。在燃料箱10连接有第1燃料供给路12的上游端部。第1燃料供给路12的下游端部与喷射器20连接。在第1燃料供给路12中,从上游侧朝向下游侧依次设置有主止阀14以及减压阀16。主止阀14使第1燃料供给路12开闭。若主止阀14开阀,则从燃料箱10向燃料电池组2供给燃料气体。减压阀16调整在第1燃料供给路12流动的燃料气体的压力。减压阀16能够对通过第1燃料供给路12向燃料电池组2供给的燃料气体的压力进行减压。
喷射器20对向燃料电池组2供给的燃料气体的压力以及流量进行调整。在喷射器20连接有第2燃料供给路22的上游端部。第2燃料供给路22的下游端部与燃料电池组2的燃料气体入口2a连接。喷射器20根据从ECU100输入的控制信号IS被控制开闭状态。通过喷射器20的开度以及开阀时间的调整来调整燃料气体的压力以及流量。喷射器20例如是电磁阀。
在第2燃料供给路22设置有压力传感器24。压力传感器24测定第2燃料供给路22内的燃料气体的压力亦即入口压力IP。测定出的入口压力IP被输入至ECU100。
在燃料电池组2的燃料气体出口2b连接有排气路42的上游端部。排气路42的下游端部与气液分离器50连接。燃料废气通过排气路42被供给至气液分离器50。气液分离器50分离从排气路42导入至气液分离器50内的燃料废气所包括的水并存积。导入至气液分离器50内的燃料废气所包含的水蒸汽被冷却,在气液分离器50内存积冷凝水(液态水)。
在气液分离器50连接有排气排水路56的上游端部。在排气排水路56设置有排气排水阀58。换言之,排气排水阀58经由排气路42以及排气排水路56与燃料气体出口2b连接。排气排水路56的下游端部向外部开放。排气排水阀58根据从ECU100输入的控制信号VS被控制开闭状态。若排气排水阀58开阀,则气液分离器50内的不需要的气体(主要是氮气)以及液态水向外部流动。
气体循环路52的上游端部与气液分离器50连接,下游端部与第2燃料供给路22连接。换言之,气体循环路52将排气路42与第2燃料供给路22连接。在气体循环路52上配置有泵54以及流量计55。泵54将气液分离器50内的燃料废气送出至第2燃料供给路22。送出至第2燃料供给路22的燃料废气被再次向燃料电池组2供给。泵54根据从ECU100输入的控制信号PS被控制转速。由于每1圈旋转的排出量是已知的,所以能够通过控制转速来控制排出流量。
流量计55测定泵54的排出流量DR。测定出的排出流量DR被输入至ECU100。
ECU100(控制部)具备CPU101和ROM、RAM等存储器102。ECU100确定对燃料电池组2请求的负荷(请求负荷),并控制喷射器20、排气排水阀58、泵54等各部的动作以便获得请求电流。
另外,ECU100作为氢分压取得部以及入口氢浓度取得部发挥功能。氢分压取得部是推断排气路42中的燃料废气的氢分压HP的部位。入口氢浓度取得部是推断泵54的入口处的入口氢浓度HC的部位。氢分压HP以及入口氢浓度HC的推断处理例如能够基于请求负荷、由燃料电池组2发出的实际的电力、入口压力IP、排出流量DR的测定值等各种信息来执行。通过推断氢分压HP以及入口氢浓度HC,能够不需要用于测定这些值的实体传感器。因此,能够实现燃料气体供给系统3的成本减少。另外,若因实体传感器的寿命、故障等而测定出异常的值,则存在无法保证后述的必要要件的担忧,但通过使用推断值能够避免该问题。用于执行这些推断处理的具体的方法不特别限定。例如,能够采用日本特开2020-145181以及美国专利申请公开第2020-0251760中记载的方法。通过参照而将日本特开2020-145181以及美国专利申请公开第2020-0251760的内容整体援引至本说明书。
空气供给系统4是将空气供给至燃料电池组2的装置。空气供给系统4具备压缩机62。压缩机62被配置于空气供给路60上。空气供给路60的上游端部向外部开放。空气供给路60的下游端部与燃料电池组2连接。压缩机62将被导入至空气供给路60的空气向燃料电池组2压送。另外,在燃料电池组2连接有空气排出路64的上游端部。空气排出路64的上游端部向外部开放。在燃料电池组2中的发电未使用的空气通过空气排出路64被释放至外部。
燃料气体供给系统3的控制的概要
在本说明书的燃料气体供给系统3的控制方法中,其特征在于,通过一个系统部件的操作量实现一个状态量的控制这一“单输入-单输出构造”以相互独立的方式具备多个。而且,在本说明书的技术中,为了决定通过单输入-单输出构造控制的状态量,而确定了3个在燃料气体供给系统3中应该满足的必要要件。而且,使用3个必要要件确定了3个状态量以及3个操作量。由此,能够使用3个单输入-单输出构造来控制燃料气体供给系统3。以下,具体地进行说明。
第1必要要件是供给为了避免燃料电池组2的劣化所需的氢量。为此,需要将排气路42的氢分压HP这一状态量控制为不低于下限值。而且,将喷射器20的开闭状态作为用于控制氢分压HP的操作量。排气路42是在燃料气体供给路中氢分压最低的点位(point)。通过将该点位的氢分压HP维持为下限值以上,能够防止燃料电池组2的劣化。
第2必要要件是燃料气体供给系统3的压力不超过氢系控制上限压力。为此,需要将第2燃料供给路22的燃料气体的入口压力IP这一状态量控制为不超过上限值。而且,将排气排水阀58的开闭状态作为用于控制入口压力IP的操作量。
第3必要要件是通过使电池组层叠方向上的氢分配偏差均匀化来向电池组里侧也进行氢供给。为此,需要将氢的当前流量值CF这一状态量控制为目标流量值TF。而且,将泵54的转速RT作为用于控制氢的当前流量值CF的操作量。
燃料气体供给系统3的动作例
参照图2的时序图,对被ECU100控制的燃料气体供给系统3的动作例进行说明。在图2中,在直至时刻t1为止的第1期间P1中,是通常负荷状态。在时刻t1~t2的第2期间P2中,例如因被用户操作的加速器开度变大,而是高负荷状态。在时刻t2以后的第3期间P3中,返回至通常负荷状态。
第一,对喷射器20涉及的氢分压HP的控制进行说明。ECU100确定对于燃料电池组2的当前的请求负荷,确定与当前的请求负荷对应的目标氢分压作为请求氢分压。请求氢分压是排气路42中的氢分压的请求值。接下来,ECU100基于请求氢分压来计算氢分压的第1下限值LL1以及第1上限值UL1。由于若氢分压HP低于第1下限值LL1,则会在燃料电池组2产生劣化,所以第1下限值LL1是必须达成要件。第1上限值UL1是对第1下限值LL1加上规定的富余量(margin amount)所得的值。
而且,ECU100通过作为上述的氢分压取得部发挥功能来推断氢分压HP。而且,进行反馈控制以使推断出的氢分压HP落入第1上限值UL1与第1下限值LL1的范围。具体进行说明。在第1期间P1,当在喷射器20进行驱动的状态(即开状态)下氢分压HP变为第1上限值UL1以上的情况下,ECU100使喷射器20的驱动停止(即,成为闭状态)(参照箭头A1)。由此,向燃料电池组2供给的氢的量减少,氢分压HP降低。另外,在喷射器20停止的状态(即闭状态)下,当氢分压HP变为第1下限值LL1以下的情况下,使喷射器20的驱动开始(即成为开状态)(参照箭头A2)。由此,向燃料电池组2供给的氢的量增加,氢分压HP上升。
若在时刻t1移至高负荷状态,则第1下限值LL1以及第1上限值UL1上升。因此,ECU100将喷射器20维持为开状态直至氢分压HP上升并达到第1上限值UL1为止(参照区域R1)。若在时刻t2移至通常负荷状态,则第1下限值LL1以及第1上限值UL1降低。因此,ECU100将喷射器20维持为闭状态直至氢分压HP降低并达到第1下限值LL1为止(参照区域R2)。
第二,对排气排水阀58涉及的入口压力IP的控制进行说明。ECU100基于对于燃料电池组2的请求负荷来计算入口压力IP的第2下限值LL2以及第2上限值UL2。由于若入口压力IP超过第2上限值UL2则存在故障的可能性,所以第2上限值UL2是必须达成要件。第2下限值LL2是从第2上限值UL2减去规定的富余量而得的值。其中,若富余量大,则相对于目标值的偏离变大,若富余量小,则排气排水阀58的开闭频度增加,部件耐久性变差。因此,只要以取得相对于目标值的偏离量与开闭频度的平衡的方式适当决定富余量即可。
而且,ECU100进行反馈控制以使入口压力IP落入第2上限值UL2与第2下限值LL2的范围。具体进行说明。在第1期间P1,当在排气排水阀58闭阀的状态下入口压力IP变为第2上限值UL2以上的情况下,ECU100使排气排水阀58开阀(参照箭头A3)。由此,入口压力IP降低。另外,当在排气排水阀58开阀的状态下入口压力IP变为第2下限值LL2以下的情况下,使排气排水阀58闭阀(参照箭头A4)。由此,入口压力IP上升。
若在时刻t1移至高负荷状态,则第2下限值LL2以及第2上限值UL2上升。因此,ECU100将排气排水阀58维持为闭状态直至入口压力IP上升并达到第2上限值UL2为止(参照区域R3)。若在时刻t2移至通常负荷状态,则第2下限值LL2以及第2上限值UL2降低。因此,ECU100将排气排水阀58维持为开状态直至入口压力IP降低并达到第2下限值LL2为止(参照区域R4)。
其中,排气排水阀58开阀的情况并不局限于入口压力IP变为第2上限值UL2以上的情况。例如ECU100可以根据存积于气液分离器50的液态水达到规定量来进行将排气排水阀58开阀而将液态水向外部排出的控制。
第三,对泵54涉及的氢的当前流量值CF的控制进行说明。ECU100基于针对燃料电池组2的请求负荷来运算从泵54排出的氢的目标流量值TF。例如,可以基于燃料电池组2发出的电流值、燃料电池组2的温度来进行运算。
ECU100通过作为上述的入口氢浓度取得部发挥功能来推断入口氢浓度HC。另外,ECU100从流量计55取得泵54的排出流量DR的计测值。而且,基于入口氢浓度HC以及排出流量DR来计算从泵54排出的氢的当前流量值CF。氢的当前流量值CF是表示每单位时间的氢供给量的值。
而且,ECU100以氢的当前流量值CF接近目标流量值TF的方式控制泵54。由此,如图2所示,能够使实线所示的当前流量值CF追随虚线所示的目标流量值TF。控制方法可以各种各样。例如,可以执行将目标流量值TF与当前流量值CF的偏差作为目标变量、将泵54的转速RT作为操作变量的反馈控制。反馈控制能够使用PI控制、PID控制、P控制、I控制等各种控制方法。
效果
在现有的燃料气体供给系统中,使用了通过多个系统部件的操作量来实现多个状态量的控制的“多输入-多输出构造”。该情况下,若发生燃料气体供给系统的一部分的特性变更(例:阀/泵等驱动部件的变更、配管形状变更等),则需要重新研究燃料气体供给系统整体的模型。因此,例如在将乘用车用的燃料气体供给系统应用于其他用途(例:巴士、卡车、电车、船舶、固定式发电机等)时,需要制作燃料气体供给系统的试验机,进行系统整体的适配评价。存在开发工时、开发期间增大而开发成本上升的问题。
鉴于此,在本说明书的燃料气体供给系统3中,以相互独立的方式具备(1)通过喷射器20的开闭状态来控制氢分压HP、(2)通过排气排水阀58的开闭状态来控制入口压力IP、(3)通过泵54的转速RT来控制氢的当前流量值CF这3个单输入-单输出构造。由此,即便在变更燃料气体供给系统的一部分的特性的情况下,也只要仅针对与变更了的特性相关的1个状态量进行动作适配即可。例如,在变更喷射器20的情况下,只要仅进行喷射器20的动作适配以便氢分压HP落入第1上限值UL1与第1下限值LL1的范围即可。该情况下,关于在入口压力IP的控制中使用的排气排水阀58,不需要动作适配。根据以上说明,当将燃料气体供给系统3扩展到其他用途的情况下,能够大幅度地抑制开发工时。
实施例2
在实施例2中,说明对于实施例1的燃料气体供给系统3还具备第1以及第2机器学习部的方式。对与实施例1的燃料气体供给系统3同样的部位标注同样的附图标记,由此省略说明。
在存储器102中存储有第1程序以及第2程序、第1学习模型以及第2学习模型。第1程序以及第2程序通过被CPU101执行来使CPU101作为第1以及第2机器学习部发挥功能。
第1学习模型是用于运算与氢分压HP对应的喷射器20的控制的第1反馈增益的模型。第1机器学习部将喷射器20的操作量与氢分压HP的变动量的相关性作为教导数据来更新第1学习模型。而且,ECU100基于由第1学习模型决定的第1反馈增益来控制喷射器20。例如,可以是第1反馈增益越大、则越增大喷射器20的开度。由此,不需要繁琐的作业就能够恰当地调整第1反馈增益。在喷射器20涉及的氢分压HP的控制中,能够实现过冲的抑制、响应速度的提高。
第2学习模型是用于运算与入口压力IP对应的排气排水阀58的控制的第2反馈增益的模型。第2机器学习部将排气排水阀58的操作量与入口压力IP的变动量的相关性作为教导数据来更新第2学习模型。而且,ECU100基于由第2学习模型决定的第2反馈增益来控制排气排水阀58。例如,可以是第2反馈增益越大、则越增大排气排水阀58的开度。由此,不需要繁琐的作业就能够恰当地调整第2反馈增益。在排气排水阀58涉及的入口压力IP的控制中,能够实现过冲的抑制、响应速度的提高。
以上,对本发明的具体例详细地进行了说明,但这些只不过是例示,并不限定技术方案的范围。技术方案的范围中记载的技术包括对以上例示的具体例进行各种变形、变更而得的技术方案。
本说明书或者附图中说明了的技术要素单独或通过各种组合来发挥技术有用性,并不限定于申请时技术方案记载的组合。另外,本说明书或者附图中例示的技术能够同时实现多个目的,实现其中的一个目的本身就具有技术有用性。
变形例
喷射器20、排气排水阀58、泵54的控制并不局限于反馈控制,能够使用各种控制方法。例如,也可以使用前馈控制、模型预测控制(MPC)等各种控制方法,也可以将多个控制方法组合。
氢分压HP以及入口氢浓度HC并不局限于推断值,也可以是通过传感器取得的实测值。另外,入口氢浓度HC也可以是根据氢分压HP计算的值。另外,排出流量DR并不局限于流量计55的实测值。例如,也可以是根据泵54的容积和转速推断的值。
压力传感器24是入口压力取得部的一个例子。排气路42以及排气排水路56是排出路的一个例子。排气排水阀58是排出阀的一个例子。流量计55是流量取得部的一个例子。

Claims (7)

1.一种燃料电池的燃料气体供给系统,其特征在于,包括:
喷射器,构成为经由供给路与燃料电池组的燃料气体入口连接,并供给燃料气体;
入口压力取得部,构成为取得所述供给路的压力亦即入口压力;
排出阀,经由排出路与所述燃料电池组的燃料气体出口连接;
氢分压取得部,构成为取得所述排出路中的燃料废气的氢分压;以及
控制部,
其中,
所述控制部构成为基于针对所述燃料电池组的请求负荷来确定与所述氢分压对应的第1上限值以及第1下限值,
并构成为当在所述喷射器进行驱动的状态下所述氢分压变为所述第1上限值以上的情况下,使所述喷射器的驱动停止,
且构成为当在所述喷射器停止的状态下所述氢分压变为所述第1下限值以下的情况下,使所述喷射器的驱动开始,
所述控制部构成为基于针对所述燃料电池组的请求负荷来确定与所述入口压力对应的第2上限值以及第2下限值,
并构成为当在所述排出阀闭阀的状态下所述入口压力变为所述第2上限值以上的情况下,使所述排出阀开阀,
且构成为当在所述排出阀开阀的状态下所述入口压力变为所述第2下限值以下的情况下,使所述排出阀闭阀。
2.根据权利要求1所述的燃料气体供给系统,其特征在于,还包括:
循环路,构成为将所述排出路与所述供给路连接;
泵,构成为被配置于所述循环路上,并将所述燃料废气向所述供给路送出;
入口氢浓度取得部,构成为取得所述泵的入口处的入口氢浓度;以及
流量取得部,构成为取得所述泵的排出流量,
其中,
所述控制部构成为基于针对所述燃料电池组的请求负荷来确定从所述泵排出的氢的目标流量值,
并构成为基于所述入口氢浓度以及所述排出流量来计算从所述泵排出的氢的当前流量值,
且构成为控制所述泵以使所述当前流量值接近所述目标流量值。
3.根据权利要求2所述的燃料气体供给系统,其特征在于,
所述控制部构成为反馈控制所述泵的转速以使所述目标流量值与所述当前流量值的偏差减少。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的燃料气体供给系统,其特征在于,
还包括构成为被设置于所述排出路来分离所述燃料废气所包括的液态水并存积的气液分离器,
其中,
所述控制部构成为根据存积于所述气液分离器的所述液态水达到规定量而将所述排出阀开阀来将所述液态水向外部排出。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的燃料气体供给系统,其特征在于,
还包括具有第1学习模型的第1机器学习部,该第1学习模型构成为运算与所述氢分压对应的所述喷射器的控制的第1反馈增益,
其中,
所述第1机器学习部构成为将所述喷射器的操作量与所述氢分压的变动量的相关性作为教导数据来更新所述第1学习模型,
所述控制部构成为基于由所述第1学习模型决定的所述第1反馈增益来控制所述喷射器。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的燃料气体供给系统,其特征在于,
还包括具有第2学习模型的第2机器学习部,该第2学习模型构成为运算与所述入口压力对应的所述排出阀的控制的第2反馈增益,
其中,
所述第2机器学习部构成为将所述排出阀的操作量与所述入口压力的变动量的相关性作为教导数据来更新所述第2学习模型,
所述控制部构成为基于由所述第2学习模型决定的所述第2反馈增益来控制所述排出阀。
7.一种燃料气体供给系统的控制方法,所述燃料气体供给系统具备:
喷射器,经由供给路与燃料电池组的燃料气体入口连接,并供给燃料气体;
入口压力取得部,取得所述供给路的压力亦即入口压力;
排出阀,经由排出路与所述燃料电池组的燃料气体出口连接;以及
氢分压取得部,取得所述排出路中的燃料废气的氢分压,
所述燃料气体供给系统的控制方法的特征在于,包括:
基于针对所述燃料电池组的请求负荷来确定与所述氢分压对应的第1上限值以及第1下限值;
当在所述喷射器进行驱动的状态下所述氢分压变为所述第1上限值以上的情况下,使所述喷射器的驱动停止;
当在所述喷射器停止的状态下所述氢分压变为所述第1下限值以下的情况下,使所述喷射器的驱动开始;
基于针对所述燃料电池组的请求负荷来确定与所述入口压力对应的第2上限值以及第2下限值;
当在所述排出阀闭阀的状态下所述入口压力变为所述第2上限值以上的情况下,使所述排出阀开阀;以及
当在所述排出阀开阀的状态下所述入口压力变为所述第2下限值以下的情况下,使所述排出阀闭阀。
CN202210974275.XA 2021-10-27 2022-08-15 燃料电池的燃料气体供给系统以及该系统的控制方法 Pending CN116031437A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021-175690 2021-10-27
JP2021175690A JP7452515B2 (ja) 2021-10-27 2021-10-27 燃料電池の燃料ガス供給システムおよびその制御方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116031437A true CN116031437A (zh) 2023-04-28

Family

ID=85795738

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210974275.XA Pending CN116031437A (zh) 2021-10-27 2022-08-15 燃料电池的燃料气体供给系统以及该系统的控制方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230129936A1 (zh)
JP (1) JP7452515B2 (zh)
CN (1) CN116031437A (zh)
DE (1) DE102022120243A1 (zh)

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4682527B2 (ja) 2004-04-13 2011-05-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の制御装置
JP4710246B2 (ja) 2004-05-14 2011-06-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4923424B2 (ja) 2005-03-24 2012-04-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2006331671A (ja) 2005-05-23 2006-12-07 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP4984435B2 (ja) 2005-05-26 2012-07-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび制御方法
JP2007048517A (ja) 2005-08-08 2007-02-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US8642225B2 (en) 2009-01-19 2014-02-04 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha High-pressure fluid supply apparatus
JP2016110835A (ja) 2014-12-05 2016-06-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP6299683B2 (ja) 2015-06-25 2018-03-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6702173B2 (ja) 2016-12-22 2020-05-27 株式会社Soken 燃料電池システム
JP7056171B2 (ja) 2018-01-25 2022-04-19 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP7155550B2 (ja) 2018-03-13 2022-10-19 株式会社デンソー 燃料電池システム
US10916788B2 (en) 2019-01-31 2021-02-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Hydrogen supply system low pressure state estimator

Also Published As

Publication number Publication date
US20230129936A1 (en) 2023-04-27
JP2023065090A (ja) 2023-05-12
DE102022120243A1 (de) 2023-04-27
JP7452515B2 (ja) 2024-03-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100989383B1 (ko) 연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템이 탑재된 이동체, 및연료 전지 시스템의 이상 판단 방법
US8563191B2 (en) Fuel cell system and gas leakage detection device
CN100563053C (zh) 燃料电池系统
KR101083371B1 (ko) 연료전지 시스템 및 개폐밸브의 진단방법
US8387441B2 (en) Injector flow measurement for fuel cell applications
KR100966910B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 차량
CN101496209B (zh) 燃料电池系统
US20130164644A1 (en) System and method for controlling pressure oscillation in anode of fuel cell stack
US10033057B2 (en) Fuel cell system and control method of fuel cell system
JP2006278088A (ja) 燃料電池システムおよび水素漏れ検出方法
CN101421880A (zh) 燃料电池系统
US20030096145A1 (en) Fuel-circulating fuel cell system
US11171347B2 (en) Fuel cell system to control output of a fuel cell stack
CN110911710B (zh) 气体供给系统、具备气体供给系统的燃料电池系统、气体供给系统的控制方法
WO2008069111A1 (ja) 燃料電池システム
CN103582970B (zh) 燃料电池系统
JP5013307B2 (ja) 燃料電池システム
US10038208B2 (en) Fuel cell system
US11152633B2 (en) Fuel cell system and method of controlling the same
CN116031437A (zh) 燃料电池的燃料气体供给系统以及该系统的控制方法
US11548408B2 (en) Control systems and methods to meet fuel cell fuel demand
JP4826060B2 (ja) 燃料電池システム
KR20240043517A (ko) 연료전지 시스템 및 그 제어방법
JP2023179144A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination