CN1836345A - 燃料电池系统以及气体控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统以及气体控制方法。包括通过燃料气体与氧化气体之间的电化学反应发电的燃料电池(20)的燃料电池系统具有向燃料电池(20)的阳极(22)和阴极(23)分别供给数量与负载相对应的燃料气体和氧化气体的气体供给装置，推定在通过燃料电池(20)进行的发电停止之后燃料气体和氧化气体中的至少一种气体在阳极(22)与阴极(23)之间的气体渗透量的气体渗透量推定装置(S32)，以及根据所推定的气体渗透量校正要在随后开始发电时由所述气体供给装置供给的与所述负载相对应的燃料气体和氧化气体中的至少一种气体的供给量的校正装置(S36)。

Description

燃料电池系统以及气体控制方法
技术领域
本发明涉及一种通过燃料气体与氧化气体之间的电化学反应发电的燃料电池系统以及所述燃料电池系统的气体控制方法。
背景技术
燃料电池被构造为在被供给燃料气体和氧化气体时开始发电。响应于被供给数量分别与所需负载(负荷)相对应的燃料气体和氧化气体，燃料电池产生所需的电能。
上述燃料电池的操作通过停止燃料气体和氧化气体的供给而中断。例如，通过将不活泼气体(惰性气体)引入燃料电池(加压)或者将残留燃料气体吸取到外部(产生负压)以便排出到外部，可以完全停止发电。
同时，在配备燃料电池的车辆停止很短一段时间或者在低负载下运行时，在燃料电池中残留燃料气体等的同时停止燃料气体和氧化气体的供给。
在燃料电池中，燃料气体利用高分子电解质(膜)与氧化气体分离。如果在发电(电化学反应)被中断的情况下留有这种气体，则该气体容易渗透通过高分子电解质直到两个电极处每种气体的分压力变为相等。上述气体通过高分子电解质的渗透可能影响正常发电，导致在再次开始发电时燃料电池性能(输出电压)暂时恶化。
日本专利申请特开No.JP-A-2002-352837公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统在激活时在所施加的压力下将过剩的燃料气体迅速供给到燃料电池，从而从燃料电池的停止状态迅速获得功率输出。
在发电(电化学反应)已停止的情况下，燃料电池中通过高分子电解质分离的燃料气体和氧化气体易于渗透通过高分子电解质，直到两个电极处的分压力变为相等。上述这种气体的渗透可能影响正常发电，从而导致在燃料电池再次起动时燃料电池的性能(输出电压)暂时恶化。如果如上所述在燃料电池每次再次起动时都重复性地将过剩气体在高压下迅速供给到燃料电池，则可能损坏非常薄的固体高分子电解质或催化剂电极，并浪费燃料气体，从而燃料效率恶化。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服在再次开始发电时性能恶化的问题同时避免燃料效率恶化的燃料电池。
本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统，它包括通过燃料气体与氧化气体之间的电化学反应发电的燃料电池和由所述燃料电池供给电力的负载装置，所述燃料电池系统的特征在于包括：向所述燃料电池的阳极和阴极分别供给数量与所述负载装置的负载相对应的所述燃料气体和所述氧化气体的气体供给装置；推定在所述燃料电池停止后所述燃料气体和所述氧化气体中的至少一种气体在所述阳极与所述阴极之间的气体渗透量的气体渗透量推定装置；以及根据所推定的气体渗透量校正要在随后开始发电时由所述气体供给装置供给的与所述负载相对应的所述燃料气体和所述氧化气体中的至少一种气体的供给量的校正装置。
根据本发明的第一方面，上述结构能够克服由于由化学短路造成的在催化剂表面上形成水滴而导致有效催化面积减小，或由于阳极和阴极中气体压力的减小而导致燃料电池再次起动时燃料电池的升高延迟，所述化学短路是由在燃料电池操作中断后渗透通过阳极与阴极之间的高分子电解质的燃料电池中的剩余气体而导致的。
在本发明的第一方面中，所述气体渗透量可以是基于在通过所述燃料电池进行的发电停止之后开路电压的下降率来推定的。可使用在燃料电池操作中断后经过预定时间所述开路电压的下降率与通过高分子电解质的气体渗透量之间的关系进行这种推定。
在涉及本发明的第一方面的该方面，所述开路电压的下降率可以是基于由于在通过所述燃料电池进行的发电停止之后所述燃料气体向所述阴极的泄漏和所述氧化气体向所述阳极的泄漏而已在所述阳极与所述阴极之间发生的电压下降的量，从通过所述燃料电池进行的发电停止时经过的时间，以及已预先通过试验或模拟计算得到的函数来计算的。
在本发明的第一方面中，所述气体渗透量可以是基于在通过所述燃料电池进行的发电停止之后所述燃料气体的气体压力下降率来推定的。可使用在燃料电池操作中断后经过预定时间燃料电池内气体压力的下降率与通过高分子电解质的气体渗透量之间的关系进行这种推定。
在涉及本发明的第一方面的该方面，所述气体压力下降率可以是基于已预先通过试验或模拟计算得到的基于在通过所述燃料电池进行的发电停止之后所述阳极中的燃料气体压力的所推定的气体渗透量，从通过所述燃料电池进行的发电停止时到再次开始通过所述燃料电池进行的发电时经过的时间内所述燃料气体压力的下降，以及所述经过的时间来计算的。
在本发明的第一方面中，所述校正装置可基于所推定的气体渗透量独立地设定所述燃料气体的校正量和所述氧化气体的校正量中的每一个。
在本发明的第一方面中，所述气体渗透量推定装置可独立地推定所述燃料气体的气体渗透量和所述氧化气体的气体渗透量中的每一个。
根据本发明的第一方面以及有关方面，所述燃料电池可在所述燃料电池的间歇性运转模式中进入停止状态。设置在车辆中的燃料电池构造成在诸如车辆停止状态的低负载状态从二次电池供给电力以提高燃料效率，从而燃料电池暂时停止，直到需要其运转。当要求更高的电力时燃料电池必须能迅速起动，以使得车辆能够起步。根据本发明的该方面，通过校正所提供的气体的量，可避免由于气体的渗透导致的燃料电池的起动性能的恶化，从而提高车辆的起步特性。
本发明的第二方面涉及一种燃料电池系统的气体控制方法，该燃料电池系统包括通过燃料气体与氧化气体之间的电化学反应发电的燃料电池和由所述燃料电池供给电力的负载装置，所述气体控制方法的特征在于包括以下步骤：向所述燃料电池的阳极和阴极分别供给数量与所述负载装置的负载相对应的所述燃料气体和所述氧化气体；推定在通过所述燃料电池进行的发电停止之后所述燃料气体和所述氧化气体中的至少一种气体在所述阳极与所述阴极之间的气体渗透量；以及根据所推定的气体渗透量校正要在随后开始发电时提供的与所述负载相对应的所述燃料气体和所述氧化气体中的至少一种气体的供给量。
本发明能够避免燃料电池刚刚再次起动后输出电压下降。在燃料电池再次起动时供给的气体的量被调整(校正)为适当的值，从而提高输出电压的增长特性。因此，这能够避免固体高分子电解质在过高的压力下损坏或燃料气体的供给过量时燃料效率恶化。
附图说明
图1是说明根据本发明的燃料电池系统的结构的说明图；
图2是说明在燃料电池间歇性运转时应用本发明的控制处理的流程图；
图3A是说明燃料电池的开路电压的示例的曲线图，图3B是说明电压下降与气体渗透量之间的关系的曲线图，图3C是说明气体渗透量与供给的气体的校正量之间的关系的曲线图；以及
图4A是说明确定氢气量的增加的函数的曲线图，图4B是说明确定空气量的增加的函数的曲线图。
具体实施方式
将参照附图说明本发明的优选实施例。
根据本发明的燃料电池系统构造为，在暂停燃料气体和氧化气体中至少一种气体的供给时停止发电的燃料电池的不发电状态，分别推定从阳极到阴极的燃料气体渗透量和从阴极到阳极的氧化气体和不活泼气体的渗透量。如果确定气体渗透量大，对于随后燃料电池的起动(开始发电)，增加燃料气体的循环和供给量以及氧化气体的供给量。因此，在燃料电池再次起动时燃料气体的密度增加以便应付所生成的水的泛滥状态或稀释渗透到阴极的燃料气体，从而可确保在随后开始发电时输出电压的增长性能(发电性能)。
可以使用与气体渗透量相关的燃料电池的开路电压(OCV)的减小率(减小速度)、阳极的燃料气体压力的减小率以及燃料电池运转的其它参数来推定气体渗透量。
图1是说明本发明的第一实施例的框图。在第一实施例中，观测运转中断的燃料电池的开路电压V，并根据开路电压V减小的状态推定燃料气体向阴极的泄漏。同样推定氧化气体向阳极的泄漏。例如，燃料气体可以是氢气，氧化气体可以是空气(包含氧气、氮气等)。在估计为由于燃料气体和氧化气体的渗透造成化学短路或气体压力减小的情况下，添加与校正量相对应的量的气体，以使在下一次激活时供给的燃料气体和氧化气体的量与所要求的负载相对应，从而提高燃料电池的起动特性。
参照图1，燃料电池20包括设置在阳极22与阴极23之间的固体高分子电解质21(MEA：膜电极组件)，每个均具有气体供给通路(未示出)和冷却水通路(未示出)的多个单格电池层叠在该固体高分子电解质上。作为氧化气体的空气(外部空气)经由空气供给通路71供给到燃料电池20的空气入口。空气供给通路71包括去除空气中的微粒的空气滤清器11，加压空气的压缩机12，检测空气供给压力的压力传感器51，以及向空气添加预定量的湿度的加湿器13。空气滤清器11具有检测空气流量的空气流量计。
从燃料电池20排出的空气废气进一步通过排气通路72排放到外部。排气通路72具有检测排气压力的压力传感器52，压力调节阀(流量控制阀)14以及加湿器13的热交换器。压力调节阀14用作设定供给到燃料电池20的空气的压力(空气压力)的压力调节器。来自压力传感器51、52的每个检测信号(未示出)传送到控制部50。控制部50通过调节压缩机12和压力调节阀14设定空气供给压力或供给流量。压缩机12、压力调节阀14以及控制部50的控制程序构成供给氧化气体的装置。
用作燃料气体的氢气从氢供给源31经由燃料供给通路75供给到燃料电池20的氢供给入口。氢供给源31可形成为高压氢燃料箱、氢吸藏合金、改质器(重整器)等。燃料供给通路75具有检测氢供给源的压力的压力传感器54，调节供给到燃料电池20的氢气的压力的压力调节阀(流量控制阀)32，当燃料供给通路75处于异常压力下时打开的减压阀39，打开和关闭燃料电池的氢气供给入口的切断阀33，以及检测氢气的入口的压力的压力传感器55。压力传感器55可形成为气体压力检测装置。压力传感器54和55的信号(未示出)供给到控制部50。控制部50通过调节压力调节阀32设定氢气的供给量。
已被燃料电池20消耗的氢气作为氢废气排放到氢循环通路76，以便返回到燃料供给通路75中切断阀41的下游侧。氢循环通路76具有检测氢废气的温度的温度传感器63，排出氢废气的切断阀34，从氢废气中回收水的气/液分离器35，回收的水通过其收集在容器(未示出)中的排气阀36，加压氢废气的氢泵37，以及单向阀40。切断阀33和34可形成为封闭燃料电池的阳极侧的部件。温度传感器63的检测信号(未示出)供给到控制部50。通过控制部50控制氢泵37的运转。氢废气流动以在燃料供给通路75中与从氢供给源31供给的氢气混合，从而混合物供给到燃料电池20并在燃料电池中再次利用。供给到燃料电池20的氢气包括来自氢供给源31的新的氢气和循环后的氢气。单向阀40用以防止燃料供给通路75中的氢气回流入氢循环通路76。氢供给源31、压力调节阀32以及氢泵37构成燃料气体供给装置。上述氧气供给装置和燃料气体供给装置构成气体供给装置。
氢循环通路76经由排出阀(purge valve)38通过排出通路77连接到排气通路72。排出阀38形成为电磁切断阀，它根据来自控制部50的指令操作以便将氢废气释放(排出)到外部。上述排出对于燃料电池内的循环间歇性地重复进行，从而将杂质浓度增大的氢废气排放到外部。然后为了防止电池中电压下降而引入新的氢气。排出的氢废气利用燃烧室(未示出)内的空气废气稀释，从而排放到外部。
电力控制装置(PCU)42经由开关连接到燃料电池20的输出端子。电力控制装置42包括变换DC电压的DC-DC变换器42a，以及将直流电流变换为交流电流的逆变器42b、42c。变换器42a用于以与燃料电池20的输出相对应的适当的电压电平对二次电池41充电。二次电池41的输出被调整到适当电平，以便经由逆变器42b和42c供给到辅助电机43和驱动电机44。逆变器42b和42c用于将燃料电池20或二次电池41的输出供给到辅助电机43和驱动电机44。通过电力控制装置42的供电路线由控制部50根据运转模式控制。在燃料电池20的输出端子之间连接有电压计V，并且监控器输出供给到控制部50。
控制部50接收由未示出的车辆加速信号表示的所要求负载的输入、从燃料电池系统的各个部分的传感器传送的控制信息等，从而控制各种阀和电机的运转。控制部50形成为可利用公知的可从商业上获得的系统构成的控制计算机系统(未示出)。
将参照图2中所示的流程图说明控制部50的操作。控制部50形成为用于执行上述控制的计算机。更具体地，控制部50根据控制程序(未示出)控制燃料电池系统中各部分的操作。
在燃料电池20的发电效率(燃料效率)降低的低负载状态，例如车辆停止状态，控制部50中断燃料电池20的运转并使二次电池41运转用于供电。当二次电池41的充电状态降低或负载增加时，控制部50用于使燃料电池20运转以向负载提供电力并对二次电池41充电。当二次电池41的充电完成且负载降低时，中断燃料电池20的运转，通过二次电池41向负载提供电力。根据该实施例的控制部50，在低负载状态下重复地进行上述操作，从而进行燃料电池20的间歇性运转(间歇性运转模式)。
在步骤S20中，控制部50建立预定条件，即，持续在燃料电池系统运转期间的车辆停止状态或持续低负载状态，从而执行上述间歇性运转模式。
然后在步骤S22中，控制部50断开燃料电池20的输出端子的开关。然后控制部50操作动力输出装置42以从二次电池41向辅助电机43、驱动电机44等的电源供电。在步骤S24中，用于供给燃料气体和氧化气体的各供给系统例如空气压缩机12、氢泵37等停止，以便中断燃料电池20的运转。切断阀33和34的工作停止。在步骤S26中，控制部50基于电压计V的输出读取在燃料电池20的运转中断时的时刻y1时的开路电压(OCV)V1。然后控制部50将所读取的数据存储于内部存储器(未示出)中。在步骤S28，控制部50观测是否已产生超过间歇性运转模式中的预定值的负载要求，或是否已产生响应于二次电池41的充电状态的减小的再次发电要求。如果在步骤S28中得到否定的结论，即，不要求再次发电，则燃料电池20维持不发电状态。
如果在步骤S28中得到肯定的结论，即，在从燃料电池20的运转中断时刻经过时间t1之后要求再次发电，则在步骤S30中控制部50检测时刻y2时燃料电池20的开路电压V2，并将所检测到的电压V2存储于内部存储器中。
控制部50推定在燃料电池20的运转中断期间的气体渗透量。参照图3A，如果在中断之后在经过的时间t1要求恢复发电，则由等式ΔV/t1＝V1-V2/t1得到电压下降率。在步骤S32中，使用如图3B所示使用电压下降量ΔV和经过的时间t1作为参数的预先通过试验或通过进行模拟计算得到的函数P＝f(ΔV，t)推定气体渗透量P。通过关注由于密封于阳极22中的氢气泄漏入阴极23以及氧气和氮气从阴极23泄漏入阳极22造成的阳极和阴极中产生的电压下降的现象，进行上述推定。在步骤S32中的处理相当于气体渗透量推定装置。
在步骤S34中，判定所推定的气体渗透量P是否超过基准值(阈值)，可能需要校正。如果在步骤S34中得到肯定的结论，即，所推定的值超过阈值，则增加供给到阳极22的氢气的量以及供给到阴极23的空气的量。使用预先通过试验或模拟计算得到的气体增加量函数N＝s(P)得到与气体渗透量P1相对应的气体增加量N1。在步骤S36中，根据所要求的负载将增加了与气体渗透量相对应的气体增加量N1的气体分别添加到氢气和空气的供给量(正常操作期间的气体供给量)，从而设定各供给气体量。在步骤S36中的处理相当于校正装置。
如果在步骤S34中得到否定的结论，即，所推定的气体渗透量没有超过阈值，可能不需要校正，则处理前进到步骤S38，在步骤S38中，分别将供给到阳极22的氢气的量和供给到阴极23的空气的量设定为与所要求负载对应的量。
然后，在步骤S40中，控制部50调节压力调节阀32和氢泵37，使得氢气的供给量变为设定值，并打开切断阀33、34以开始氢气的供给。激活空气压缩机12以调节压力调节阀14，使得空气的供给量变为设定值。当在供给气体时燃料电池20的输出电压升高到预定电平时，控制部50起作用以闭合要连接到电力控制装置42的开关。如上所述，在再次起动时对气体供给量的校正使得输出电压能够以减小的时间延迟升高。在步骤S42中，控制部50控制电力控制装置42以停止从二次电池41向负载43、44的供电，使得由燃料电池20产生的电力供给到这些负载。在需要的情况下，可通过燃料电池20对二次电池41充电。
在步骤S44中，在间歇性运转模式中已中断的燃料电池20恢复到运转状态。
在上述实施例中，气体渗透量根据经过的时间t内的电压下降量而得到。也可根据阳极气体压力的下降Δp推定气体渗透量。更具体地，检测在关闭切断阀33、34后阳极22处的氢气压力p1和燃料电池20再次起动时的氢气压力p2，以由等式Δp＝p1-p2得出经过的时间t1内气体压力的下降Δp。可由已预先通过试验或模拟计算准备的等式，即，P＝g(Δp，t)，得出与气体压力的下降Δp和经过的时间t对应的气体渗透量P。
在上述实施例中，校正再次起动时氢气(阳极气体)和空气(阴极气体)的供给量。然而，可校正阳极气体和阴极气体中任一种气体的供给量。
将参照图4说明第二实施例。图1所示的燃料电池系统的结构和图2的流程图所示的控制程序与第二实施例中的相同。因此，将说明第二实施例中与第一实施例的特性不同的特性。
在第一实施例中，与所推定的气体渗透量有关的氢气和空气的校正量相等(见图2中的步骤S36和图3C)。然而，在由第二实施例中的控制部50执行的控制程序的步骤S36中，与所推定的气体渗透量P1有关的氢气和空气的校正量不同。即，与气体渗透量P1有关的氢气的增加NH1是根据所推定的气体渗透量P1由适于氢气的氢气增加函数NH＝sH(P)得出的。上述函数NH＝sH(P)通过试验或模拟计算得到。同样地，与气体渗透量P1有关的空气的增加NO1是根据所推定的气体渗透量P1由适于空气的空气增加函数NO＝sO(P)得出的。上述函数NO＝sO(P)通过试验或模拟计算得到。
在第二实施例中，独立地设定燃料电池再次起动时氢气(燃料气体)和空气(氧化气体)的各校正量。这能够更精确地补偿起动特性。
在第一和第二实施例中，使用函数f(ΔV，t)推定基于电压下降量ΔV的气体渗透量P。在第三实施例中，分别推定燃料气体和氧化气体的气体渗透量。更具体地，可适当地使用用于推定氢气渗透量PH的函数fH(ΔV，t)得到与在预定时间t内的电压下降ΔV(电压下降率)相对应的氢气渗透量PH。同时，可适当地使用用于推定空气渗透量PO的函数fH(ΔV，t)得到与在预定时间t内的电压下降ΔV(电压下降率)相对应的空气渗透量PO。如同在第二实施例中所述，使用氢气增加函数NH＝SH(P)得到与氢气渗透量PH相对应的氢气的增加NH(＝SH(P))。同时，使用空气增加函数NO＝sO(P)得到与空气渗透量PO相对应的空气的增加NO(＝sO(P))。
在第三实施例中，推定气体渗透量，即，氢气(燃料气体)渗透量和空气(氧化气体)渗透量。基于氢气渗透量设定燃料电池再次起动时氢气的校正量。基于空气渗透量设定空气的校正量。由于上述设定对于氢气(燃料气体)和空气(氧化气体)独立地进行，可以更高的精度补偿起动特性。
上述实施例中使用的函数可由存储自变量和输出值的数据表代替。应当理解，本发明不限于在间歇性运转模式中的燃料电池再次起动时应用。还可看出，在燃料电池从中断状态再次起动时应用本发明，可防止由于气体交叉泄漏导致的燃料电池的起动特性恶化。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，它包括通过燃料气体与氧化气体之间的电化学反应发电的燃料电池和由所述燃料电池供给电力的负载装置，所述燃料电池系统的特征在于包括：
向所述燃料电池的阳极和阴极分别供给数量与所述负载装置的负载相对应的所述燃料气体和所述氧化气体的气体供给装置；
推定在所述燃料电池停止后所述燃料气体和所述氧化气体中的至少一种气体在所述阳极与所述阴极之间的气体渗透量的气体渗透量推定装置；以及
根据所推定的气体渗透量校正要在随后开始发电时由所述气体供给装置供给的与所述负载相对应的所述燃料气体和所述氧化气体中的至少一种气体的供给量的校正装置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述气体渗透量是基于在通过所述燃料电池进行的发电停止之后开路电压的下降率来推定的。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述开路电压的下降率是基于由于在通过所述燃料电池进行的发电停止之后所述燃料气体向所述阴极的泄漏和所述氧化气体向所述阳极的泄漏而已在所述阳极与所述阴极之间发生的电压下降的量，从通过所述燃料电池进行的发电停止时经过的时间，以及已预先通过试验或模拟计算得到的函数来计算的。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述气体渗透量是基于在通过所述燃料电池进行的发电停止之后所述燃料气体的气体压力下降率来推定的。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述气体压力下降率是基于已预先通过试验或模拟计算得到的基于在通过所述燃料电池进行的发电停止之后所述阳极中的燃料气体压力的所推定的气体渗透量，从通过所述燃料电池进行的发电停止时到再次开始通过所述燃料电池进行的发电时经过的时间内所述燃料气体压力的下降，以及所述经过的时间来计算的。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述校正装置基于所推定的气体渗透量独立地设定所述燃料气体的校正量和所述氧化气体的校正量中的每一个。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述气体渗透量推定装置独立地推定所述燃料气体的气体渗透量和所述氧化气体的气体渗透量中的每一个。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池在所述燃料电池的间歇性运转模式中进入停止状态。
9.一种燃料电池系统的气体控制方法，该燃料电池系统包括通过燃料气体与氧化气体之间的电化学反应发电的燃料电池和由所述燃料电池供给电力的负载装置，所述气体控制方法的特征在于包括以下步骤：
向所述燃料电池的阳极和阴极分别供给数量与所述负载装置的负载相对应的所述燃料气体和所述氧化气体；
推定在通过所述燃料电池进行的发电停止之后所述燃料气体和所述氧化气体中的至少一种气体在所述阳极与所述阴极之间的气体渗透量；以及
根据所推定的气体渗透量校正要在随后开始发电时提供的与所述负载相对应的所述燃料气体和所述氧化气体中的至少一种气体的供给量。
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