燃料电池系统和控制燃料电池的方法与流程

1.本公开涉及燃料电池系统和控制燃料电池的方法。


背景技术：

2.公知有以下燃料电池系统，该燃料电池系统具备包括氢通路的燃料电池、与氢通路的入口连接的氢供给路、配置于氢供给路内的喷射器、与氢通路的出口连接的阳极废气通路、以及设置于阳极废气通路内的排水控制阀，并执行将排水控制阀开阀并且将喷射器开阀的氢置换处理(例如，参照专利文献1)。若存在于氢通路内的氮气或者水蒸气等非氢气体、液体水的量变多，则可能不向燃料电池供给足够的氢，从而燃料电池的发电效率可能降低。若执行氢置换处理，则通过氢置换氢通路内的非氢气体等，由此确保燃料电池的良好的发电。
3.专利文献1：日本特开2009
‑
170199号公报
4.然而，若执行氢置换处理，则从排水控制阀不仅释放非氢气体，也释放氢。因此，若在氢通路内的压力较高时执行氢置换处理，则可能从排水控制阀释放高浓度的氢。


技术实现要素：

5.根据本公开，提供以下结构。
6.[结构1]
[0007]
一种燃料电池系统，其中，上述燃料电池系统具备：燃料电池，包括氢通路；氢供给路，与上述氢通路的入口连接；喷射器，配置于上述氢供给路内；阳极废气通路，与上述氢通路的出口连接；排水控制阀，设置于上述阳极废气通路内；置换控制部，构成为执行将上述排水控制阀开阀并且以上述氢通路内的压力变为要求氢压力的方式将上述喷射器开阀的氢置换处理；以及压力传感器，构成为检测上述氢通路内的压力，上述置换控制部还构成为：在判别为上述氢通路内的压力高于上述要求氢压力时，不执行上述氢置换处理。
[0008]
[结构2]
[0009]
根据结构1所述的燃料电池系统，其中，还具备构成为检测大气压的大气压传感器，上述置换控制部还构成为：将上述要求氢压力设定为比由上述大气压传感器检测到的上述大气压高预先决定好的设定值的值。
[0010]
[结构3]
[0011]
一种燃料电池系统，其中，上述燃料电池系统具备：燃料电池，包括氢通路；氢供给路，与上述氢通路的入口连接；喷射器，配置于上述氢供给路内；阳极废气通路，与上述氢通路的出口连接；排水控制阀，设置于上述阳极废气通路内；置换控制部，构成为执行将上述排水控制阀开阀并且以上述氢通路内的压力变为要求氢压力的方式将上述喷射器开阀的氢置换处理；以及大气压传感器，构成为检测大气压，上述置换控制部还构成为：将上述要求氢压力设定为比上述大气压高预先决定好的设定值的值。
[0012]
[结构4]
[0013]
根据结构3所述的燃料电池系统，其中，还具备构成为向上述阳极废气通路供给空气的压缩机，上述置换控制部还构成为：在上述氢置换处理时使上述压缩机工作，将上述要求氢压力设定为不低于预先决定好的下限压力。
[0014]
[结构5]
[0015]
根据结构4所述的燃料电池系统，其中，上述置换控制部还构成为基于上述要求氢压力相对于上述大气压之差来设定从上述压缩机向上述阳极废气通路供给的空气的量。
[0016]
[结构6]
[0017]
根据结构5所述的燃料电池系统，其中，上述置换控制部还构成为在判别为从上述压缩机向上述阳极废气通路供给的空气的量少于目标量时，不执行上述氢置换处理。
[0018]
[结构7]
[0019]
一种控制燃料电池系统的方法，其中，上述燃料电池系统具备：燃料电池，包括氢通路；氢供给路，与上述氢通路的入口连接；喷射器，配置于上述氢供给路内；阳极废气通路，该阳极废气通路与上述氢通路的出口连接；排水控制阀，设置于上述阳极废气通路内；以及压力传感器，构成为检测上述氢通路内的压力，上述方法包括：在判别为上述氢通路内的压力低于要求氢压力时，执行将上述排水控制阀开阀并且以上述氢通路内的压力变为要求氢压力的方式将上述喷射器开阀的氢置换处理；以及在判别为上述氢通路内的压力高于上述要求氢压力时，不执行上述氢置换处理。
[0020]
[结构8]
[0021]
一种控制燃料电池系统的方法，其中，上述燃料电池系统具备：燃料电池，包括氢通路；氢供给路，与上述氢通路的入口连接；喷射器，配置于上述氢供给路内；阳极废气通路，与上述氢通路的出口连接；排水控制阀，设置于上述阳极废气通路内；以及大气压传感器，大气压传感器构成为检测大气压，上述方法包括：执行将上述排水控制阀开阀并且以上述氢通路内的压力变为要求氢压力的方式将上述喷射器开阀的氢置换处理；以及将上述要求氢压力设定为比由上述大气压传感器检测到的上述大气压高预先决定好的设定值的值。
[0022]
能够限制经由排水控制阀释放高浓度的氢。
附图说明
[0023]
图1是基于本公开的实施例的燃料电池系统的简要整体图。
[0024]
图2是表示基于本公开的实施例的要求氢压力的曲线图。
[0025]
图3是表示基于本公开的实施例的启动控制例行程序的流程图。
[0026]
图4是表示基于本公开的实施例的氢置换控制例行程序的流程图。
[0027]
图5是基于本公开的实施例的一个观点中的电子控制单元的功能框图。
[0028]
图6是基于本公开的实施例的另一观点中的电子控制单元的功能框图。
[0029]
附图标记说明
[0030]1…
燃料电池系统；10
…
燃料电池；10h
…
氢通路；31
…
氢供给路；44
…
喷射器；46
…
排水控制阀；90
…
电子控制单元；94a
…
压力传感器；94e
…
大气压传感器；ap
…
阳极废气通路；a
…
置换控制部。
具体实施方式
[0031]
参照图1，在基于本公开的实施例中，燃料电池系统1具备燃料电池10。将多个单电池相互层叠而形成燃料电池10。燃料电池10具备氢通路10h、空气通路10a以及冷却水通路10w。在一个例子中，将燃料电池系统1搭载于车辆。
[0032]
在基于本公开的实施例中，氢通路10h在燃料电池10内从入口10hi延伸至出口10ho。在入口10hi连接氢供给路31。在出口10ho连接氢排出路32。氢排出路32的出口与气液分离器33的入口连接。气液分离器33的上部出口经由返回通路34与氢供给路31的合流点35连接。气液分离器33的下部出口经由排水通路36与空气排出路52(进行后述)的合流点37连接。在基于本公开的实施例中，也将氢排出路32、气液分离器33、排水通路36以及合流点37下游的空气排出路52称为阳极废气通路ap。
[0033]
在基于本公开的实施例中，氢供给路31的入口与氢罐41连接。另外，在氢供给路31内，从上游侧依次设置电磁式的主截止阀42、电磁式的调节器43以及电磁式的喷射器44。上述的合流点35位于喷射器44下游的氢供给路31。另外，在返回通路34内设置用于使氢返回至氢供给路31的返回泵45。并且，在排水通路36内配置电磁式的排水控制阀37。
[0034]
另外，在基于本公开的实施例中，空气通路10a在燃料电池10内从入口10ai延伸至出口10ao。在入口10ai连接空气供给路51。在出口10ao连接空气排出路52。通过绕过燃料电池10的旁通通路55将空气供给路51的分支点53与空气排出路52的合流点54相互连接。
[0035]
在基于本公开的实施例中，将空气通路10a的入口与大气连通。另外，在空气供给路51内配置压缩机61。上述的分支点53位于压缩机61下游的空气供给路51。在分支点53下游的空气供给路51设置电磁式的入口阀61a。另外，在空气排出路52内设置电磁式的调压阀62。另外，在旁通通路55内设置电磁式的旁通控制阀63。
[0036]
在氢通路10h内配置阳极(未图示)。另外，在空气通路10a内配置阴极(未图示)。并且，在阳极与阴极之间配置薄膜状的电解质(未图示)。
[0037]
在应进行通常运转时，将主截止阀42、调节器43以及喷射器44开阀，向燃料电池10供给氢。另一方面，使压缩机61工作，将入口阀61a和调压阀62开阀，向燃料电池10供给空气或者氧。其结果是，在燃料电池10发生电化学反应(h2→
2h

2e
－
，(1/2)o2 2h

2e
－
→
h2o)，从而产生电力。将该电力从燃料电池10向马达发电机83、电池84等输送。
[0038]
此时将从氢通路10h排出的阳极废气经由氢排出路32向气液分离器33输送。阳极废气包含未反应的氢、在燃料电池10内生成的水、从空气通路10a透过了电解质膜的氮气以及氧等。通过气液分离器33将阳极废气分离为气体成分和液体成分。通过返回泵45，使包含阳极废气的氢在内的气体成分经由返回通路34返回至氢供给路31(循环运转)。另一方面，将从空气通路10a排出的阴极废气经由空气排出路52向大气释放。
[0039]
另一方面，通常将基于本公开的实施例的排水控制阀46闭阀。若将排水控制阀46开阀，则将阳极废气的液体成分经由排水通路36向空气排出路52排出。
[0040]
进一步参照图1，在基于本公开的实施例中，冷却水通路10w在燃料电池10内从入口10wi延伸至出口10wo。通过冷却水循环路71将入口10wi与出口10wo在燃料电池10外相互连接。在冷却水循环通路71内从上游侧依次设置散热器72和冷却水泵73。
[0041]
进一步参照图1，在基于本公开的实施例中，燃料电池10经由升压转换器81与功率控制单元82电连接。功率控制单元82例如与马达发电机83及电池84电连接。通过功率控制
单元82，将在燃料电池10中产生的电力向作为电动马达工作的马达发电机83输送，用于产生车辆驱动力，或者将其输送并储存于电池84。此时，通过升压转换器81将燃料电池10的输出电压提高至辅助电压。在基于本公开的实施例中，能够通过功率控制单元82变更升压转换器81的辅助电压。在通常运转时，将辅助电压维持于基本辅助电压vbb。此外，在马达发电机83通过再生处理作为发电机工作时，将由马达发电机83产生的电力经由功率控制单元82向电池84输送。
[0042]
基于本公开的实施例的燃料电池系统1具备电子控制单元90。电子控制单元90例如包括通过双向总线相互可通信地连接的输入输出端口91、1个或者多个处理器92、以及1个或者多个存储器93。处理器92包括微处理器(cpu)等。存储器93例如包括rom(只读存储器)、ram(随机存储器)等。在存储器93存储有各种程序，通过由处理器92执行这些程序来执行各种例行程序。
[0043]
在输入输出端口91可通信地连接1个或者多个传感器94。传感器94例如包括为了检测氢通路10h内的压力而设置于合流点35与燃料电池10之间的氢供给路31的压力传感器94a、为了检测在空气供给路51内流通的空气的量而设置于压缩机61上游的空气供给路51的空气流量计94b、为了检测空气通路10a内的压力而设置于压缩机61与分支点53之间的空气供给路51的压力传感器94c、为了检测从冷却水通路10w流出的冷却水的温度而安装于冷却水循环路71的水温传感器94d、用于检测大气压的大气压传感器94e等。由空气流量计94b检测的空气量表示从压缩机61供给的空气的量。由压力传感器94c检测的压力表示氢通路10h内的压力。由水温传感器94d检测的温度表示燃料电池10或者燃料电池系统1的温度。在处理器92中，反复累计向电池84送入的电量和从电池84送出的电量，由此计算电池84的充电率(soc)。另一方面，输入输出端口91与燃料电池10、主截止阀42、调节器43、喷射器44、返回泵45、排水控制阀46、压缩机61、入口阀61a、调压阀62、旁通控制阀63、冷却水泵73、功率控制单元82以及马达发电机83等可通信地连接。基于来自电子控制单元90的信号来控制这些燃料电池10等。此外，主截止阀42、调节器43、喷射器44、排水控制阀46、入口阀61a、调压阀62、旁通控制阀63、冷却水泵73、压缩机61、电子控制单元90等通过来自电池84的电力而工作直至至少开始燃料电池10中的发电。
[0044]
然后，在基于本公开的实施例中，在燃料电池系统1的启动时，执行将排水控制阀46开阀并且将喷射器44开阀的氢置换处理。若简要地来说，则通过氢置换处理，喷射器44下游的氢供给路31、氢通路10h、氢排出路32、气液分离器33以及排水控制阀46上游的排水通路36内的非氢气体等被来自喷射器44的氢推出并置换。因此，确保燃料电池10中的良好的发电。此外，在氢置换处理时停止返回泵45。
[0045]
若执行氢置换处理，则非氢气体经由排水控制阀46向空气排出路52内流出，接着被向大气释放。另一方面，在基于本公开的实施例的氢置换处理时，使压缩机61工作。来自压缩机61的空气经由空气通路10a或者旁通通路55在空气排出路52内流通。在氢置换处理时，从排水控制阀46释放的气体也包含氢，来自压缩机61的空气用于稀释该氢。
[0046]
在基于本公开的实施例的氢置换处理中，以氢通路10h内的压力、即氢压力ph变为要求氢压力phr的方式从喷射器44供给氢。在一个例子中，以氢压力ph不低于要求氢压力phr的方式控制喷射器44。
[0047]
可是，若在氢通路10h内的压力ph较高时进行氢置换处理，则可能从排水控制阀46
释放高浓度的氢，从而可能不能将氢充分地稀释。
[0048]
因此，在基于本公开的实施例中，在判别为应开始氢置换处理时的氢压力ph低于要求氢压力phr时，首先执行氢置换处理，接着开始通常运转。与此相对地，在判别为氢压力ph高于要求氢压力phr时，不执行氢置换处理而开始通常运转。换言之，跳过氢置换处理。其结果是，限制释放高浓度的氢，从而有效利用氢。此外，也能够认为在应开始氢置换处理时的氢压力ph较高时，氢通路10h内的氢浓度较高，无需氢置换处理或者非氢气体的除去。
[0049]
在基于本公开的实施例中，将要求氢压力phr设定为比大气压patm高预先决定好的设定值、例如恒定值α的值(phr＝patm α)。换言之，以要求氢压力phr相对于大气压patm之差dp(＝phr－patm)为恒定值α的方式设定要求氢压力phr。该压力差dp表示从排水控制阀46向空气排出路52内流入的气体的量或者流速。因此，在基于本公开的实施例中，与大气压patm无关地几乎恒定地维持从排水控制阀46释放的气体的量。
[0050]
在该方面，若将要求氢压力设定为恒定压力(绝对压力)，则从排水控制阀46释放的气体的量根据大气压而变动，从而不优选。另外，若将要求氢压力设定为较高的恒定压力，则在大气压较高时能够确保从排水控制阀46的气体释放，但在大气压较低时从排水控制阀46释放的气体的量可能变得过多。相反，若将要求氢压力设定为较低的恒定压力，则在大气压较低时限制从排水控制阀46释放大量的气体，但在大气压较高时可能不从排水控制阀46释放气体。在基于本公开的实施例中，不产生这样的问题。
[0051]
可是，当在大气压patm加上恒定值α来计算要求氢压力phr的情况下，若大气压patm变低，则要求氢压力phr也变低。可是，如上述的那样，在空气排出路52流通有来自压缩机61的空气，空气排出路52内的压力高于大气压patm。在该情况下，若氢压力ph或者要求氢压力phr低于空气排出路52内的压力，则在空气排出路52内流通的空气可能在排水通路36内逆流，从而空气可能向氢通路10h内流入。
[0052]
因此，在基于本公开的实施例中，将要求氢压力phr设定为不低于预先决定好的下限压力phll。其结果是，限制在空气排出路52内流通的空气在排水通路36内逆流。此外，将基于本公开的实施例的下限压力phll设定为恒定压力。
[0053]
在图2中示出基于本公开的实施例的要求氢压力phr。如图2所示，在大气压patm高于阈值patmx时，将要求氢压力phr设定为patm α，在大气压patm低于阈值patmx时，将要求氢压力phr设定为下限压力phll。在另一实施例(未图示)中，不设定下限压力phll，而在大气压patm整个区域将要求氢压力phr设定为patm α。
[0054]
如图2所示，对于基于本公开的实施例的压力差dp(＝phr－patm)而言，若大气压patm高于阈值patmx，则其为恒定值α，若大气压patm低于阈值patmx，则其大于恒定值α。因此，在大气压patm低于阈值patmx时，与大气压patm高于阈值patmx时相比，从排水控制阀46释放的气体量较多。在该情况下，根据伯努利定理，大气压patm低于阈值patmx时的气体量为大气压patm高于阈值patmx时的气体量的√(dp/α)倍。
[0055]
另一方面，在基于本公开的实施例中，如上述的那样，在氢置换处理时从压缩机61供给空气，该空气用于稀释从排水控制阀46释放的氢。为了稀释从排水控制阀46释放的气体或者氢，该情况的空气的量必须足够。
[0056]
因此，在基于本公开的实施例中，基于压力差dp设定用于氢置换处理的要求空气量qar，以来自压缩机61的空气量qa变为要求空气量qar的方式控制压缩机61。具体而言，在
大气压patm高于阈值patmx且压力差dp为恒定值α时，将要求空气量qar设定为基本空气量qab。与此相对地，在大气压patm低于阈值patmx且压力差dp大于恒定值α时，将要求空气量qar设定为基本空气量qab的√(dp/α)倍(qar＝√(dp/α)
×
qab)。其结果是，与压力差dp无关地、即与从排水控制阀46释放的气体量无关地将氢可靠地稀释。此外，要求氢压力ph是大气压patm的函数，压力差dp也是大气压patm的函数，因此也能够将用于氢置换处理的要求空气量qar作为大气压patm的函数来计算。
[0057]
可是，例如若压缩机61发生故障，则来自压缩机61的空气量qa可能变得比要求空气量qar少。在该情况下，难以将来自排水控制阀46的氢充分地稀释。
[0058]
因此，在基于本公开的实施例中，在判别为来自压缩机61的空气量qa多于要求空气量qar时，执行氢置换处理，在判别为来自压缩机61的空气量qa少于要求空气量qar时，跳过或者中断氢置换处理。其结果是，限制释放高浓度的氢。
[0059]
另外，在基于本公开的实施例中，在判别为电池84的充电率soc高于要求充电率socr时，执行氢置换处理，在判别为电池84的充电率soc低于要求充电率socr时，跳过或者中断氢置换处理。这里，要求充电率socr表示为了氢置换处理而使喷射器44、排水控制阀46、压缩机61等工作所需的电量。其结果是，可靠地执行氢置换处理。
[0060]
然而，在基于本公开的实施例中，如上述的那样，在通常运转时，进行通过返回泵45使包含来自气液分离器33的氢在内的气体成分返回至氢供给路31的循环运转。可是，在不执行氢置换处理时，可能在氢通路10h、氢排出路32、气液分离器33等中残存有大量的非氢气体。若在该状态下进行循环运转，则将大量的非氢气体向氢通路10h供给，氢通路10h内的非氢气体的浓度可能变高。特别是在寒冷时例如若在氢通路10h的出口附近产生由冻结引起的堵塞，则氢通路10h内的非氢气体的浓度可能变得过高。在该情况下，难以在燃料电池10中获得良好的发电。
[0061]
因此，在基于本公开的实施例中，在不执行氢置换处理时，停止循环运转。具体而言，停止返回泵45。其结果是，限制非氢气体返回至氢通路10h。此外，例如，当在燃料电池系统1的下一次启动时进行氢置换处理后，进行循环运转。
[0062]
图3表示在基于本公开的实施例中在燃料电池系统1的启动时执行的启动控制例行程序。参照图3，在步骤100中，计算用于氢置换处理的要求空气量qar。在接下来的步骤101中，确认旁通控制阀63正常地动作。在接下来的步骤102中，确认调压阀62正常地动作。在接下来的步骤103中，为了氢置换处理而使压缩机61工作。在接下来的步骤104中，执行用于执行氢置换处理的氢置换控制例行程序。该例行程序如图4所示。在接下来的步骤105中，确认入口阀61a正常地动作。在接下来的步骤106中，确认燃料电池10的输出电压。其后，开始燃料电池10的通常运转。
[0063]
图4表示基于本公开的实施例的氢置换控制例行程序。参照图4，在步骤200中计算要求氢压力phr。在接下来的步骤201中，判别氢压力ph是否为要求氢压力phr以下。在ph≤phr时，接着进入至步骤202，判别来自压缩机61的空气量qa是否为要求空气量qar以上。在qa≥qar时，接着进入至步骤203，判别电池84的充电率soc是否为要求充电率socr以上。在soc≥socr时，接着进入至步骤204，计算在氢置换处理中从排水控制阀46释放的气体的目标量qgt。在接下来的步骤205中，执行氢置换处理。在接下来的步骤206中，判别在氢置换处理中从排水控制阀46释放的气体量qg是否为目标量qgt以上。在qg＜qgt时，返回至步骤
202。与此相对地，在qg≥qgt时，接着进入至步骤208，停止氢置换处理。
[0064]
当在步骤201中ph＞phr时、在步骤202中qa＜qar时、或者在步骤203中soc＜socr时，接着进入至步骤208，停止循环运转。接着进入至步骤207。因此，跳过或者中断氢置换处理。
[0065]
因此，根据基于本公开的实施例的一个观点，提供一种燃料电池系统1，如图5的电子控制单元90的功能框图所示，上述燃料电池系统1具备：燃料电池10，包括氢通路10h；氢供给路31，与上述氢通路10h的入口10hi连接；喷射器44，配置于上述氢供给路31内；阳极废气通路ap，与上述氢通路10h的出口10ho连接；排水控制阀46，设置于上述阳极废气通路ap内；置换控制部a，构成为执行将上述排水控制阀46开阀并且以上述氢通路10h内的压力ph变为要求氢压力phr的方式将上述喷射器44开阀的氢置换处理；以及压力传感器94a，构成为检测上述氢通路10h内的压力ph，上述置换控制部a还构成为：在判别为上述氢通路10h内的压力ph高于上述要求氢压力phr时，不执行上述氢置换处理。
[0066]
另外，根据基于本公开的实施例的另一观点，提供一种燃料电池系统，如图6的电子控制单元90的功能框图所示，上述燃料电池系统1具备：燃料电池10，包括氢通路10h；氢供给路31，与上述氢通路10h的入口10hi连接；喷射器44，配置于上述氢供给路31内；阳极废气通路ap，与上述氢通路10h的出口10ho连接；排水控制阀46，设置于上述阳极废气通路ap内；置换控制部a，构成为执行将上述排水控制阀46开阀并且以上述氢通路10h内的压力ph变为要求氢压力phr的方式将上述喷射器44开阀的氢置换处理；以及大气压传感器94e，构成为检测大气压patm，上述置换控制部a还构成为：将上述要求氢压力phr设定为比上述大气压patm高预先决定好的设定值α的值。