專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及移動(dòng)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)及移動(dòng)體，特別是涉及一種控制反應(yīng)氣體向燃料電 池的供給的技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來，已提出一種具備接受反應(yīng)氣體(燃料氣體及氧化氣體)的供給而進(jìn)行發(fā) 電的燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，并在進(jìn)行實(shí)用化。在這種燃料電池系統(tǒng)中，設(shè)有用于使從氫 罐等燃料供給源供給的氫氣流向燃料電池的燃料供給流路及用于使由壓縮機(jī)等吸入的大 氣中的空氣流向燃料電池的空氣供給流路。為維持燃料電池的良好的發(fā)電狀態(tài)，至為重要的是，檢測(cè)出燃料供給流路及空氣 供給流路之類的氣體供給系統(tǒng)中的反應(yīng)氣體的供給異常，并對(duì)該異常迅速采取措施。作為 這樣的燃料電池系統(tǒng)，例如專利文獻(xiàn)1提出，在氣體供給系統(tǒng)中配置噴射器，基于噴射器的 目標(biāo)工作量和氣體供給系統(tǒng)的檢測(cè)物理量檢測(cè)氣體供給系統(tǒng)的異常，設(shè)定噴射器的閥芯的 開度、開放時(shí)間。專利文獻(xiàn)1 日本特開2007-165237但是，在這樣的燃料電池系統(tǒng)中，噴射器在每個(gè)規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期噴出反應(yīng)氣體，在 驅(qū)動(dòng)周期中途有氣體供給系統(tǒng)的下游側(cè)的氣體泄漏的情況下，則不能維持目標(biāo)工作量。該 情況下，反應(yīng)氣體向燃料電池的供給量不足，不能維持燃料電池良好的發(fā)電狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
于是，本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的課題而提出的，其目的在于提供一種燃料電 池系統(tǒng)，其在閥裝置的驅(qū)動(dòng)周期中途存在反應(yīng)氣體的供給異常的情況下，也能夠適宜地維 持反應(yīng)氣體向燃料電池的供給量。在本發(fā)明中，為解決上述課題，采用了以下方法。即，構(gòu)成一種燃料電池系統(tǒng)，具 備燃料電池、向上述燃料電池供給反應(yīng)氣體的氣體供給流路、設(shè)于上述氣體供給流路并以 規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期被驅(qū)動(dòng)的閥裝置、控制上述閥裝置的驅(qū)動(dòng)以使向上述燃料電池供給的反應(yīng) 氣體成為目標(biāo)氣體狀態(tài)的控制裝置、測(cè)定上述閥裝置下游側(cè)的反應(yīng)氣體的氣體狀態(tài)的傳感 器，上述控制裝置在檢測(cè)到上述目標(biāo)氣體狀態(tài)和由上述傳感器測(cè)定的氣體狀態(tài)之差超過規(guī) 定值時(shí)，與上述規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期無關(guān)地驅(qū)動(dòng)上述閥裝置。根據(jù)該構(gòu)成，在閥裝置的驅(qū)動(dòng)周期中途，即使目標(biāo)氣體狀態(tài)和所測(cè)定的氣體狀態(tài) 之差達(dá)到規(guī)定值以上(典型的是因氣體泄漏等引起氣體供給不足的情況等)，控制裝置也 與規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期無關(guān)地驅(qū)動(dòng)閥裝置，因而可適宜地維持反應(yīng)氣體向燃料電池的供給量。此外，在本說明書中，所謂“氣體狀態(tài)”是指用流量、壓力、溫度、摩爾濃度等表示的 氣體的狀態(tài)。另外，上述構(gòu)成中也可以為，上述控制裝置在從上述閥裝置的打開起經(jīng)過規(guī)定時(shí) 間后允許上述傳感器進(jìn)行測(cè)定。
根據(jù)該構(gòu)成，可測(cè)定經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后的氣體供給流路的反應(yīng)氣體的狀態(tài)，可防止 在剛開閥之后的不穩(wěn)定狀態(tài)下測(cè)定氣體狀態(tài)，進(jìn)而可適宜地檢測(cè)反應(yīng)氣體的供給異常。另外，上述構(gòu)成中也可以為，上述控制裝置具有規(guī)定的運(yùn)算周期，上述控制裝置在 經(jīng)過上述規(guī)定時(shí)間后的下一次的運(yùn)算周期檢測(cè)上述目標(biāo)氣體狀態(tài)和由上述傳感器測(cè)定的 氣體狀態(tài)之差是否超過規(guī)定值。根據(jù)該構(gòu)成，可與規(guī)定的運(yùn)算周期一致而檢測(cè)反應(yīng)氣體的供給異常。另外，上述構(gòu)成中也可以為，上述規(guī)定時(shí)間為上述閥裝置打開后直至該閥裝置下 游側(cè)的氣體狀態(tài)穩(wěn)定的時(shí)間。根據(jù)該構(gòu)成，可在閥裝置下游側(cè)的氣體狀態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)下測(cè)定氣體供給流路的反 應(yīng)氣體狀態(tài)，從而可防止在不穩(wěn)定的狀態(tài)下測(cè)定氣體狀態(tài)，進(jìn)而能夠適宜地檢測(cè)反應(yīng)氣體 的供給異常。另外，在上述構(gòu)成中也可以為，上述氣體狀態(tài)為上述反應(yīng)氣體的氣體壓力，上述傳 感器為壓力傳感器。根據(jù)該構(gòu)成，可通過檢測(cè)反應(yīng)氣體的氣壓來檢測(cè)反應(yīng)氣體的供給異常。另外，在上述構(gòu)成中也可以為，上述閥裝置為噴射器。噴射器響應(yīng)性高，則對(duì)于驅(qū)動(dòng)周期中途的不規(guī)則且微細(xì)的驅(qū)動(dòng)指令也能夠響應(yīng)， 適用于本發(fā)明的有效性高，可更適宜地維持反應(yīng)氣體向燃料電池的供給量。另外，本說明書中的噴射器，典型的是作為電磁驅(qū)動(dòng)式開閉閥而構(gòu)成，其能夠用電 磁驅(qū)動(dòng)力直接以規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期驅(qū)動(dòng)閥芯而使其與閥座分離，從而調(diào)整氣體狀態(tài)。 另外，本發(fā)明的移動(dòng)體具備上述燃料電池系統(tǒng)。根據(jù)該構(gòu)成，由于具備更適宜地維持反應(yīng)氣體向燃料電池的供給量的燃料電池系 統(tǒng)，因而可提供一種對(duì)輸出要求(例如為車輛時(shí)是油門的開度等)具有高的響應(yīng)性的移動(dòng) 體。根據(jù)本發(fā)明，可提供一種燃料電池系統(tǒng)，其即使是在閥裝置的驅(qū)動(dòng)周期中途存在 反應(yīng)氣體的供給異常的情況下，也可適宜地維持反應(yīng)氣體向燃料電池的供給量。


圖1是本發(fā)明實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成圖；圖2是與該實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的噴射器的控制有關(guān)的功能框圖；圖3是該實(shí)施方式的非同步噴射控制的流程圖；圖4是表示該實(shí)施方式的壓力測(cè)定及非同步噴射的定時(shí)例的時(shí)間圖；圖5是表示該實(shí)施方式的壓力測(cè)定的另一定時(shí)例的時(shí)間圖；圖6是表示進(jìn)行該實(shí)施方式的非同步噴射控制時(shí)的噴射器下游壓力的時(shí)間變動(dòng) 的圖；圖7是表示進(jìn)行比較例的現(xiàn)有的噴射控制時(shí)的噴射器下游壓力的時(shí)間變動(dòng)的圖。標(biāo)號(hào)說明1……燃料電池系統(tǒng)2……氧化氣體配管系統(tǒng)3……氫氣配管系統(tǒng)
4…. 控制裝置
10..' …燃料電池
11..'.…PCU
12..' …牽引電動(dòng)機(jī)
13..' …電流傳感器
20..' …加濕器
21..' …氧化氣體供給流路
22..' …氧化氣體排出流路
23..' …排氣流路
24..' …壓縮機(jī)
25..' …陰極側(cè)壓力傳感器
26..' …背壓閥
27..' …步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
30..' …氫罐
31..' …氫供給流路(燃料氣體供給單元)
32..' …循環(huán)流路
33..' …切斷閥
34..' …調(diào)節(jié)器
35..' …噴射器
36..' …氣液分離器
37..' …排氣閥
38..' …排出流路
39..' …氫泵
40..' …稀釋器(稀釋單元)
41..' …噴射器上游側(cè)壓力傳感器
42..' …溫度傳感器
43..' …陽極側(cè)壓力傳感器
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖并按照以下的順序說明本發(fā)明實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)。在本實(shí) 施方式中，對(duì)于將本發(fā)明應(yīng)用于燃料電池車輛(移動(dòng)體)的車載發(fā)電系統(tǒng)的例子進(jìn)行說明。 此外，在各附圖中，對(duì)相同的部件添加了相同的標(biāo)號(hào)。1.本發(fā)明實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的整體構(gòu)成2.該燃料電池系統(tǒng)的噴射器的非同步噴射控制3.該燃料電池系統(tǒng)的變形例1.本發(fā)明實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的整體構(gòu)成首先，參照?qǐng)D1說明本發(fā)明實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1的整體構(gòu)成。在本實(shí)施方 式中，對(duì)將本發(fā)明應(yīng)用于燃料電池車輛(移動(dòng)體)的車載發(fā)電系統(tǒng)的例子進(jìn)行說明。本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1如圖1所示，具備接受反應(yīng)氣體(氧化氣體及燃料氣體)的供給而產(chǎn)生電力的燃料電池10，同時(shí)具備向燃料電池10供給作為氧化氣體的空 氣的氧化氣體配管系統(tǒng)2、向燃料電池10供給作為燃料氣體的氫的氫氣配管系統(tǒng)3、對(duì)系統(tǒng) 整體進(jìn)行統(tǒng)一控制的控制裝置4等。燃料電池10具有將接受反應(yīng)氣體的供給進(jìn)行發(fā)電的單電池層疊所需層數(shù)而構(gòu)成 的層疊結(jié)構(gòu)。單電池都省略了圖示，其構(gòu)成包括由離子交換膜構(gòu)成的電解質(zhì)膜、從兩面夾 持電解質(zhì)膜的一對(duì)陽極及陰極。通過氧化氣體配管系統(tǒng)2向陰極供給規(guī)定壓力的氧化氣體(空氣)，通過氫氣配 管系統(tǒng)3向陽極供給規(guī)定壓力的氫氣。通過這兩種氣體的電化學(xué)反應(yīng)得到各單電池的電動(dòng)勢(shì)。由燃料電池10產(chǎn)生的電力供給到PCU (Power Control Unit 動(dòng)力控制單元)11。 P⑶11具備配置于燃料電池10和牽引電動(dòng)機(jī)12之間的變換器及DC-DC轉(zhuǎn)換器等。另外，在 燃料電池10上安裝有檢測(cè)發(fā)電中的電流的電流傳感器13。氧化氣體配管系統(tǒng)2具備將被加濕器20加濕后的氧化氣體(空氣)供給到燃料 電池10的氧化氣體供給流路21、將從燃料電池10排出的氧化廢氣導(dǎo)入加濕器20的氧化氣 體排出流路22、用于將氧化廢氣從加濕器20經(jīng)由稀釋器40導(dǎo)入外部的排氣流路23。在氧 化氣體供給流路21上設(shè)有吸入大氣中的空氣并將其壓送到加濕器20的壓縮機(jī)24。在氧化 氣體排出流路22上配置有用于檢測(cè)燃料電池10內(nèi)的氧化氣體的壓力的陰極側(cè)壓力傳感 器25、根據(jù)一次壓力的變化調(diào)整氧化廢氣的流量從而調(diào)整燃料電池10內(nèi)的氧化氣體的壓 力的背壓閥26。背壓閥26例如由蝶閥構(gòu)成。氫氣配管系統(tǒng)3具備作為儲(chǔ)存高壓氫氣的燃料供給源的氫罐30、將氫罐30的氫 氣供給到燃料電池10的氫供給流路31、用于使從燃料電池10排出的氫廢氣返回到氫供給 流路31的循環(huán)流路32。此外，也可以取代氫罐30而采用從烴類的燃料生成富氫的改性氣 體的改性器、和使由該改性器生成的改性氣體成為高壓狀態(tài)而進(jìn)行蓄壓的高壓氣罐作為燃 料供給源。另外，也可以采用具有儲(chǔ)氫合金的罐作為燃料供給源。在氫供給流路31上設(shè)有切斷或者允許來自氫罐30的氫氣的供給的切斷閥33、 調(diào)整氫氣的壓力的調(diào)節(jié)器34、噴射器35。另外，在噴射器35的上游側(cè)設(shè)有檢測(cè)氫供給流路 31內(nèi)的氫氣的壓力及溫度的噴射器上游側(cè)壓力傳感器41及溫度傳感器42。另外，在噴射 器35的下游側(cè)且在氫供給流路31和循環(huán)流路32的合流部Al的上游側(cè)，設(shè)有用于檢測(cè)燃 料電池10內(nèi)的氫氣的壓力的陽極側(cè)壓力傳感器43。調(diào)節(jié)器34為將其上游側(cè)壓力(一次壓力)調(diào)整成預(yù)先設(shè)定的二次壓力的裝置。在 本實(shí)施方式中，采用降低一次壓力的機(jī)械式減壓閥作為調(diào)節(jié)器34。作為機(jī)械式減壓閥可采 用下述公知的構(gòu)成具有隔著隔膜形成背壓室和調(diào)壓室的殼體，通過背壓室內(nèi)的背壓在調(diào) 壓室內(nèi)將一次壓力降低到規(guī)定壓力作為二次壓力。在本實(shí)施方式中，如圖1所示，通過在噴 射器35的上游側(cè)配置兩個(gè)調(diào)節(jié)器34，來降低噴射器35的上游側(cè)壓力。噴射器35為電磁驅(qū)動(dòng)式的開閉閥，其能夠通過用電磁驅(qū)動(dòng)力直接以規(guī)定的驅(qū)動(dòng) 周期驅(qū)動(dòng)閥芯而使其與閥座分離來調(diào)整氣體流量、氣體壓力。噴射器35具備閥座，該閥座 具有噴射氫氣等氣體燃料的噴射孔，同時(shí)，噴射器35還具備將該氣體燃料引導(dǎo)供給到噴 射孔的噴嘴體、和可相對(duì)于該噴嘴體在軸線方向(氣體流動(dòng)方向)移動(dòng)地被收容保持且使 噴射孔開閉的閥芯。在本實(shí)施方式中，噴射器35的閥芯由電磁驅(qū)動(dòng)裝置即螺線管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可通過向該螺線管供電的脈沖狀勵(lì)磁電流的接通/斷開，兩階段或多階段地切換噴射 孔的開口面積。利用從控制裝置4輸出的控制信號(hào)控制噴射器35的氣體噴射時(shí)間及氣體 噴射時(shí)期，由此高精度地控制氫氣的流量及壓力。噴射器35是利用電磁驅(qū)動(dòng)力直接驅(qū)動(dòng)閥 芯及閥座開閉的裝置，其驅(qū)動(dòng)周期可控制到高響應(yīng)的區(qū)域，因此具有高的響應(yīng)性。在本實(shí)施 方式中，噴射器具有的特征在于，也會(huì)與規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期無關(guān)地被驅(qū)動(dòng)，該控制將在后面述 及。此外，在本實(shí)施方式中，如圖1所示，在氫供給流路31和循環(huán)流路32的合流部Al 的上游側(cè)配置有噴射器35。另外，如圖1上用虛線表示的那樣，在采用多個(gè)氫罐30作為燃 料供給源的情況下，在從各氫罐30供給的氫氣合流的部分(氫氣合流部A2)的下游側(cè)配置 噴射器35。在循環(huán)流路32上，經(jīng)由氣液分離器36及排氣閥37連接有排出流路38。氣液分離 器36從氫廢氣回收水分。排氣閥37根據(jù)來自控制裝置4的指令進(jìn)行工作，由此將由氣液 分離器36回收的水分和含有循環(huán)流路32內(nèi)的雜質(zhì)的氫廢氣(燃料廢氣)排出(吹掃)到 外部。另外，在循環(huán)流路32上設(shè)有對(duì)循環(huán)流路32內(nèi)的氫廢氣進(jìn)行加壓并將其送往氫供給 流路31側(cè)的氫泵39。作為稀釋單元的稀釋器40將經(jīng)由排氣閥37及排出流路38排出的氫廢氣通過經(jīng) 由排氣流路23排出的氧化廢氣進(jìn)行稀釋而向外部排出?？刂蒲b置4檢測(cè)設(shè)于車輛的加速操作部件(油門等)的操作量，接受加速要求值 (例如，來自牽引電動(dòng)機(jī)12等的負(fù)載裝置的要求發(fā)電量)等控制信息，控制系統(tǒng)內(nèi)的各種儀 器的動(dòng)作。此外，所謂負(fù)載裝置是指除牽引電動(dòng)機(jī)12之外，還包括為使燃料電池10工作而 必須的輔機(jī)裝置(例如壓縮機(jī)24、氫泵39、冷卻泵的電動(dòng)機(jī)等)、與車輛行駛有關(guān)的各種裝 置(變速器、車輪控制裝置、轉(zhuǎn)向裝置、懸架裝置等)所使用的促動(dòng)器、乘員空間的空調(diào)裝置 (空氣調(diào)節(jié)器)、照明、音響等的電力消耗裝置的總稱?？刂蒲b置4由未圖示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具備CPU、ROM、RAM、HDD、 輸入輸出接口及顯示器等，通過使CPU讀入并執(zhí)行記錄于ROM的各種控制程序而實(shí)現(xiàn)各種 控制動(dòng)作。具體而言，控制裝置4基于燃料電池10的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(由電流傳感器13檢測(cè)出的 燃料電池10發(fā)電時(shí)的電流值等)，計(jì)算出燃料電池10中需要的氧化氣體及氫氣的供給量。 然后，控制裝置4通過控制背壓閥26及噴射器35向燃料電池10供給所需的流量、壓力的氧 化氣體及氫氣。下面，參照附圖2更詳細(xì)地說明控制裝置4實(shí)現(xiàn)的噴射器35的控制功能。 在此，圖2是與本發(fā)明實(shí)施方式的噴射器35的控制有關(guān)的功能框圖?？刂蒲b置4如圖2所示，基于燃料電池10的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(由電流傳感器13檢測(cè)到 的燃料電池10發(fā)電時(shí)的電流值)，計(jì)算出被燃料電池10消耗的氫氣的量(以下，稱為“氫 消耗量”)(燃料消耗量計(jì)算功能B1)。在本實(shí)施方式中，使用表示燃料電池10的電流值和 氫消耗量的關(guān)系的特定的運(yùn)算式，在控制裝置4的每個(gè)運(yùn)算周期計(jì)算并更新氫消耗量。另外，控制裝置4基于燃料電池10的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(由電流傳感器13檢測(cè)到的燃料 電池10發(fā)電時(shí)的電流值)，計(jì)算出噴射器35下游位置的氫氣的目標(biāo)壓力值(向燃料電池 10的目標(biāo)氣體供給壓力)(目標(biāo)壓力值計(jì)算功能B2)。在本實(shí)施方式中，使用表示燃料電 池10的電流值和目標(biāo)壓力值的關(guān)系的特定的映射，并在控制裝置4的每個(gè)運(yùn)算周期計(jì)算并更新配置有二次側(cè)壓力傳感器43的位置的目標(biāo)壓力值。另外，控制裝置4基于計(jì)算出的目標(biāo)壓力值和由二次側(cè)壓力傳感器43檢測(cè)到的噴 射器35下游位置的壓力值(檢測(cè)壓力值)的偏差，計(jì)算出反饋校正流量(反饋校正流量計(jì) 算功能B3)。反饋校正流量是為降低目標(biāo)壓力值和檢測(cè)壓力值的偏差而加到氫消耗量上的 氫氣流量。在本實(shí)施方式中，使用PI型反饋控制規(guī)則，在控制裝置4的每個(gè)運(yùn)算周期計(jì)算 并更新反饋校正流量。另外，控制裝置4基于噴射器35的上游的氣體狀態(tài)(由一次側(cè)壓力傳感器41檢 測(cè)到的氫氣的壓力及由溫度傳感器42檢測(cè)到的氫氣的溫度)，計(jì)算出噴射器35的上游的靜 態(tài)流量(靜態(tài)流量計(jì)算功能B4)。在本實(shí)施方式中，使用表示噴射器35的上游側(cè)的氫氣的 壓力及溫度和靜態(tài)流量的關(guān)系的特定運(yùn)算式，在控制裝置4的每個(gè)運(yùn)算周期計(jì)算并更新靜 態(tài)流量。另外，控制裝置4基于噴射器35的上游的氣體狀態(tài)(氫氣的壓力及溫度)及施加 電壓，計(jì)算出噴射器35的無效噴射時(shí)間(無效噴射時(shí)間計(jì)算功能B5)。在本實(shí)施方式中， 使用表示噴射器35的上游側(cè)的氫氣的壓力及溫度和施加電壓以及無效噴射時(shí)間的關(guān)系的 特定的映射，在控制裝置4的每個(gè)運(yùn)算周期計(jì)算并更新無效噴射時(shí)間。另外，控制裝置4通過將氫消耗量和反饋校正流量進(jìn)行加法計(jì)算，計(jì)算出噴射器 35的噴射流量(噴射流量計(jì)算功能B6)。而且，控制裝置4通過使噴射器35的驅(qū)動(dòng)周期與 用靜態(tài)流量去除噴射器35的噴射流量的值相乘，計(jì)算出噴射器35的基本噴射時(shí)間，并且， 將該基本噴射時(shí)間和無效噴射時(shí)間相加計(jì)算出噴射器35的總噴射時(shí)間(總噴射時(shí)間計(jì)算 功能B7)。在此，所謂驅(qū)動(dòng)周期是指表示噴射器35的噴射孔的開閉狀態(tài)的階梯狀(接通/ 斷開)波形的周期。在本實(shí)施方式中，通過控制裝置4將驅(qū)動(dòng)周期設(shè)定為一定的值(T1)。而且，控制裝置4通過發(fā)送用于實(shí)現(xiàn)經(jīng)由以上順序計(jì)算出的噴射器35的總噴射時(shí) 間的控制信號(hào)，來控制噴射器35的氣體噴射時(shí)間及氣體噴射時(shí)期，并通過按規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周 期驅(qū)動(dòng)噴射器35，來調(diào)整向燃料電池10供給的氫氣的流量及壓力。2.噴射器的非同步噴射控制在本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1中，控制裝置4檢測(cè)氫氣向燃料電池10的供給異 常，在存在供給異常的情況下，使噴射器35與上述規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期無關(guān)地進(jìn)行噴射(以下， 也稱為“非同步噴射”)，將氫氣向燃料電池10的供給量維持在適當(dāng)?shù)牧?。下面，參照?qǐng)D3 圖5詳細(xì)說明該非同步噴射的控制方法。在此，圖3是本發(fā)明實(shí)施方式的非同步噴射控制 的流程圖，圖4是表示該實(shí)施方式的壓力測(cè)定及非同步噴射的定時(shí)例的時(shí)間圖，圖5是表示 該實(shí)施方式的壓力測(cè)定的另一定時(shí)例的時(shí)間圖。如圖3所示，首先，在控制裝置4中執(zhí)行噴射器噴射流量運(yùn)算餌)、噴射器噴射時(shí) 間(τ)運(yùn)算(S2)。這些運(yùn)算利用上述的控制裝置4的噴射流量計(jì)算功能及總噴射時(shí)間計(jì) 算功能(參照?qǐng)D2)執(zhí)行，在此，說明從略。然后，為實(shí)現(xiàn)計(jì)算出的噴射器35的總噴射時(shí)間，控制裝置4向噴射器35發(fā)送控制 信號(hào)(噴射器開指令)(S3)。由此，使噴射器35成為開閥狀態(tài)，使氫氣向噴射器35的下游 側(cè)流動(dòng)并供給到燃料電池10?？刂蒲b置4對(duì)噴射器35開閥之后的經(jīng)過時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，在經(jīng) 過噴射器的噴射時(shí)間(τ)的階段，向噴射器35發(fā)出控制信號(hào)(噴射器閉指令)。由此，使 噴射器35成為閉閥狀態(tài)，并停止氫氣向燃料電池10的供給。
控制裝置4繼續(xù)對(duì)噴射器35閉閥之后的經(jīng)過時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，并判斷是否經(jīng)過了將 規(guī)定時(shí)間、與噴射器的噴射時(shí)間(τ )相加后的時(shí)間(=噴射器35閉閥之后是否經(jīng)過了時(shí) 間t0) (S4)，在經(jīng)過了該時(shí)間的情況下(S4 :YES(是))，向傳感器31發(fā)送壓力檢測(cè)允許指令 (S5)。在此，時(shí)間、表示噴射器35閉閥后直至噴射器35下游側(cè)的壓力穩(wěn)定的時(shí)間，在本實(shí) 施方式中為9ms。接受了壓力檢測(cè)指令的壓力傳感器43對(duì)噴射器35的下游側(cè)的壓力(= 向燃料電池10的供給壓力)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定例如通過4點(diǎn)移動(dòng)平均等進(jìn)行。然后，控制裝置4對(duì)從計(jì)算出的目標(biāo)壓力值中減去由壓力傳感器43測(cè)定的壓力值 后的值(ΔΡ)是否大于規(guī)定值(Pq) (S6)，在判斷為大于的情況(S6 =YES)下，向噴射器35發(fā) 送非同步噴射允許指令(S7)；在沒有判斷為大于的情況下，不發(fā)送非同步噴射允許指令而 轉(zhuǎn)入下面的步驟(S8)。在此，規(guī)定值Ptl表示不使燃料電池10劣化且可確保要求氫流量的 供給壓力的容許控制誤差，在本實(shí)施方式中設(shè)定為lOkPa。AP大于規(guī)定值P。的情況為實(shí)際的壓力比目標(biāo)壓力大大下降的情況，是發(fā)生了氫氣 向燃料電池10的供給異常(在此，為供給不足)的情況。此時(shí)，使噴射器35從控制裝置4 接受非同步噴射允許指令，強(qiáng)制性地使其(與規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期無關(guān))開閥。由此，將氫氣供 給到燃料電池10?？刂蒲b置4對(duì)噴射器35的閉閥經(jīng)過時(shí)間是否大于驅(qū)動(dòng)周期T1進(jìn)行判斷(S8)，在未 達(dá)到的情況(S8=NO(S))下，返回到壓力測(cè)定(S6)繼續(xù)執(zhí)行步驟。即，在噴射器35的下游 側(cè)壓力穩(wěn)定后直至下一個(gè)驅(qū)動(dòng)周期，始終監(jiān)視是否有氫氣的供給異常，在有異常的情況下， 與驅(qū)動(dòng)周期無關(guān)地使噴射器35進(jìn)行噴射(非同步噴射)。參照?qǐng)D4說明圖3的流程中的壓力測(cè)定和非同步噴射的定時(shí)例。如圖4所示，執(zhí) 行壓力檢測(cè)允許(壓力檢測(cè)允許標(biāo)志從OFF(禁止)變?yōu)镺N(允許))的定時(shí)，為噴射器35 開閥(INJ驅(qū)動(dòng)允許標(biāo)志為ON或者INJ開信號(hào)為open(開))之后的經(jīng)過時(shí)間達(dá)到將規(guī)定 時(shí)間、與噴射器的噴射時(shí)間(τ )相加后的時(shí)間的時(shí)刻。AP的運(yùn)算及非同步噴射(非同步 噴射允許標(biāo)志從OFF變?yōu)镺N)在執(zhí)行壓力檢測(cè)允許之后變?yōu)橄乱淮蔚目刂蒲b置的運(yùn)算周期 (在本實(shí)施方式中為噴射器35開閥后16ms)。由此，可與規(guī)定的運(yùn)算周期的定時(shí)一致地檢 測(cè)氫氣的供給異常。此外，上述壓力檢測(cè)定時(shí)，存在噴射器35的開時(shí)間(τ)比噴射器35的驅(qū)動(dòng)周期 (T1)小得多(具體而言，T1 < τ+、=的情況。但是，如果是氫氣的要求流量多且噴射器35 的開時(shí)間(τ)比噴射器35的驅(qū)動(dòng)周期大的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，也可以例如如圖5所示設(shè)定壓力檢 測(cè)的定時(shí)。即，如圖5所示，即使噴射器35未閉閥，控制裝置4也可以在開時(shí)間達(dá)到驅(qū)動(dòng)周 期的階段向壓力傳感器43發(fā)出壓力檢測(cè)允許指令(使壓力檢測(cè)允許標(biāo)志從OFF變?yōu)?N)。此外，在非同步噴射控制中，為了避免使運(yùn)算變得復(fù)雜，控制裝置4也可以不執(zhí)行 在噴射器35的每個(gè)驅(qū)動(dòng)周期執(zhí)行的學(xué)習(xí)控制、積分控制等。另一方面，對(duì)于經(jīng)由排氣閥37 的排氣排水控制，控制裝置4在非同步噴射中也與每個(gè)驅(qū)動(dòng)周期的控制同樣地執(zhí)行。下面，對(duì)圖6和圖7進(jìn)行比較來說明執(zhí)行本發(fā)明的非同步噴射控制時(shí)的效果。在 此，圖6是表示本發(fā)明實(shí)施方式的進(jìn)行非同步噴射控制時(shí)的噴射器下游壓力的時(shí)間變動(dòng)的 圖，圖7是表示進(jìn)行比較例的現(xiàn)有的噴射控制時(shí)的噴射器下游壓力的時(shí)間變動(dòng)的圖。都是 在排氣閥中模擬地產(chǎn)生了泄漏時(shí)的噴射器下游壓力的時(shí)間變動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如圖6所示，在執(zhí)行非同步噴射控制的情況下，即使在驅(qū)動(dòng)周期中途氫氣從排氣閥泄漏，即使在驅(qū)動(dòng)周期中途，INJ開信號(hào)也會(huì)變?yōu)閛pen而供給氫氣。因此，噴射器下游壓 力的檢測(cè)值始終根據(jù)指令值收容于IOKPa內(nèi)的允許范圍。與此相對(duì)，在如圖7所示現(xiàn)有噴射控制中，不執(zhí)行非同步噴射，只是在每個(gè)驅(qū)動(dòng)周 期使INJ開信號(hào)變?yōu)閛pen。因此，噴射器下游壓力的檢測(cè)值特別是在驅(qū)動(dòng)周期中途較大地 低于允許范圍。如上所述，本發(fā)明實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1中，控制裝置4與規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期無 關(guān)地驅(qū)動(dòng)噴射器35，因而可始終將氫氣向燃料電池10的供給量維持在所需的范圍。3.本發(fā)明實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的變形例上面表示了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是，本發(fā)明不限于該實(shí)施方式，在不脫離其主旨 的范圍內(nèi)可通過各種方式進(jìn)行實(shí)施。例如，可以是如下的變形例。另外，在上面的實(shí)施方式中，作為本發(fā)明的閥裝置，表示了采用噴射器35的例子， 但是，只要是調(diào)整上游側(cè)的氣體狀態(tài)而向下游側(cè)供給的閥裝置即可，并不限于噴射器35。另外，在上述實(shí)施方式中，表示了將本發(fā)明的非同步控制用于氫供給流路31的氫 氣的供給的例子，但并不限于此，也可以用于氧化氣體供給流路21的氧化氣體的供給。另外，在上面的實(shí)施方式中，表示了將本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)搭載于燃料電池車 輛的例子，但是，還可以將本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)搭載于燃料電池車輛之外的各種移動(dòng)體 (機(jī)器人、船舶、飛行器等)。另外，也可以將本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用于作為建筑物(住 宅、大廈等)用的發(fā)電設(shè)備而使用的固定用發(fā)電系統(tǒng)。
權(quán)利要求
一種燃料電池系統(tǒng)，具備燃料電池；氣體供給流路，向所述燃料電池供給反應(yīng)氣體；閥裝置，設(shè)于所述氣體供給流路并以規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期被驅(qū)動(dòng)；控制裝置，控制所述閥裝置的驅(qū)動(dòng)以使向所述燃料電池供給的反應(yīng)氣體成為目標(biāo)氣體狀態(tài)；以及傳感器，測(cè)定所述閥裝置下游側(cè)的反應(yīng)氣體的氣體狀態(tài)，所述控制裝置在檢測(cè)到所述目標(biāo)氣體狀態(tài)和由所述傳感器測(cè)定的氣體狀態(tài)之差超過規(guī)定值時(shí)，與所述規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期無關(guān)地驅(qū)動(dòng)所述閥裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制裝置在從所述閥裝置的打開起 經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后允許所述傳感器進(jìn)行測(cè)定。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制裝置具有規(guī)定的運(yùn)算周期，所述控制裝置在經(jīng)過所述規(guī)定時(shí)間后的下一個(gè)運(yùn)算周期檢測(cè)所述目標(biāo)氣體狀態(tài)和由 所述傳感器測(cè)定的氣體狀態(tài)之差是否超過規(guī)定值。
4.如權(quán)利要求2或3所述的燃料電池，其中，所述規(guī)定時(shí)間為所述閥裝置打開后直至該 閥裝置下游側(cè)的氣體狀態(tài)穩(wěn)定的時(shí)間。
5.如權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述氣體狀態(tài)為所述反應(yīng)氣 體的氣體壓力，所述傳感器為壓力傳感器。
6.如權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述閥裝置為噴射器。
7.一種移動(dòng)體，具備權(quán)利要求1 6中所述的燃料電池系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)及移動(dòng)體，其即使在閥裝置的驅(qū)動(dòng)周期中途發(fā)生反應(yīng)氣體的供給異常的情況下，也可適宜地維持反應(yīng)氣體向燃料電池的供給量。該燃料電池系統(tǒng)(1)具備燃料電池(10)、向燃料電池(10)供給反應(yīng)氣體的氣體供給流路(31)、設(shè)于氣體供給流路(31)并以規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期被驅(qū)動(dòng)的閥裝置(35)、控制閥裝置(35)的驅(qū)動(dòng)以使向燃料電池(10)供給的反應(yīng)氣體成為目標(biāo)氣體狀態(tài)的控制裝置(4)、測(cè)定閥裝置(35)下游側(cè)的反應(yīng)氣體的氣體狀態(tài)的傳感器(43)，控制裝置(4)在檢測(cè)到目標(biāo)氣體狀態(tài)和由傳感器(43)測(cè)定的氣體狀態(tài)之差超過規(guī)定值時(shí)，與規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期無關(guān)地驅(qū)動(dòng)閥裝置(35)。
文檔編號(hào)H01M8/00GK101971400SQ200880120218
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2008年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月11日
發(fā)明者石河統(tǒng)將 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社