燃料電池系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在日本JP2010-114039A中，公開(kāi)了如下的系統(tǒng):具備從比燃料電池更靠上游的空氣通路分支并合流于比燃料電池更靠下游的空氣通路的排氣(bleed)通路，排掉從空氣壓縮機(jī)供給的一部分空氣。在該系統(tǒng)中，在對(duì)流向燃料電池的空氣進(jìn)行減量時(shí)，降低空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。然而，空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不會(huì)急劇下降，因此通過(guò)將剩余的空氣排放至排氣通路來(lái)防止燃料電池的過(guò)干燥。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]另外，燃料電池的電解質(zhì)膜被維持為適度的濕潤(rùn)狀態(tài)，燃料電池被供給反應(yīng)氣體(正極(cathode)氣體O2、負(fù)極(anode)氣體H2)，由此燃料電池進(jìn)行發(fā)電。在電解質(zhì)膜的濕潤(rùn)度過(guò)大時(shí)，希望積極地使之干燥來(lái)降低濕潤(rùn)度。然而，在日本JP2010-114039A中，以防止燃料電池的過(guò)干燥為目的，即，使之不干燥。另外，若調(diào)整空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速則存在以下情況:空氣壓縮機(jī)的工作聲音發(fā)生變動(dòng)，乘客感到刺耳而感覺(jué)不適。
[0004]本發(fā)明是著眼于這種問(wèn)題而完成的。本發(fā)明的目的在于提供一種能夠以不使乘客感覺(jué)不適的方式降低燃料電池的濕潤(rùn)度的燃料電池系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)方式包括:燃料電池；空氣供給機(jī)；空氣通路，其連接于上述燃料電池，流通從上述空氣供給機(jī)供給的空氣；排氣通路，其從比上述燃料電池更靠上游的空氣通路分支并合流于比燃料電池更靠下游的空氣通路，使由上述空氣供給機(jī)供給的一部分空氣以繞過(guò)燃料電池的方式進(jìn)行流通；以及排氣閥，其設(shè)置于上述排氣通路，對(duì)排氣通路中流通的空氣量進(jìn)行調(diào)整。而且，特征在于還包括:空氣供給機(jī)控制部，其控制上述空氣供給機(jī)使得供給固定量的空氣；濕潤(rùn)降低判定部，其判定是否需要降低上述燃料電池的濕潤(rùn)度；以及排氣量控制部，其在需要降低燃料電池的濕潤(rùn)度時(shí)，減小上述排氣閥的開(kāi)度。
【附圖說(shuō)明】
[0006]圖1是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)的圖。
[0007]圖2是第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制器執(zhí)行的控制流程圖。
[0008]圖3是將用于運(yùn)算排氣量的功能表示成框圖而得到的圖。
[0009]圖4是表示用于根據(jù)發(fā)電要求和干燥濕潤(rùn)要求來(lái)運(yùn)算向燃料電池堆供給的空氣量的對(duì)應(yīng)表的一例的圖。
[0010]圖5是說(shuō)明執(zhí)行第一實(shí)施方式的控制流程圖時(shí)的動(dòng)作的時(shí)序圖。
[0011]圖6是第二實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制器執(zhí)行的控制流程圖。
[0012]圖7是第三實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制器執(zhí)行的控制流程圖。
[0013]圖8是說(shuō)明執(zhí)行第三實(shí)施方式的控制流程圖時(shí)的動(dòng)作的時(shí)序圖。
[0014]圖9是說(shuō)明執(zhí)行第四實(shí)施方式的控制時(shí)的動(dòng)作的時(shí)序圖。
[0015]圖10是將第五實(shí)施方式的控制功能表示成框圖而得到的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面，參照附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0017](第一實(shí)施方式)
[0018]圖1是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)的圖。
[0019]首先參照?qǐng)D1來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。
[0020]燃料電池堆10的電解質(zhì)膜被維持為適度的濕潤(rùn)狀態(tài)，并且燃料電池堆10被供給反應(yīng)氣體(正極氣體O2、負(fù)極氣體H2)，由此燃料電池堆10進(jìn)行發(fā)電。為此，燃料電池堆10與正極路徑20、負(fù)極路徑30以及冷卻水循環(huán)路徑40相連接。此外，由電流傳感器101檢測(cè)燃料電池堆10的發(fā)電電流。由電壓傳感器102檢測(cè)燃料電池堆10的發(fā)電電壓。
[0021]向燃料電池堆10供給的正極氣體O2在正極路徑20中流動(dòng)。正極路徑20上設(shè)置有壓縮機(jī)21、WRD(Water Recovery Device:水分回收裝置)22以及正極壓力調(diào)節(jié)閥23。另夕卜，與正極路徑20并列地設(shè)置排氣路徑200。排氣路徑200從比壓縮機(jī)21更靠下游且比WRD 22更靠上游的位置處分支，合流于比正極壓力調(diào)節(jié)閥23更靠下游的位置。由于形成為這種結(jié)構(gòu)，因此由壓縮機(jī)21送出的一部分空氣在排氣路徑200中流動(dòng)，從而繞過(guò)燃料電池堆10。排氣路徑200上設(shè)置有排氣閥210。
[0022]壓縮機(jī)21在本實(shí)施方式中例如是離心式的渦輪壓縮機(jī)。壓縮機(jī)21配置于比燃料電池堆10、WRD 22更靠上游的正極路徑20。壓縮機(jī)21被電動(dòng)機(jī)M驅(qū)動(dòng)。壓縮機(jī)21對(duì)正極路徑20中流通的正極氣體O2的流量進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)壓縮機(jī)21的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整正極氣體
O2的流量。
[0023]WRD 22對(duì)導(dǎo)入到燃料電池堆10的空氣進(jìn)行加濕。WRD 22包括流通作為加濕對(duì)象的氣體的被加濕部以及流通作為加濕源的含水氣體的加濕部。由壓縮機(jī)21導(dǎo)入的空氣在被加濕部中流動(dòng)。在燃料電池堆10中流通而含有水的氣體在加濕部中流動(dòng)。
[0024]正極壓力調(diào)節(jié)閥23設(shè)置于比燃料電池堆10更靠下游的正極路徑20。正極壓力調(diào)節(jié)閥23對(duì)正極路徑20中流通的正極氣體O2的壓力進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)正極壓力調(diào)節(jié)閥23的開(kāi)度來(lái)調(diào)整正極氣體02的壓力。
[0025]由壓縮機(jī)流量傳感器201檢測(cè)正極路徑20中流通的正極氣體02的流量。該壓縮機(jī)流量傳感器201設(shè)置于比壓縮機(jī)21更靠上游的正極路徑20。此外，也可以在正極路徑20的開(kāi)口端設(shè)置去除正極氣體O2中的異物的過(guò)濾器，將壓縮機(jī)流量傳感器201設(shè)置于過(guò)濾器與壓縮機(jī)21之間。
[0026]由正極壓力傳感器202檢測(cè)正極路徑20中流通的正極氣體02的壓力。該正極壓力傳感器202設(shè)置于比壓縮機(jī)21更靠下游且比WRD 22更靠上游的位置處。并且，在圖1中，正極壓力傳感器202位于壓縮機(jī)流量傳感器201的下游。
[0027]排氣閥210設(shè)置于排氣路徑200。排氣閥210對(duì)排氣路徑200中流通的正極氣體O2的流量進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)排氣閥210的開(kāi)度來(lái)調(diào)整正極氣體O 2的流量。由排氣流量傳感器203檢測(cè)排氣路徑200中流通的正極氣體02的流量。
[0028]向燃料電池堆10供給的負(fù)極氣體H2在負(fù)極路徑30中流動(dòng)。負(fù)極路徑30上設(shè)置有儲(chǔ)氣罐31、負(fù)極壓力調(diào)節(jié)閥32以及放氣閥33。
[0029]負(fù)極氣體H2以高壓狀態(tài)儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐31中。儲(chǔ)氣罐31設(shè)置于負(fù)極路徑30的最上游。
[0030]負(fù)極壓力調(diào)節(jié)閥32設(shè)置于儲(chǔ)氣罐31的下游。負(fù)極壓力調(diào)節(jié)閥32對(duì)從儲(chǔ)氣罐31新供給到負(fù)極路徑30的負(fù)極氣體H2的壓力進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)負(fù)極壓力調(diào)節(jié)閥32的開(kāi)度來(lái)調(diào)整負(fù)極氣體4的壓力。
[0031]放氣閥33設(shè)置于燃料電池堆10的下游。當(dāng)放氣閥33打開(kāi)時(shí)，負(fù)極氣體H2被放出。
[0032]由負(fù)極壓力傳感器301檢測(cè)負(fù)極路徑30中流通的負(fù)極氣體4的壓力。該負(fù)極壓力傳感器301設(shè)置于比負(fù)極壓力調(diào)節(jié)閥32更靠下游且比燃料電池堆10更靠上游的位置處。
[0033]向燃料電池堆10供給的冷卻水在冷卻水循環(huán)路徑40中流動(dòng)。冷卻水循環(huán)路徑40上設(shè)置有散熱器41、三通閥42以及水泵43。另外，與冷卻水循環(huán)路徑40并列地設(shè)置旁路路徑400。旁路路徑400從比散熱器41更靠上游的位置處分支，合流于比散熱器41更靠下游的位置。因此，旁路路徑400中流動(dòng)的冷卻水繞開(kāi)散熱器41。
[0034]散熱器41對(duì)冷卻水進(jìn)行冷卻。散熱器41中設(shè)置有冷卻風(fēng)扇410。
[0035]三通閥42位于旁路路徑400的合流部分。三通閥42根據(jù)開(kāi)度調(diào)整散熱器側(cè)的路徑中流動(dòng)的冷卻水的流量和旁路路徑中流動(dòng)的冷卻水的流量。由此，調(diào)整冷卻水的溫度。
[0036]水泵43位于三通閥42的下游。水泵43將流過(guò)了三通閥42的冷卻水送到燃料電池堆10。
[0037]由水溫傳感器401檢測(cè)冷卻水循環(huán)路徑40中流動(dòng)的冷卻水的溫度。該水溫傳感器401設(shè)置于比分支出旁路路徑400的部分更靠上游的位置。
[0038]控制器被輸入電流傳感器101、電壓傳感器102、壓縮機(jī)流量傳感器201、正極壓力傳感器202、負(fù)極壓力傳感器301、水溫傳感器401的信號(hào)。而且，控制器輸出信號(hào)，來(lái)控制壓縮機(jī)21、正極壓力調(diào)節(jié)閥23、排氣閥210、負(fù)極壓力調(diào)節(jié)閥32、放氣閥33、三通閥42、水泵43的動(dòng)作。
[0039]通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，燃料電池堆10被維持為適當(dāng)溫度，由此電解質(zhì)膜被維持為適度的濕潤(rùn)狀態(tài)，燃料電池堆10被供給反應(yīng)氣體(正極氣體O2、負(fù)極氣體H2)來(lái)進(jìn)行發(fā)電。由燃料電池堆10發(fā)出的電力經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換器11被供給到行駛電動(dòng)機(jī)12、電池13、負(fù)載14。
[0040]另外，燃料電池堆10在濕潤(rùn)狀態(tài)過(guò)大(即過(guò)濕潤(rùn))或過(guò)少(即過(guò)干燥)時(shí)發(fā)電效率差。若為了避免這種狀態(tài)而調(diào)整壓縮機(jī)21的轉(zhuǎn)速，則存在以下情況:壓縮機(jī)21的工作聲音發(fā)生變動(dòng)，乘客感到刺耳而感覺(jué)不適。
[0041]因此，在本實(shí)施方式中，以不使壓縮機(jī)21的轉(zhuǎn)速發(fā)生變動(dòng)的方式調(diào)整燃料電池堆10的濕潤(rùn)狀態(tài)。
[0042]下面說(shuō)明具體手法。
[0043]圖2是第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制器執(zhí)行的控制流程圖。此外，控制器每隔微小時(shí)間(例如10毫秒)就重復(fù)執(zhí)行該流程圖。
[0044]在步驟S