燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種燃料電池系統(tǒng),具備:燃料電池堆,其根據(jù)負荷來發(fā)電;燃料罐,其貯存燃料氣體;壓力調整閥,其調整從燃料罐向燃料電池堆供給的燃料氣體的壓力;放氣閥,其放出從燃料電池堆排出的燃料氣體;以及控制器,其控制系統(tǒng),控制器包括:脈動部,其使燃料電池堆的燃料氣體壓力脈動;以及升壓速度設定部,其根據(jù)運轉狀態(tài)來設定燃料氣體壓力的脈動的升壓速度。
【專利說明】燃料電池系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]日本JP2007-517369A公開了一種反復進行高壓的負極氣體的供給/停止來使負極氣體的壓力脈動的燃料電池系統(tǒng)。在這種燃料電池系統(tǒng)中,供給高壓的負極氣體。由此,將滯留在反應流路中的雜質壓入緩沖罐,提高反應流路的負極氣體濃度,來進行發(fā)電。接著,停止負極氣體的供給并繼續(xù)發(fā)電,由此負極氣體被消耗而反應流路的壓力降低。隨之,暫時排出到緩沖罐的負極氣體反流過來而在發(fā)電反應中被消耗。當與負極氣體一起反流的雜質、從正極側交叉泄漏的雜質逐漸增加時,再次供給高壓的負極氣體。
[0003]通過反復進行這種動作,來維持反應流路的負極氣體濃度以持續(xù)發(fā)電。
[0004]另外,相關文獻公知發(fā)明在日本JP2008-97966A和日本JP2007-149630A中也有所記載。
【發(fā)明內容】
[0005]然而,本申請發(fā)明人發(fā)現(xiàn):由于燃料電池系統(tǒng)一般是層疊多達數(shù)百塊電池(cell)的結構,因此在如日本JP2007-517369A那樣單純進行脈動的控制中,由于運轉狀態(tài)的不同而發(fā)電電池間容易產(chǎn)生反應偏差。即,例如,若在處于低負荷運轉狀態(tài)時脈動運轉的升壓速度過大,則在歧管中流動的負極氣體的流速會過快而成為亂流狀態(tài)。在這種狀態(tài)下,變得易于從歧管流向規(guī)定的發(fā)電電池的反應氣體流路或者難以從歧管流向規(guī)定的發(fā)電電池的反應氣體流路,從而會使向各電池供給的負極氣體量產(chǎn)生偏差。其結果,有可能會出現(xiàn)無法排除雜質、負極氣體濃度降低的電池。這樣一來,發(fā)電電池間容易產(chǎn)生反應偏差。另外,例如在處于高負荷運轉狀態(tài)時,發(fā)電反應也變得活躍,會生成很多水。在由于該水而堵塞了若干個發(fā)電電池的氣體流路的狀態(tài)下,會阻礙該發(fā)電電池的氣體流路的氣體的流動。若在這種狀況下升壓速度過慢,就更難向被生成水所阻礙的氣體流路供給氣體,發(fā)電反應變得不穩(wěn)定而發(fā)電電池間容易產(chǎn)生反應偏差。
[0006]本發(fā)明是著眼于這種以往的問題而完成的。本發(fā)明的目的在于提供一種即使運轉狀態(tài)發(fā)生變化、發(fā)電電池間也難以產(chǎn)生反應偏差的燃料電池系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的一個方式具備:燃料電池堆,其根據(jù)負荷來發(fā)電;燃料罐,其貯存燃料氣體;壓力調整閥,其調整從燃料罐向燃料電池堆供給的燃料氣體的壓力;放氣閥,其放出從燃料電池堆排出的燃料氣體;以及控制器,其控制系統(tǒng)。而且包括:脈動部,其使上述燃料電池堆的燃料氣體壓力脈動;以及升壓速度設定部,其根據(jù)運轉狀態(tài)來設定上述燃料氣體壓力的脈動的升壓速度。
[0008]下面參照附圖來詳細說明本發(fā)明的實施方式、本發(fā)明的優(yōu)點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第一實施方式的概要的圖。
[0010]圖2A是說明燃料電池堆的外觀立體圖。
[0011]圖2B是表示燃料電池堆的發(fā)電電池的構造的分解圖。
[0012]圖3A是說明燃料電池堆中的電解質膜的反應的示意圖。
[0013]圖3B是說明燃料電池堆中的電解質膜的反應的示意圖。
[0014]圖4是燃料電池系統(tǒng)的第一實施方式的控制器所執(zhí)行的控制流程圖。
[0015]圖5是表示設定反應氣體的脈動運轉的目標上限壓力和目標下限壓力的對應圖的一例的圖。
[0016]圖6是表示燃料電池系統(tǒng)的第一實施方式的升壓速度設定例程的圖。
[0017]圖7A是例示燃料電池系統(tǒng)的第一實施方式的用于設定升壓速度的對應圖的圖。
[0018]圖7B是例示燃料電池系統(tǒng)的第一實施方式的用于設定升壓速度的對應圖的圖。
[0019]圖7C是例示燃料電池系統(tǒng)的第一實施方式的用于設定升壓速度的對應圖的圖。
[0020]圖8是說明執(zhí)行第一實施方式的控制流程圖時的動作的時序圖。
[0021]圖9A是說明第一實施方式的作用效果的圖。
[0022]圖9B是說明第一實施方式的作用效果的圖。
[0023]圖10是表示燃料電池系統(tǒng)的第二實施方式的升壓速度設定例程的圖。
[0024]圖1lA是例示燃料電池系統(tǒng)的第二實施方式的用于設定升壓速度的對應圖的圖。
[0025]圖1lB是例示燃料電池系統(tǒng)的第二實施方式的用于設定升壓速度的對應圖的圖。
[0026]圖1lC是例示燃料電池系統(tǒng)的第二實施方式的用于設定升壓速度的對應圖的圖。
[0027]圖12是說明第二實施方式的作用效果的圖。
[0028]圖13是燃料電池系統(tǒng)的第三實施方式的控制器所執(zhí)行的控制流程圖。
[0029]圖14是表示燃料電池系統(tǒng)的第三實施方式的升壓速度設定例程的圖。
[0030]圖15A是例示燃料電池系統(tǒng)的第三實施方式的用于設定升壓速度的對應圖的圖。
[0031]圖15B是例示燃料電池系統(tǒng)的第三實施方式的用于設定升壓速度的對應圖的圖。
[0032]圖15C是例示燃料電池系統(tǒng)的第三實施方式的用于設定升壓速度的對應圖的圖。
[0033]圖16是說明執(zhí)行第三實施方式的控制流程圖時的動作的時序圖。
[0034]圖17是表示燃料電池系統(tǒng)的第四實施方式的升壓速度設定例程的圖。
[0035]圖18A是例示燃料電池系統(tǒng)的第四實施方式的用于設定升壓速度的對應圖的圖。
[0036]圖18B是例示燃料電池系統(tǒng)的第四實施方式的用于設定升壓速度的對應圖的圖。
[0037]圖18C是例示燃料電池系統(tǒng)的第四實施方式的用于設定升壓速度的對應圖的圖。
[0038]圖19是說明執(zhí)行第四實施方式的控制流程圖時的動作的時序圖。
[0039]圖20是控制器所執(zhí)行的第五實施方式的控制流程圖。
[0040]圖21是執(zhí)行第五實施方式時的時序圖。
【具體實施方式】
[0041](第一實施方式)
[0042]圖1是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第一實施方式的概要的圖。
[0043]燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆100、氫罐200、壓力調整閥300、緩沖罐400、放氣閥500以及控制器600。
[0044]燃料電池堆100被供給反應氣體(負極(anode)氣體H2、正極(cathode)氣體O2)來進行發(fā)電。詳情在后面敘述。
[0045]氫罐200是以高壓狀態(tài)貯存負極氣體H2的高壓氣體罐。氫罐200設置于負極路徑的最上游。
[0046]壓力調整閥300設置于氫罐200的下游。壓力調整閥300對從氫罐200新供給到負極路徑的負極氣體H2的壓力進行調整。通過壓力調整閥300的開度對負極氣體H2的壓力進行調整。
[0047]緩沖罐400設置于燃料電池堆100的下游。緩沖罐400蓄積從燃料電池堆100排出的負極氣體H2。
[0048]放氣閥500設置于緩沖罐400的下游。當打開放氣閥500時,負極氣體H2從緩沖罐400被放出。
[0049]控制器600基于設置于負極路徑的壓力傳感器71、設置于燃料電池堆100的電流電壓傳感器72等的信號來控制壓力調整閥300的動作。具體的控制內容在后面敘述。
[0050]圖2A是說明燃料電池堆的外觀立體圖。圖2B是表示燃料電池堆的發(fā)電電池的構造的分解圖。
[0051]如圖2A所示,燃料電池堆100具備進行層疊的多個發(fā)電電池10、集電板20、絕緣板30、端板40以及四根拉桿50。
[0052]發(fā)電電池10是燃料電池的單位發(fā)電電池。各發(fā)電電池10產(chǎn)生I伏特(V)左右的電動勢。各發(fā)電電池10的結構的詳情在后面敘述。
[0053]集電板20分別配置于進行層疊的多個發(fā)電電池10的外側。集電板20由不透氣性的導電性構件、例如致密碳形成。集電板20具備正極端子211和負極端子212。燃料電池堆100通過正極端子211和負極端子212取出由各發(fā)電電池10產(chǎn)生的電子e_并輸出。
[0054]絕緣板30分別配置于集電板20的外側。絕緣板30由絕緣性的構件、例如橡膠等形成。
[0055]端板40分別配置于絕緣板30的外側。端板40由具有剛性的金屬材料、例如鋼等形成。
[0056]在一方的端板40 (圖2A中左前的端板40)上設置有負極供給口 41a、負極排出口41b、正極供給口 42a、正極排出口 42b、冷卻水供給口 43a以及冷卻水排出口 43b。在本實施方式中,負極供給口 41a、冷卻水供給口 43a以及正極排出口 42b設置于圖中右側。另外,正極供給口 42a、冷卻水排出口 43b以及負極排出口 41b設置于圖中左側。
[0057]拉桿50分別設置于端板40的四角附近。燃料電池堆100在內部形成有貫通的孔(未圖示)。拉桿50貫穿該貫通孔。拉桿50由具有剛性的金屬材料、例如鋼等形成。拉桿50在表面進行了絕緣處理,以防止發(fā)電電池10之間發(fā)生電短路。該拉桿50與螺母(位于里面因此未圖示)螺紋接合。拉桿50和螺母將燃料電池堆100沿層疊方向緊固。
[0058]作為向負極供給口 41a供給作為負極氣體的氫的方法,例如由從氫貯存裝置直接供給氫氣的方法、或者將含氫的燃料重整來供給重整后的含氫氣體的方法等。此外,作為氫貯存裝置,有高壓氣體罐、液化氫罐、貯氫合金罐等。作為含氫的燃料,有天然氣、甲醇、汽油等。在圖1中,使用高壓氣體罐。另外,作為向正極供給口 42a供給的正極氣體,一般利用空氣。
[0059]如圖2B所示,發(fā)電電池10構成為在膜電極組件(Membrane Electrode Assembly ;MEA) 11的兩面配置負極隔板(負極雙極板)12a和正極隔板(正極雙極板)12b。
[0060]MEAll在由離子交換膜組成的電解質膜111的兩面形成電極催化劑層112。在該電極催化劑層112之上形成氣體擴散層(Gas Diffus1n Layer ;(?L)113。
[0061]電極催化劑層112例如由承載有鉬等的炭黑粒子形成。
[0062]GDLl 13由具有足夠的氣體擴散性和導電性的構件、例如碳纖維形成。
[0063]從負極供給口 41a供給的負極氣體在該GDL113a中流動來與負極電極催化劑層112 (112a)進行反應,從負極排出口 41b排出。
[0064]從正極供給口 42a供給的正極氣體在該⑶L113b中流動來與正極電極催化劑層112 (112b)進行反應,從正極排出口 42b排出。
[0065]負極隔板12a隔著⑶L113a和密封件14a疊加在MEAll的單面(圖2B的背面)上。正極隔板12b隔著⑶L113b和密封件14b疊加在MEAll的單面(圖2B的表面)上。密封件14(14a、14b)例如是娃橡膠、三元乙丙橡膠(ethylene propylene diene monomer ;EPDM)、氟橡膠等橡膠狀彈性材料。負極隔板12a和正極隔板12b例如是將不銹鋼等金屬制的隔板基體壓制成型而成的,在一個面上形成反應氣體流路,在其相反面上以與反應氣體流路交替排列的方式形成冷卻水流路。如圖2B所示那樣將負極隔板12a和正極隔板12b重疊,來形成冷卻水流路。
[0066]MEA11、負極隔板12a以及正極隔板12b中分別形成有孔41a、41b、42a、42b、43a、43b,將它們重疊來形成負極供給口(負極供給歧管)41a、負極排出口(負極排出歧管)41b、正極供給口(正極供給歧管)42a、正極排出口(正極排出歧管)42b、冷卻水供給口(冷卻水供給歧管)43a以及冷卻水排出口(冷卻水排出歧管)43b。
[0067]圖3A和圖3B是說明燃料電池堆中的電解質膜的反應的示意圖。
[0068]如上所述,燃料電池堆100被供給反應氣體(正極氣體O2、負極氣體H2)來進行發(fā)電。將在電解質膜的兩個面上形成正極電極催化劑層和負極電極催化劑層而得到的膜電極組件(Membrane Electrode Assembly ;MEA)層疊數(shù)百塊來構成燃料電池堆100。圖3A中示出了其中一塊MEA。在此,示出了以下的例子:一邊對MEA供給正極氣體(正極進)并從對角側將其排出(正極出),一邊對MEA供給負極氣體(負極進)并從對角側將其排出(負極出)。
[0069]各膜電極組件(MEA)在正極電極催化劑層和負極電極催化劑層中根據(jù)負荷而進行以下反應來發(fā)電。
[0070][化I]
[0071]正極電極催化劑層:4H++4e_+02— 2Η20...(1-1)
[0072]負極電極催化劑層:2?— 4H++4e_...(1-2)
[0073]如圖3B所示,隨著反應氣體(正極氣體O2)在正極流路中流動,進行上式(1-1)的反應,生成水蒸氣。然后,在正極流路的下游側相對濕度變高。其結果,正極側與負極側的相對濕度差變大。以該相對濕度差為動力(driving force),水逆擴散而將負極上游側加濕。該水分還從MEA蒸發(fā)到負極流路中而將在負極流路中流動的反應氣體(負極氣體H2)加濕。然后,被運送到負極下游側,將負極下游的MEA加濕。
[0074]為了通過上述反應來高效地發(fā)電,需要使電解質膜處于適度的濕潤狀態(tài)。若電解質膜中的水分少而電解質膜的濕潤度過小,則無法促進上述反應。反之,若電解質膜中的水分過多,則剩余的水分會溢出到反應氣體流路,氣體的流動受到阻礙。在這種情況下也無法促進上述反應。因而,通過使電解質膜處于適度的濕潤狀態(tài)來高效地發(fā)電。作為目標的濕潤度(目標濕潤度)與負荷無關,是固定的值??紤]與濕潤度相應的發(fā)電效率以及與電解質膜的含水相應的啟動時的凍結度,通過實驗方式來提供最合適的濕潤度。在運轉過程中,通過調整冷卻水溫、正極氣體壓力、正極流量來執(zhí)行濕潤度反饋控制,使得基于HFR(HighFrequency Resistance:高頻電阻)檢測出的濕潤度變?yōu)槿缟纤瞿菢犹峁┑哪繕藵駶櫠?。與目標濕潤度相比越靠近濕潤側時,假定負極流路內存在大量凝結水而使脈動供給負極氣體時的升壓速度越高。此外,HFR(High Frequency Resistance)例如是通過公知的交流阻抗法而求出的。即,通過電壓傳感器檢測對燃料電池堆100的輸出電流疊加高頻的交流電流時的燃料電池堆100的電壓值,基于該電壓值來運算所疊加的交流電流的電壓振幅,通過用該電壓振幅除以所疊加的交流電流的電流振幅來計算阻抗(HFR)。阻抗(HFR)越大,則電解質膜越干燥。此外,阻抗(HFR)的計算方法不限于上述方法,例如也可以使用本 申請人:所申請的日本JP2012-054153A中記載的方法。
[0075]具體地說,發(fā)明人們如下那樣進行控制。
[0076]圖4是燃料電池系統(tǒng)的第一實施方式的控制器所執(zhí)行的控制流程圖。此外,控制器每隔微小時間(例如10毫秒)就重復執(zhí)行該流程圖。
[0077]在步驟SI中,控制器獲取目標要求負荷。具體地說,例如只要基于驅動器的加速踏板踏下量等來進行運算即可。
[0078]在步驟S2中,控制器判斷目標要求負荷是否發(fā)生了變化。如果判斷結果為肯定,則控制器使處理轉變?yōu)椴襟ES3,如果判斷結果為否定,則控制器使處理轉變?yōu)椴襟ES5。
[0079]在步驟S3中,控制器設定反應氣體的脈動運轉的目標上限壓力和目標下限壓力。具體地說,例如預先通過實驗等準備圖5所示那樣的對應圖。然后,將目標要求負荷應用于該對應圖,來設定反應氣體的脈動運轉的目標上限壓力和目標下限壓力。
[0080]在步驟S4中,控制器設定升高反應氣體的壓力時的升壓速度。具體地說,如圖6所示,基于壓力來設定升壓速度(步驟S41)。此外,在此所說的壓力例如是目標上限壓力與目標下限壓力的平均壓力。然后,預先通過實驗等準備圖7A所示那樣的對應圖,將壓力應用于該對應圖,來設定升壓速度。此外,對應圖也可以是如圖7B、圖7C那樣簡易的圖??傊?,有壓力越大則升壓速度越大的趨勢。
[0081]在步驟S5中,控制器判斷當前壓力是否正在上升。如果判斷結果為肯定,則控制器使處理轉到步驟S6,如果判斷結果為否定,則控制器使處理轉到步驟S8。
[0082]在步驟S6中,控制器判斷當前的壓力是否小于目標上限壓力。如果判斷結果為否定,則控制器暫時退出處理,如果判斷結果為肯定,則控制器使處理轉到步驟S7。
[0083]在步驟S7中,控制器停止供給反應氣體。
[0084]在步驟S8中,控制器判斷當前的壓力是否大于目標下限壓力。如果判斷結果為否定,則控制器暫時退出處理,如果判斷結果為肯定,則控制器使處理轉到步驟S9。
[0085]在步驟S9中,控制器開始供給反應氣體。
[0086]圖8是說明執(zhí)行第一實施方式的控制流程圖時的動作的時序圖。
[0087]此外,為了易于理解與上述的流程圖的對應關系,對流程圖的步驟號標注S來一并記載。
[0088]執(zhí)行以上的控制流程圖來如下那樣進行動作。
[0089]在圖8中,在時刻til以前,進行步驟SI — S2 — S3 — S4的處理,基于目標要求負荷設定了脈動運轉的目標下限壓力Pll和目標上限壓力P12。還設定了升高反應氣體的壓力時的升壓速度。
[0090]在時刻til以后,重復步驟SI — S2 —S5 —S6的處理。其結果,如圖8所示那樣,負極壓力上升。
[0091]當在時刻tl2負極壓力達到目標上限壓力P12時,進行步驟S6 — S7的處理。其結果,如圖8所示那樣,負極壓力轉為下降。
[0092]在時刻tl2以后,重復步驟SI — S2 — S5 — S8的處理。在停止供給負極氣體的期間,負極氣體也會被發(fā)電反應所消耗,因此如圖8所示那樣,負極壓力持續(xù)下降。
[0093]當在時刻tl3負極壓力達到目標下限壓力Pll時,進行步驟S8 — S9的處理。其結果,如圖8所示那樣,負極壓力轉為上升。
[0094]直到時刻tl5為止重復同樣的控制。
[0095]當在時刻tl5踏下加速踏板等而目標要求負荷上升時,進行步驟SI — S2 — S3 — S4的處理,基于目標要求負荷重新設定目標下限壓力P21和目標上限壓力P22。還重新設定升壓速度。此外,根據(jù)圖8明確可知,在時刻tl5以后,負極壓力上升時的斜率比時刻tl5以前負極壓力上升時的斜率大。S卩,時刻tl5以后的負極壓力的升壓速度比時刻tl5以前的負極壓力的升壓速度快。
[0096]在時刻tl5以后,重復步驟SI — S2 — S5 — S6的處理。其結果,負極壓力上升。
[0097]當在時刻tl6負極壓力達到目標上限壓力P22時,進行步驟S6 — S7的處理。其結果,負極壓力轉為下降。
[0098]在時刻tl6以后,重復步驟SI — S2 — S5 — S8的處理。在停止供給負極氣體的期間,負極氣體也會被發(fā)電反應所消耗,因此負極壓力持續(xù)下降。
[0099]當在時刻tl7負極壓力達到目標下限壓力P21時,進行步驟S8 — S9的處理。其結果,如圖8所示那樣,負極壓力轉為下降。
[0100]以后重復同樣的控制。
[0101]圖9A和圖9B是說明第一實施方式的作用效果的圖。此外,圖表的橫軸表示進行層疊的多個發(fā)電電池10的位置。左側為圖2所示的面前側,右側是圖2所示的里面?zhèn)取D表的縱軸表不各發(fā)電電池的微小時間內的發(fā)電量。若該發(fā)電量的相差小則可知偏差少而發(fā)電穩(wěn)定。若發(fā)電量的相差大則可知偏差多而發(fā)電不穩(wěn)定。
[0102]如上所述,在本實施方式中,對燃料電池堆要求的負荷越高,則將脈動運轉的目標上限壓力和目標下限壓力設定得越大。另外將升壓速度也設定得越大。
[0103]當對燃料電池堆要求的負荷小時,式(1-1)所示的發(fā)電反應也相應地發(fā)生。在這種時候,若不使升壓速度過大而使壓力以基準速度上升,則各發(fā)電電池中的發(fā)電偏差如圖9A的黑方形所示那樣小。即發(fā)生穩(wěn)定的發(fā)電反應。
[0104]與此相對,當增大升壓速度時,各發(fā)電電池中的發(fā)電偏差如圖9A的白圓所示那樣大。即發(fā)電反應變得不穩(wěn)定。
[0105]就這一點,發(fā)明人進行了如下研究。即,若增大升壓速度,則在負極供給歧管中流動的負極氣體的流速急劇變快。于是,從負極供給歧管向各發(fā)電電池的氣體流路流動的氣體的流量不一樣。這是由于,若在負極供給歧管中流動的負極氣體的流速急劇變快,則在負極供給歧管中流動的負極氣體會變?yōu)閬y流狀態(tài),從而阻礙向各發(fā)電電池的氣體流路的均勻的流動而分配偏差變大。認為如果在負極供給歧管中流動的負極氣體的流速不快,則負極氣體從負極供給歧管向各發(fā)電電池的氣體流路幾乎均勻地流動而分配偏差小。以上為發(fā)明人的研究。
[0106]另一方面,當對燃料電池堆要求的負荷大時,式(1-1)所示的發(fā)電反應也變得活躍。在這種時候,若增大升壓速度,則各發(fā)電電池中的發(fā)電偏差如圖9B的白圓所示那樣小。即發(fā)生穩(wěn)定的發(fā)電反應。
[0107]與此相對,若是壓力以基準速度上升,則各發(fā)電電池中的發(fā)電偏差如圖9B的黑方形所示那樣大。即發(fā)電反應變得不穩(wěn)定。
[0108]就這一點,發(fā)明人進行了如下研究。即,如果對燃料電池堆要求的負荷大,則式(1-1)所示的發(fā)電反應也變得活躍,會生成很多水。在該水殘留于各發(fā)電電池的氣體流路的狀態(tài)下,氣體的流動受到阻礙,發(fā)電反應變得不穩(wěn)定。與此相對,如果增大升壓速度、使在負極供給歧管中流動的負極氣體的流速迅速升高,則會去除殘留于各發(fā)電電池的氣體流路的生成水,發(fā)電反應穩(wěn)定。然而,若使壓力以基準速度上升,則殘留于各發(fā)電電池的氣體流路的生成水的去除能力不足,發(fā)電反應變得不穩(wěn)定,以上為發(fā)明人的見解。
[0109]另外,在對燃料電池堆要求的負荷大時,向燃料電池堆供給的氣體的壓力也變高。
[0110]在氣體的壓力高的狀態(tài)與氣體的壓力低的狀態(tài)下,即使以相同氣體的升壓速度使氣體壓力上升,流動的速度也不同。即,即使以相同氣體的升壓速度使氣體壓力上升,與氣體的壓力低的狀態(tài)時相比,氣體的壓力高的狀態(tài)時的氣體的流速更慢。即更難以供給氣體。
[0111]與此相對,在本實施方式中,對燃料電池堆要求的負荷越高,則將脈動運轉的目標壓力設定得越大,同時將升壓速度也設定得越大,因此容易供給適當?shù)臍怏w。
[0112]如以上所說明的那樣,根據(jù)本實施方式,即使對燃料電池堆要求的負荷(運轉狀態(tài))發(fā)生變化,也難以產(chǎn)生各發(fā)電電池中的發(fā)電偏差,容易使發(fā)電穩(wěn)定。另外,在存在分配偏差而各發(fā)電電池中反應氣體不足的情況下,存在電池劣化的可能性。然而在本實施方式中,能夠抑制分配偏差,因此能夠防止使電池劣化。
[0113](第二實施方式)
[0114]圖10是表示燃料電池系統(tǒng)的第二實施方式的升壓速度設定例程的圖。
[0115]此外,下面對實現(xiàn)與前述同樣的功能的部分標注同一標記,適當省略重復的說明。
[0116]在第一實施方式中,基于壓力(例如目標上限壓力和目標下限壓力的平均壓力)來設定升壓速度(步驟S41)。與此相對,在該第二實施方式中,不考慮目標上限壓力而基于目標下限壓力來設定升壓速度(步驟S42)。具體地說,預先通過實驗等準備圖1lA所示那樣的對應圖,將目標下限壓力應用于該對應圖,來設定升壓速度。此外,對應圖也可以是如圖11B、圖1lC那樣簡易的圖??傊?,有目標下限壓力越大則升壓速度越大的趨勢。
[0117]圖12是說明第二實施方式的作用效果的圖。
[0118]考慮脈動運轉模式A和脈動運轉模式B。
[0119]脈動運轉模式B的目標上限壓力和目標下限壓力的平均壓力與脈動運轉模式A相同。然而,脈動運轉模式B以比脈動運轉模式A大的振幅進行脈動。在這種情況下,脈動運轉模式B的下限壓力更低,因此即使升壓速度相同氣體的流速也容易變快。因而,向各發(fā)電電池的氣體流路的分配偏差容易變大。
[0120]與此相對,在第二實施方式中,基于目標下限壓力來設定升壓速度,因此脈動運轉模式B設定比脈動運轉模式A小的升壓速度。因而,與脈動運轉模式A相比,在脈動運轉模式B中,在負極供給歧管中流動的負極氣體的流速更慢,容易從負極供給歧管向各發(fā)電電池的氣體流路均勻地流動。即,分配偏差變小。因此能夠進行穩(wěn)定的發(fā)電反應。
[0121](第三實施方式)
[0122]圖13是燃料電池系統(tǒng)的第三實施方式的控制器所執(zhí)行的控制流程圖。
[0123]在該第三實施方式中,如圖13所示,在步驟S2的分支之前的步驟S40中設定升壓速度。除此以外的步驟SI?S3、S5?S9與圖4相同,因此省略詳細的說明。此外,參照圖14來說明步驟S40的詳情。
[0124]圖14是表示燃料電池系統(tǒng)的第三實施方式的升壓速度設定例程的圖。
[0125]在步驟S401中,控制器求出電解質膜的濕潤度。電解質膜的濕潤度根據(jù)阻抗而發(fā)生變化。即,電解質膜的濕潤度越小(電解質膜中的水分越少而越偏干),則阻抗越大。電解質膜的濕潤度越大(電解質膜中的水分越多而越偏濕),則阻抗越小。在步驟S401中,利用該特性,例如使燃料電池堆的發(fā)電電流以例如IkHz的正弦波進行變動來觀察電壓的變動。然后,通過用IkHz的交流電壓振幅除以交流電流振幅來求出阻抗。然后,能夠基于該阻抗來得到電解質膜的濕潤度。
[0126]在步驟S402中,控制器判斷電解質膜的濕潤度是否發(fā)生變化。此外,具體地說,在濕潤度的變化是超過某個程度的范圍地變化的情況下判斷為肯定。這是為了防止誤差。如果判斷結果為否定,則控制器暫時退出處理,如果判斷結果為肯定,則控制器使處理轉到步驟 S403。
[0127]在步驟S403中,控制器基于電解質膜的濕潤度來設定升壓速度。具體地說,預先通過實驗等準備圖15A所示那樣的對應圖,將電解質膜的濕潤度應用于該對應圖,來設定升壓速度。此外,對應圖也可以是如圖15B、圖15C那樣簡易的圖??傊须娊赓|膜的濕潤度越大則升壓速度越大的趨勢。
[0128]圖16是說明執(zhí)行第三實施方式的控制流程圖時的動作的時序圖。
[0129]在圖16 中,在時刻 t31 以前,進行步驟 S40(S401 —S402 —S403) — SI — S2 — S3的處理,設定與電解質膜的濕潤度相應的升壓速度,并且基于目標要求負荷設定脈動運轉的目標下限壓力P31和目標上限壓力P32。
[0130]在時刻t32之前電解質膜的濕潤度未變化?;蛘呒词勾嬖谧兓参创蠓兓?。在該狀態(tài)下,在步驟S40中,進行步驟S401 — S402的處理。然后,與第一實施方式同樣地進行處理來使負極壓力脈動。
[0131]在時刻t32,判斷出電解質膜的濕潤度大而偏濕。在該狀態(tài)下,在步驟S40中,進行步驟S401 — S402 — S403的處理來重新設定升壓速度。根據(jù)負極壓力上升時的斜率比在時刻t32以前負極壓力上升時的斜率高這一點也可知,升壓速度被設定成大于時刻t32以前的升壓速度。然后,與上述同樣地進行處理來使負極壓力脈動。
[0132]在時刻t33,判斷出電解質膜的濕潤度小而偏干。在該狀態(tài)下,在步驟S40中,進行步驟S401 — S402 — S403的處理來重新設定升壓速度。根據(jù)負極壓力上升時的斜率比在時刻t33以前負極壓力上升時的斜率低這一點也可知,升壓速度被設定成小于時刻t33以前的升壓速度。然后,與上述同樣地進行處理來使負極壓力脈動。
[0133]在該第三實施方式中,根據(jù)電解質膜的濕潤度來設定升壓速度。濕潤度越高(即電解質膜越偏濕),則使升壓速度增大得越多,使在負極供給歧管中流動的負極氣體的流速迅速升高。這樣一來,能夠去除殘留于各發(fā)電電池的氣體流路的生成水,從而能夠使發(fā)電反應穩(wěn)定。
[0134]另外,濕潤度越低(即電解質膜越偏干),則越減小升壓速度,使在負極供給歧管中流動的負極氣體的流速不會過快。這樣一來,從負極供給歧管向各發(fā)電電池的氣體流路幾乎均勻地分配負極氣體,從而能夠使發(fā)電反應穩(wěn)定。
[0135](第四實施方式)
[0136]圖17是表示燃料電池系統(tǒng)的第四實施方式的升壓速度設定例程的圖。
[0137]在第三實施方式中,根據(jù)電解質膜的濕潤度設定升壓速度。與此相對,在該第四實施方式中根據(jù)燃料電池堆的溫度來設定升壓速度。具體如下。
[0138]在步驟S404中,控制器求出燃料電池堆的溫度。具體地說,只要例如在燃料電池堆中安裝溫度傳感器并通過該溫度傳感器進行檢測即可。另外,也可以根據(jù)冷卻水的溫度來估計燃料電池堆的溫度。
[0139]在步驟S405中,控制器判斷燃料電池堆的溫度是否發(fā)生了變化。此外,具體地說,在溫度的變化是超過某個程度的范圍地變化的情況下判斷為肯定。這是為了防止誤差。如果判斷結果為否定,則控制器暫時退出處理,如果判斷結果為肯定,則控制器使處理轉到步驟 S406。
[0140]在步驟S406中,控制器基于燃料電池堆的溫度來設定升壓速度。具體地說,預先通過實驗等準備圖18A所示那樣的對應圖,將燃料電池堆的溫度應用于該對應圖,來設定升壓速度。此外,對應圖也可以是如圖18B、圖18C那樣簡易的圖。總之,有燃料電池堆的溫度越大則升壓速度越小的趨勢。
[0141]在該第四實施方式中,根據(jù)燃料電池堆的溫度來設定升壓速度。然后,燃料電池堆的溫度越低則使升壓速度增大得越多,使在負極供給歧管中流動的負極氣體的流速迅速升高。另外,燃料電池堆的溫度越高則使升壓速度減小得越多,使在負極供給歧管中流動的負極氣體的流速不會過快。
[0142]燃料電池堆的電解質膜的濕潤度與燃料電池堆的溫度相關。燃料電池堆的溫度越高,則濕潤度越低。即,電解質膜越偏干。燃料電池堆的溫度越低,則濕潤度越高。即電解質膜越偏濕。
[0143]因此,通過如該第四實施方式那樣根據(jù)燃料電池堆的溫度來設定升壓速度,也如圖19所示那樣得到與第三實施方式同樣的作用效果。與求出電解質膜的濕潤度相比,求出燃料電池堆的溫度更簡單。因而,根據(jù)該第四實施方式,能夠比第三實施方式更簡單地得到與第三實施方式同樣的作用效果。
[0144](第五實施方式)
[0145]圖20是控制器所執(zhí)行的第五實施方式的控制流程圖。
[0146]通過式(1-1)所示的發(fā)電反應而生成水。該水透過電解質膜而到達負極流路,剩余的液態(tài)水被排出到緩沖罐400。
[0147]另外,暫時流向緩沖罐側的水有可能隨著負極壓力的降低而返回到燃料電池堆。對燃料電池堆要求的負荷越大,則燃料電池的發(fā)電反應越活躍而水的生成量也越多,因此在要求負荷大的情況下存在水從緩沖罐側返回的擔憂。若水返回,則該水有可能堵塞負極流路而阻礙發(fā)電反應。
[0148]因此,發(fā)明人在這種情況下通過減慢負極壓力的降低速度來抑制水從緩沖罐側返回。
[0149]以下說明具體的控制內容。
[0150]在步驟S501中,控制器判斷負荷是否大于閾值。如果判斷結果為肯定,則控制器使處理轉到步驟S502,如果判斷結果為否定,則控制器使處理轉到步驟S505。
[0151 ] 在步驟S502中,控制器檢測HFR。
[0152]在步驟S503中,控制器判斷HFR是否小于閾值。即判斷濕潤狀態(tài)是否為濕(wet)。如果判斷結果為肯定,則控制器使處理轉到步驟S504,如果判斷結果為否定,則控制器使處理轉到步驟S505。
[0153]在步驟S504中,控制器以使脈動的降壓速度慢于平常的方式?jīng)Q定降壓速度的目標值(使氣體返回到能夠抑制水從緩沖罐側返回但是不會使發(fā)電運轉惡化的程度的目標速度)并執(zhí)行反饋控制。如上所述,控制器在升壓時設定升壓速度,執(zhí)行反饋控制使得成為該升壓速度。作為其結果,適當調整壓力調整閥300的開度。在該步驟S504中,同樣地決定降壓速度的目標值并執(zhí)行反饋控制。作為其結果,適當調整壓力調整閥300的開度,在降壓時也將壓力調整閥300打開到固定的開度,與步驟S505時相比壓力調整閥300的開度變大。
[0154]在步驟S505中,控制器以使脈動的降壓速度為平常的方式?jīng)Q定降壓速度的目標值并執(zhí)行反饋控制。在此平常的降壓速度是指在無需抑制水從緩沖罐側返回的情況下基于負荷等設定的速度。
[0155]圖21是執(zhí)行第五實施方式時的時序圖。
[0156]在負荷小的期間,負極壓力也低。
[0157]若負荷變高,則負極壓力也變高。另外,發(fā)電反應活躍而生成水也增多,因此HFR也下降。但是在時刻t52之前,HFR大于閾值,未處于過度濕潤的狀態(tài)。在該狀態(tài)下,脈動的降壓速度被設定為平常速度,在脈動降壓時壓力調整閥300完全閉合。
[0158]當過了時刻t52時,HFR變得小于閾值,從燃料電池堆排出的液態(tài)水在脈動降壓時有可能返回。因此在此時,以使脈動的降壓速度慢于平常的方式?jīng)Q定降壓速度的目標值并執(zhí)行反饋控制。作為其結果,在脈動降壓時壓力調整閥300也不是完全閉合的,而是被設為固定開度,使脈動的降壓速度變慢。這樣,在脈動降壓時也從氫罐200供給固定的負極氣體,從而抑制水從緩沖罐側返回。
[0159]以上,說明了本發(fā)明的實施方式,但是上述實施方式不過示出了本發(fā)明的應用例的一部分,其宗旨并不是將本發(fā)明的技術范圍限定于上述實施方式的具體結構。
[0160]例如,上述實施方式能夠適當組合。
[0161]另外,上述說明中的“檢測”不僅包括直接檢測,也包括間接地檢測、即根據(jù)其它來進行估計。
[0162]另外,在第五實施方式中,也可以事先求出脈動的降壓速度與壓力調整閥的開度的相關關系,在步驟S504、步驟S505中將壓力調整閥設為期望的開度。
[0163] 本申請基于2012年3月15日向日本專利局申請的特愿2012-59276要求優(yōu)先權,通過參照將該申請的全部內容引入本說明書中。
【權利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng),具備: 燃料電池堆,其根據(jù)負荷來發(fā)電; 燃料罐,其貯存燃料氣體; 壓力調整閥,其調整從燃料罐向燃料電池堆供給的燃料氣體的壓力; 放氣閥,其放出從燃料電池堆排出的燃料氣體;以及 控制器,其控制系統(tǒng), 其中,上述控制器包括: 脈動部,其使上述燃料電池堆的燃料氣體壓力脈動;以及 升壓速度設定部,其根據(jù)運轉狀態(tài)來設定上述燃料氣體壓力的脈動的升壓速度。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于, 供給到上述燃料電池堆的燃料氣體壓力越高,則上述升壓速度設定部將升壓速度設定得越高。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于, 上述燃料電池堆的電解質膜的濕潤度越高,則上述升壓速度設定部將升壓速度設定得越聞。
4.根據(jù)權利要求1?3中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于, 供給到上述燃料電池堆的燃料氣體壓力的下限值越高,則上述升壓速度設定部將升壓速度設定得越高。
5.根據(jù)權利要求1?4中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于, 上述燃料電池堆的溫度越低,則上述升壓速度設定部將升壓速度設定得越高。
6.根據(jù)權利要求1?5中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于, 上述脈動部使上述燃料電池堆內的燃料氣體壓力與要求負荷相應地上升,并且使燃料氣體壓力脈動。
7.根據(jù)權利要求1?6中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于, 上述控制器還包括根據(jù)要求負荷來設定目標上限壓力和目標下限壓力的目標壓力設定部, 上述脈動部反復進行以下動作:進行反饋控制使得燃料氣體的實際壓力變?yōu)槟繕松舷迚毫?,如果燃料氣體的實際壓力變?yōu)槟繕松舷迚毫t切換目標值并進行反饋控制使得燃料氣體的實際壓力變?yōu)槟繕讼孪迚毫?,如果燃料氣體的實際壓力變?yōu)槟繕讼孪迚毫t切換目標值并進行反饋控制使得燃料氣體的實際壓力變?yōu)槟繕松舷迚毫Γ? 并且,上述脈動部使脈動的降壓速度在要求負荷大于規(guī)定負荷時比要求負荷不大于規(guī)定負荷時慢。
8.根據(jù)權利要求7所述的燃料電池系統(tǒng),其特征在于, 上述脈動部通過增大上述壓力調整閥的開度來減慢脈動的降壓速度。
【文檔編號】H01M8/10GK104170143SQ201380014430
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年3月15日 優(yōu)先權日:2012年3月15日
【發(fā)明者】前島晉, 池添圭吾, 市川靖, 藤井隆宏, 仲孝志, 巖崎大剛 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社