專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其驅(qū)動方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，特別涉及對高負荷時用于削減驅(qū)動所需消耗功率的控制方法的改進。
背景技術：
以往，在使作為燃料氣體的氫氣在燃料電池中循環(huán)以進行發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)中，相對于燃料電池的發(fā)電量、即負荷變動來控制空氣的供給壓力，對于氫氣，是通過改變使氫氣強制性循環(huán)的氫泵的轉(zhuǎn)速來增減氫氣的消耗量的。
例如，在日本專利文獻特開2003-68334號公報中公開了將經(jīng)壓縮機加壓的空氣導入燃料氣體壓力調(diào)節(jié)閥中，然后將燃料電池的極間壓差調(diào)節(jié)至規(guī)定壓差以內(nèi)的技術。燃料氣體由氫泵提供，該氫泵以根據(jù)燃料電池的輸出需求而加大轉(zhuǎn)速的方式被控制著。同樣，在日本專利文獻特開昭60-10566號公報中公開有由渦輪提供燃料氣體的技術。

發(fā)明內(nèi)容
但是在上述公知技術中，沒有考慮在氫泵和渦輪等驅(qū)動裝置的驅(qū)動量和循環(huán)路徑的壓力調(diào)節(jié)量之間采取調(diào)節(jié)，特別是當僅通過驅(qū)動裝置來改變?nèi)剂瞎繒r，有可能產(chǎn)生問題。
即，在泵之類的驅(qū)動裝置中，隨著燃料電池負荷的上升，動力源的動力消耗也上升，因此，特別是在高負荷時，會有系統(tǒng)的綜合發(fā)電效率惡化的傾向。
另外，若燃料電池高負荷狀態(tài)下的燃料供應僅依賴于驅(qū)動裝置的循環(huán)量控制，則驅(qū)動裝置需要耐得住高速旋轉(zhuǎn)，并需要循環(huán)大量的燃料氣體，由此，驅(qū)動裝置將不得不大型化。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)電效率高，并使驅(qū)動裝置小型化的燃料電池系統(tǒng)。
為了解決上述課題，本發(fā)明的特征在于，在具有使燃料氣體循環(huán)來進行發(fā)電的燃料電池的燃料電池系統(tǒng)中包括提供燃料氣體的燃料氣體供給源；使提供給燃料電池的燃料氣體循環(huán)的循環(huán)路徑；設置在循環(huán)路徑中，用于使燃料氣體循環(huán)的驅(qū)動裝置；以及設置在燃料氣體供給源和循環(huán)路徑之間，將循環(huán)路徑中的燃料氣體的壓力調(diào)節(jié)到規(guī)定壓力的壓力調(diào)節(jié)裝置；其中，壓力調(diào)節(jié)裝置隨燃料電池中所要求的要求氣體量的增加，使循環(huán)路徑的燃料氣體的壓力上升另外，本發(fā)明為下述的燃料電池系統(tǒng)，其包括使燃料氣體循環(huán)來進行發(fā)電的燃料電池；向燃料電池提供所述燃料氣體的燃料氣體供給源；使提供給燃料電池的燃料氣體循環(huán)的循環(huán)路徑；設置在循環(huán)路徑中，用于使燃料氣體循環(huán)的驅(qū)動裝置；以及設置在燃料氣體供給源和循環(huán)路徑之間，將循環(huán)路徑中的燃料氣體的壓力調(diào)節(jié)到規(guī)定壓力的壓力調(diào)節(jié)裝置；其中，壓力調(diào)節(jié)裝置隨燃料電池中所要求的要求氣體量的增加，使循環(huán)路徑的燃料氣體的壓力上升，并且，對驅(qū)動裝置的驅(qū)動量進行抑制。
另外，本發(fā)明是一種具有使燃料氣體循環(huán)來進行發(fā)電的燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的驅(qū)動方法，包括下述步驟推測燃料電池所要求的要求氣體量的步驟；和隨著所推測的要求氣體量的增加，使循環(huán)路徑中的燃料氣體的壓力上升的步驟，其中所述循環(huán)路徑使提供給所述燃料電池的燃料氣體循環(huán)。
根據(jù)上述發(fā)明，利用燃料氣體供應源的壓力而根據(jù)燃料電池的要求氣體量來改變循環(huán)路徑的壓力，從而調(diào)節(jié)循環(huán)路徑內(nèi)的氣體密度，由此可適當調(diào)節(jié)驅(qū)動裝置的驅(qū)動負荷。特別是當要求氣體量增大時，通過加大循環(huán)路徑內(nèi)的壓力，能夠增加循環(huán)路徑內(nèi)的氣體密度，抑制驅(qū)動裝置的驅(qū)動負荷過高，從而可使驅(qū)動裝置小型化。
在這里，所謂“驅(qū)動裝置”是使燃料氣體強制性循環(huán)的結(jié)構(gòu)，包括泵、壓縮機和渦輪機等。
另外，所謂“壓力調(diào)節(jié)裝置”是可持續(xù)改變循環(huán)路徑的壓力的構(gòu)造物，除了調(diào)節(jié)閥(調(diào)節(jié)器)之外，還包括可調(diào)節(jié)氫發(fā)生量的轉(zhuǎn)化器和氫罐之類。至少當以高壓提供燃料氣體時，優(yōu)選不會使消耗動力大幅增加的構(gòu)造物。
在這里，在本發(fā)明中，至少在要求氣體量高于基準值的區(qū)域中，優(yōu)選對應要求氣體量的變化來改變壓力調(diào)節(jié)裝置的壓力調(diào)節(jié)量。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在要求氣體量高的區(qū)域中，由于根據(jù)燃料氣體的壓力變化來調(diào)節(jié)燃料量，因此，可相對減少驅(qū)動裝置的驅(qū)動量，特別是在高負荷時，可減少有顯著增加傾向的驅(qū)動裝置的消耗動力。
在本發(fā)明中，雖然可根據(jù)驅(qū)動裝置的驅(qū)動特性來任意設定“基準值”，但若以驅(qū)動裝置的驅(qū)動來補償至少基準值以上的要求氣體量的增加部分，則可設定為消耗動力進一步增加的值。
另外，在本發(fā)明中，在要求氣體量高于基準值的區(qū)域中，驅(qū)動裝置的驅(qū)動量的變化率優(yōu)選比要求氣體量低于基準值的區(qū)域低。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于驅(qū)動裝置的驅(qū)動量的變化率在要求氣體量高的區(qū)域中降低了，因此，可減少驅(qū)動裝置的驅(qū)動量，并減少特別在高負荷時有顯著增加趨勢的驅(qū)動裝置的消耗動力。
在這里，所謂驅(qū)動量的變化率的降低，包括正的變化率逐漸降低，像漸近線一樣趨于飽和；變化率為零(即固定值)；以及變化率為負而減小。
這里，在本發(fā)明中，在要求氣體量低于基準值的區(qū)域中，壓力調(diào)節(jié)裝置的壓力調(diào)節(jié)量優(yōu)選保持在固定值以下。在要求氣體量低的區(qū)域中，雖然燃料氣體的消耗量少，但若在該區(qū)域循環(huán)路徑中的燃料氣體的壓力過高，則燃料氣體向空氣極的交叉泄漏(cross leak)會增多，從而使燃料電池的發(fā)電效率降低。對于這一點，根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于在燃料氣體消耗量少的低發(fā)電區(qū)域中，燃料氣體的壓力保持在固定值以下，因此，不會發(fā)生燃料氣體泄漏之類的問題。
在這里，“固定值”例如可選擇即使燃料氣體的消耗量少，也不會產(chǎn)生燃料氣體的氣體泄漏那種程度的值。
另外，在本發(fā)明中，是基于要求氣體量和循環(huán)路徑內(nèi)的壓力的測量值對驅(qū)動裝置進行控制的。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，若能夠把握要求氣體量，并能測量循環(huán)路徑內(nèi)的當前壓力，則可適當確定驅(qū)動裝置的驅(qū)動量，以發(fā)揮本發(fā)明的作用效果。
根據(jù)上述的本發(fā)明，當要求氣體量增大時，可通過增加循環(huán)路徑內(nèi)的壓力來增加循環(huán)路徑內(nèi)的氣體密度，并能夠抑制驅(qū)動裝置的驅(qū)動負荷的過高，從而可使驅(qū)動裝置小型化。另外，可提高燃料電池系統(tǒng)整體的發(fā)電效率。


圖1是說明本發(fā)明原理的框圖；圖2A是說明本發(fā)明第一實施方式的控制方法的、燃料氣體消耗量相對于要求負荷的關系圖；圖2B是相對于要求負荷的泵轉(zhuǎn)速控制特性圖；圖2C是相對于要求負荷的調(diào)節(jié)閥目標壓力控制特性圖；圖3是本第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的框圖；圖4示出的是說明本第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制方法的流程；圖5是氣體循環(huán)量相對于燃料電池發(fā)電功率量的特性圖；圖6是泵轉(zhuǎn)速相對于氫泵入口壓力的關系圖；圖7是氫泵入口壓力相對于循環(huán)量的關系圖；圖8是相對于氫泵入口壓力的壓力損失推測圖；圖9示出的是說明本第二實施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制方法的流程；圖10A是本第三實施方式的控制方法的說明圖，是燃料氣體消耗量相對于要求負荷的關系圖；圖10B是相對于要求負荷的泵轉(zhuǎn)速控制特性圖；圖10C是相對于要求負荷的調(diào)節(jié)閥目標壓力控制特性圖；圖11A是本第四實施方式的控制方法的說明圖，是燃料氣體消耗量相對于要求負荷的關系圖；
圖11B是相對于要求負荷的泵轉(zhuǎn)速控制特性圖；圖11C是相對于要求負荷的調(diào)節(jié)閥目標壓力控制特性圖；圖12是氫泵入口壓力、泵轉(zhuǎn)速、以及消耗動力的關系圖。
具體實施例方式
下面參照

用于實施本發(fā)明的最佳實施方式。
(原理說明)首先參照圖1和圖2說明本發(fā)明的工作原理。
如圖1所示，在本發(fā)明中形成有向燃料電池FC提供燃料氣體L的循環(huán)路徑R。在循環(huán)路徑R中設有使燃料氣體L強制循環(huán)的驅(qū)動裝置(氫泵)PM。循環(huán)路徑R的壓力p由壓力調(diào)節(jié)裝置(調(diào)節(jié)閥)RG來調(diào)節(jié)。于是，基于向燃料電池FC要求的發(fā)電功率(負荷)來確定驅(qū)動裝置PM的驅(qū)動特性，并根據(jù)所確定的驅(qū)動裝置PM的驅(qū)動特性來確定壓力調(diào)節(jié)裝置RG的壓力調(diào)節(jié)量以補償驅(qū)動量不足。
圖2A示出了燃料氣體消耗量相對于燃料電池的要求負荷的關系圖。在燃料電池中，由于發(fā)生水電解的逆反應，因此，向作為陰極的燃料極一側(cè)提供作為燃料氣體的氫氣，而向作為陽極的空氣極一側(cè)提供含有氧氣的空氣，并在燃料極一側(cè)發(fā)生式(1)所示的反應，在空氣極一側(cè)發(fā)生式(2)所示的反應，從而使電子循環(huán)，電流流動。
…(1)…(2)即，電子的生成量和氫氣的供應量相互對應，從而可預想到必須有圖2A所示的對應關系。
圖2B示出了驅(qū)動裝置PM的驅(qū)動特性的示例，圖2C示出了以補償該驅(qū)動裝置PM的驅(qū)動量不足的方式進行調(diào)節(jié)的壓力調(diào)節(jié)裝置RG的調(diào)節(jié)量的示例。以往燃料電池系統(tǒng)中的燃料量控制方法例如有圖2B和圖2C中基準值Pth以下區(qū)域的控制。即，循環(huán)路徑R的壓力p保持固定(圖2C)，主要通過驅(qū)動裝置PM的驅(qū)動量、例如氫泵的轉(zhuǎn)速的增減來應對燃料電池FC的負荷變動。
對此，在本發(fā)明的驅(qū)動方法中，推測在燃料電池FC中所要求的要求氣體量，并隨著所推測的要求氣體量的增加，升高使提供給燃料電池FC的燃料氣體循環(huán)的循環(huán)路徑R中的燃料氣體的壓力。即，根據(jù)發(fā)電功率是什么樣的值，在這里，根據(jù)發(fā)電功率是否大于基準值Pth，首先確定驅(qū)動裝置PM的驅(qū)動特性。
圖12示出了當作為燃料氣體的氫氣的循環(huán)量固定時氫泵入口壓力(即循環(huán)路徑的壓力對應值)和泵轉(zhuǎn)速(即驅(qū)動裝置的驅(qū)動量)及其消耗動力的關系。由圖12可知，循環(huán)路徑的壓力越高，作為驅(qū)動裝置的氫泵的轉(zhuǎn)速就越小，而氫泵的轉(zhuǎn)速越小，消耗動力也就有降低的傾向。
因此在本發(fā)明中，如圖2B所示，在高負荷區(qū)域?qū)Ⅱ?qū)動裝置PM的驅(qū)動量定為固定(例如氫泵的轉(zhuǎn)速固定)。即，由于當驅(qū)動裝置處于高驅(qū)動狀態(tài)(例如氫泵的轉(zhuǎn)速大)時消耗動力有增大的趨勢，因此，在高發(fā)電功率區(qū)域幾乎不會變成高驅(qū)動狀態(tài)。另一方面，當驅(qū)動裝置的驅(qū)動量受到抑制時，由于應該提供的燃料氣體的循環(huán)量受到抑制，因此必須進行補償。因此在本發(fā)明中，壓力調(diào)節(jié)裝置RG還要調(diào)節(jié)壓力以補償驅(qū)動裝置PM的驅(qū)動量的不足。即，如圖2C所示，按照壓力調(diào)節(jié)裝置RG的壓力對應發(fā)電功率的增加而上升的方式進行調(diào)節(jié)，以補償以固定量進行驅(qū)動的驅(qū)動裝置的驅(qū)動量不足。
具體來說，在發(fā)電功率高于基準值Pth的區(qū)域(Pth的右側(cè)區(qū)域)，與低于基準值Pth的區(qū)域(Pth的左側(cè)區(qū)域)相比，驅(qū)動裝置PM的驅(qū)動量的變化率有所下降(圖2B)。并且，在發(fā)電功率高于基準值Pth的區(qū)域(Pth的右側(cè)區(qū)域)，對應發(fā)電功率的變化來改變壓力調(diào)節(jié)裝置RG的壓力調(diào)節(jié)量(圖2C)。根據(jù)上述的控制方法，由于可基于發(fā)電功率的值來改變驅(qū)動裝置PM的工作狀態(tài)，因此，即使沒有極大地提高驅(qū)動裝置PM的驅(qū)動量和驅(qū)動能力，也可應對燃料電池FC的負荷變動，抑制驅(qū)動裝置PM的消耗動力，并能夠使驅(qū)動裝置PM小型化。
在這里，盡管切換控制狀態(tài)的發(fā)電功率的基準值Pth非常依賴于驅(qū)動裝置的驅(qū)動特性，但若通過驅(qū)動裝置PM的驅(qū)動來補償基準值以上的發(fā)電功率的增加部分，則設定為消耗動力急劇增加的值即可。
另外，如圖2C所示，在發(fā)電功率低于基準值Pth的區(qū)域(Pth的左側(cè)區(qū)域)中，將壓力調(diào)節(jié)裝置RG的壓力調(diào)節(jié)量控制在固定值P0以下。根據(jù)上述控制，可以防止燃料氣體向空氣極交叉泄漏(cross leak)。該值P0的大小程度為使得即使在燃料氣體的消耗量比較少的區(qū)域也不會產(chǎn)生燃料氣體的氣體泄漏。
但是，并不是一定要基于基準值來調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)量，單純根據(jù)燃料電池的負荷量來進行壓力調(diào)節(jié)也是完全可以的。下面說明第一實施方式中沒有基于基準值時的實施方式，并在第二實施方式及其以后說明利用基準值時的實施方式。
(第一實施方式)下面基于上述原理來說明具體的實施方式。本發(fā)明的實施方式是在安裝在電動汽車等移動體上的燃料電池系統(tǒng)中應用本發(fā)明的控制方法。圖3示出了本燃料電池系統(tǒng)的整體系統(tǒng)圖。以下的實施方式僅是本發(fā)明的一種方式，而本發(fā)明的適用范圍不限于此。
如圖3所示，該燃料電池系統(tǒng)包括用于向燃料電池組10提供作為燃料的氫氣的系統(tǒng)；用于提供空氣的系統(tǒng)；以及用于冷卻燃料電池組10的系統(tǒng)。
燃料電池組10具有層疊多個單元的堆棧構(gòu)造，所述單元由具有氫氣、空氣、冷卻液的流路的隔板和被一對隔板夾持的MEA(MembraneElectrodeAssembly，膜電極)構(gòu)成。MEA是燃料極和空氣極兩個電極夾持高分子電解質(zhì)膜的構(gòu)造。燃料極將燃料極用催化層設在多孔質(zhì)支撐層上，空氣層將空氣極用催化層設在多孔質(zhì)支撐層上。
按照從氫氣的供給源開始的順序，用于向燃料電池組10提供氫氣的系統(tǒng)包括了氫罐101、截止閥(shut valve)SV1、調(diào)節(jié)閥RG、截止閥SV2，在經(jīng)由燃料電池組10后還具有截止閥SV3、氣液分離器102和截止閥SV4、氫泵103、截止閥SV5、以及止回閥RV。調(diào)節(jié)閥(regulator)RG相當于本發(fā)明的壓力調(diào)節(jié)裝置，氫泵103相當于本發(fā)明的驅(qū)動裝置。本發(fā)明的循環(huán)路徑由經(jīng)由截止閥SV2、燃料電池組10、SV3、氣液分離器102、氫泵103、以及止回閥RV的路徑構(gòu)成。對調(diào)節(jié)閥RG的壓力調(diào)節(jié)量控制是通過控制部20對壓縮機202的驅(qū)動以及對截止閥SV6和SV7的操作來完成的。即，可通過打開截止閥SV6來使提供給調(diào)節(jié)閥RG的氣壓上升，并使提供給燃料電池的循環(huán)路徑的壓力上升。并且，可通過打開截止閥SV7來使提供給調(diào)節(jié)閥RG的氣壓下降，并使提供給燃料電池的循環(huán)路徑的壓力下降。這樣，可通過控制截止閥SV6和SV7來任意控制循環(huán)路徑的供給壓力。對氫泵103的驅(qū)動量控制是通過控制部20對氫泵103的驅(qū)動量控制來完成的。
氫罐101中充有高壓氫氣。由于本實施方式的氫供給源只要可以按照僅將調(diào)節(jié)閥RG的下游側(cè)維持在規(guī)定壓力的方式來提供作為燃料氣體的氫氣即可，因此可進行各種變更。即，可代替高壓氫罐而從下述結(jié)構(gòu)提供氫，所述結(jié)構(gòu)有使用了貯氫合金的氫罐、不具備貯氫功能的高壓氫罐、轉(zhuǎn)化氣體的供氫機構(gòu)、以及液氫罐。
來自氫罐101的氫氣首先通過截止閥SV1來選擇是否提供氫氣，然后以調(diào)節(jié)閥RG確定的壓力向下游釋放氫氣。調(diào)節(jié)閥RG的調(diào)節(jié)量、即壓力調(diào)節(jié)由空氣極一側(cè)的壓縮機202的運行狀態(tài)來確定。根據(jù)施加給調(diào)節(jié)閥RG的控制部的空氣壓力來設定調(diào)節(jié)閥RG下游的氣壓。截止閥SV2和SV3在燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電停止時或動作間歇時被阻斷，而在運行時開放。氣液分離器102將在正常運行時因燃料電池組10的電化學反應而產(chǎn)生的水分之外的雜質(zhì)從氫廢氣(off gas)中除去，并通過截止閥SV4排到外部。氫泵103基于控制部20的控制，使氫氣在氫氣的循環(huán)路徑中強制循環(huán)。截止閥SV5雖然在凈化時開放，但在正常運行狀態(tài)以及本發(fā)明的氣體泄漏判斷時被阻斷。止回閥RV防止氫氣的逆流。在圖中未示出的包括稀釋器的排氣系統(tǒng)中處理從截止閥SV5排出的氫廢氣。
用于向燃料電池組10提供空氣的系統(tǒng)包括空氣過濾器201、壓縮機202以及加濕器203等。空氣過濾器201將外部空氣凈化后取入到燃料電池系統(tǒng)中。壓縮機202在控制部20的控制下壓縮被取入的空氣，由此改變提供的空氣量和空氣壓力。加濕器203對被壓縮的空氣進行空氣廢氣和水分的交換，以增加適當?shù)臐穸?。由壓縮機202壓縮的空氣的一部分被提供給燃料系統(tǒng)，截止閥SV6和SV7之間的區(qū)間氣壓被施加給調(diào)節(jié)閥RG。從燃料電池組10排出的空氣廢氣被排出到圖中未示出的包括稀釋器的排氣系統(tǒng)中。
燃料電池組10的冷卻系統(tǒng)包括冷卻器11、風扇12以及冷卻泵13，用于將冷卻液循環(huán)提供給燃料電池組10的內(nèi)部。
控制部20是ECU(ElectricControlUnit，電子控制單元)等公知的計算機系統(tǒng)，圖中未示出的CPU(中央處理裝置)順次執(zhí)行存儲在圖中未示出的ROM等中的、用于實施本發(fā)明的軟件程序，由此可作為本發(fā)明的控制裝置來使該系統(tǒng)進行動作。即，根據(jù)在后面要進行說明的順序(圖4)，控制部20確定燃料電池組10的要求發(fā)電功率，并基于該要求發(fā)電功率來確定調(diào)節(jié)閥RG的壓力調(diào)節(jié)量，然后控制氫泵103的驅(qū)動量以補償該壓力調(diào)節(jié)量的不足部分。
下面參照圖4所示的流程說明本第一實施方式的動作。在該流程中實施本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的驅(qū)動方法。即，在該流程中，推測在燃料電池組10中所要求的要求氣體量，并隨著所推測的要求氣體量的增加，升高使提供給燃料電池組10的燃料氣體循環(huán)的循環(huán)路徑中的燃料氣體的壓力。在正常運行時，以適當間隔反復執(zhí)行該流程。
當該燃料電池系統(tǒng)正常運行時，控制部20對應規(guī)定的氫氣流量開放截止閥SV1，從而從氫罐101來提供氫氣。調(diào)節(jié)閥RG可根據(jù)下游側(cè)循環(huán)路徑的壓力施加給隔板的空氣壓力來進行調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)量根據(jù)由截止閥SV6和SV7控制的空氣壓力來確定。
提供給燃料電池組10的氫氣量由通過該調(diào)節(jié)閥RG的調(diào)節(jié)而確定的循環(huán)路徑的壓力和根據(jù)氫泵103的轉(zhuǎn)速而確定的循環(huán)量來確定。各個數(shù)值由如下說明的本發(fā)明的控制方法來確定。
首先，控制部20根據(jù)燃料電池系統(tǒng)中被要求的負荷量來計算燃料電池組10所要求的發(fā)電功率Pr(S1)。為了求出燃料電池的負荷，控制部20參照油門位置、換檔位置、以及制動位置來計算圖中未示出的動力馬達應該輸出的轉(zhuǎn)矩。另外，將圖中未示出的逆變器或變換器的功率損失或由配件消耗的功率等與馬達轉(zhuǎn)矩的負荷量相加，然后由控制部20確定系統(tǒng)整體所要求的要求發(fā)電功率Pr。
接著，控制部20如下所述來求調(diào)節(jié)閥RG應該調(diào)節(jié)的循環(huán)路徑中的目標壓力Prg。首先如圖5所示，當燃料電池的發(fā)電功率確定時，則以該發(fā)電功率發(fā)電所必需的氫氣的循環(huán)量也確定。在這里，控制部20參照燃料電池的要求發(fā)電功率Pr和氫氣循環(huán)量的關系表(例如圖5)來確定氫氣的要求循環(huán)量(S2)?？刂撇?0將如圖5所示的對應關系作為數(shù)據(jù)表進行保存。由于圖5所示的關系是比例關系，因此，也可以保存為關系式而非數(shù)據(jù)表，并通過計算來求循環(huán)量。
另外如圖6所示，若確定了目標循環(huán)量，則可對應氫泵的入口壓力來確定氫泵所必需的目標轉(zhuǎn)速。因此，控制部20參照壓力傳感器P3的檢測信號來測量氫泵103的入口壓力(S3)，然后控制部20根據(jù)所測量的氫泵103的入口壓力測量值和目標循環(huán)量，并參照例如表示圖6所示特性的數(shù)據(jù)表來求氫泵103所必需的目標轉(zhuǎn)速Np(S4)。如圖6所示的關系表是根據(jù)循環(huán)量而預備的。
在這里，當循環(huán)量確定時，理論上可根據(jù)圖7所示的關系確定氫泵入口壓力的目標值。但是，在從由調(diào)節(jié)閥RG調(diào)節(jié)的氫泵103出口附近到氫泵入口的實際的循環(huán)路徑中，會因流路阻力而產(chǎn)生壓力損失，因此，必須考慮該壓力損失來進行目標壓力控制。從而必須由調(diào)節(jié)閥RG調(diào)節(jié)的循環(huán)路徑的壓力是在氫泵的入口壓力上加上壓力損失而得到的值。
因此，為了求壓力損失，首先，控制部20參照對應圖7所示特性的關系表來求與在步驟2中得到的要求循環(huán)量相對應的氫泵103的入口壓力的目標值(理論值)。如圖8所示，當氫泵的入口壓力和循環(huán)量確定時，在氫泵103的出口到入口的循環(huán)路徑上產(chǎn)生的壓力損失也確定。因此，控制部20根據(jù)氫泵103的入口壓力目標值和要求循環(huán)量，并參照與圖8所示特性相對應的關系表，根據(jù)氫泵103的入口壓力目標值來求在該要求循環(huán)量下產(chǎn)生的壓力損失(S5)。
將壓力損失和氫泵的入口壓力相加所得到的數(shù)值就是應該由調(diào)節(jié)閥RG調(diào)節(jié)的目標壓力Prg。因此，控制部20將氫泵103的入口壓力目標值和該壓力損失推測值相加所得到的數(shù)值作為目標壓力Prg(S6)。
控制部20將以步驟S4中所求得的目標轉(zhuǎn)速Np進行驅(qū)動的驅(qū)動信號輸出給氫泵103，并控制截止閥SV6和SV7，使得由調(diào)節(jié)閥RG調(diào)節(jié)的循環(huán)路徑的壓力成為目標壓力Prg。
在這里，當負荷發(fā)生變動從而應該由燃料電池組10發(fā)電的要求發(fā)電功率產(chǎn)生變化時，若循環(huán)路徑的壓力沒有改變，則必須通過增減氫泵103的循環(huán)量來調(diào)節(jié)該發(fā)電功率的變動部分。特別是當氫泵的轉(zhuǎn)速增大時，消耗功率最好不增加。對于這一點，根據(jù)本發(fā)明，當產(chǎn)生負荷變動時，由于不是通過改變氫泵的轉(zhuǎn)速，而是通過改變由調(diào)節(jié)閥RG調(diào)節(jié)的目標壓力Prg來進行應付，因此可防止氫泵的消耗動力增大。
即，當壓力比已通過上次處理進行了調(diào)節(jié)的目標壓力Prg有所增加時(S8是)，控制部20調(diào)節(jié)截止閥SV6和SV7，使得由調(diào)節(jié)閥RG調(diào)節(jié)的目標壓力Prg朝著步驟S6中求得的新的目標壓力方向增加(S9)。
另一方面，當壓力比已通過上次處理進行了調(diào)節(jié)的目標壓力Prg有所減少時(S8否；S10是)，控制部20調(diào)節(jié)截止閥SV6和SV7，使得由調(diào)節(jié)閥RG調(diào)節(jié)的目標壓力Prg朝著步驟S6中求得的新的目標壓力方向減少(S11)。
另外，當已根據(jù)上次處理進行了調(diào)節(jié)的目標壓力Prg中沒有變動時(S8否；S10否)，特別是由于不需要更新新的控制信號，因此，控制部20不進行任何動作。
控制部20參照壓力傳感器p2檢測的循環(huán)路徑的實際壓力進行反饋控制，使得維持在設定的目標壓力Prg。
以上根據(jù)本第一實施方式，對應于與要求發(fā)電功率Pr的變動相伴的要求氣體量(循環(huán)量)的變化來控制循環(huán)路徑的目標壓力，因此，不必通過氫泵103的轉(zhuǎn)速控制對負荷變動進行補償，從而能夠抑制消耗動力的變動。
特別是當循環(huán)量增大時，由于能夠在不增加氫泵轉(zhuǎn)速的情況下來應付負荷變動，因此，可以抑制消耗動力，從而提高整體的發(fā)電效率。另外，由于能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速維持得較小，因此，可將氫泵小型化，從而能夠使燃料系統(tǒng)整體緊湊化。
(第二實施方式)
本發(fā)明第二實施方式具有與上述第一實施方式相同的燃料電池系統(tǒng)，其涉及的是根據(jù)要求輸出是否大于基準值來改變系統(tǒng)控制。圖9示出了說明本第二實施方式的動作流程。
首先，和第一實施方式相同的是，控制部20根據(jù)燃料電池系統(tǒng)所要求的負荷量來計算燃料電池組10所要求的發(fā)電功率Pr(S21)。
接著，控制部20對該要求發(fā)電功率Pr和圖2所示的基準值Pth進行比較(S22)。當要求發(fā)電功率Pr小于基準值Pth時，即使通過氫泵103來應付負荷變動，也不會產(chǎn)生明顯的消耗功率的增大。因此，控制部20將調(diào)節(jié)閥RG的目標壓力Prg固定為當要求發(fā)電功率Pr為基準值Pth時的適當壓力Pf并進行維持(S23)。
以和第一實施方式相同的順序計算氫泵103的轉(zhuǎn)速。首先，若確定了循環(huán)路徑的目標壓力，則根據(jù)該壓力下的燃料電池的要求發(fā)電功率Pr和氫泵103所需的循環(huán)量之間的關系(例如圖5)來確定目標循環(huán)量(S24)。
接著，由于如圖7所示，氫泵103的入口壓力的目標值相對于所確定的循環(huán)量唯一確定，因此，控制部20根據(jù)表示這種關系的數(shù)據(jù)表或關系式來確定氫泵103的入口壓力目標值(S25)。然后，控制部20根據(jù)所求得的氫泵103的入口壓力和循環(huán)量，并參照例如表示圖6所示特性的數(shù)據(jù)表來求氫泵103所需的目標轉(zhuǎn)速Np(S26)。
在根據(jù)上述處理將循環(huán)路徑的目標壓力Prg確定為固定值Pf之后，對應此時的要求發(fā)電功率Pr來求氫泵103所要求的轉(zhuǎn)速Np?？刂撇?0更新控制信號，使得以該目標轉(zhuǎn)速Np和循環(huán)路徑的目標壓力Pf來驅(qū)動系統(tǒng)(S40)。通過上述處理，在圖2A～圖2C的基準值Pth的左側(cè)區(qū)域?qū)υ撊剂想姵叵到y(tǒng)進行控制。
另外，在步驟S22中，當對燃料電池的要求發(fā)電功率Pr和基準值Pth的比較結(jié)果是要求發(fā)電功率Pr大于等于基準值Pth時(否)，若進一步提高氫泵103的轉(zhuǎn)速，則消耗功率可能會明顯增大。因此，控制部20將氫泵轉(zhuǎn)速Np固定為要求發(fā)電功率Pth的適當轉(zhuǎn)速Nf，以代替調(diào)節(jié)閥RG的目標壓力(S30)。接著，根據(jù)要求發(fā)電功率Pr的變化來推測調(diào)節(jié)閥RG的目標壓力Prg。
首先，根據(jù)燃料電池的要求發(fā)電功率Pr和氫泵103所需的循環(huán)量之間的關系(圖5)來確定必需的循環(huán)量(S31)。接著，根據(jù)所確定的泵轉(zhuǎn)速Nf和求得的所需循環(huán)量，并參照圖6所示的關系表來推測氫泵103的入口壓力(S32)。由于當氫泵103的入口壓力和必需的循環(huán)量確定時，從燃料電池組10入口到氫泵103入口的壓力損失例如可根據(jù)圖8所示的關系來確定(S33)，因此，控制部20將氫泵103的入口壓力和該壓力損失推測值相加所得到的數(shù)值作為目標壓力Prg而計算出來(S34)。
控制部20更新控制信號，使得將循環(huán)路徑的壓力維持為根據(jù)上述處理而求得的目標壓力Prg，并使氫泵103以所確定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)(S40)。即，控制部20對控制閥SV7和SV6進行控制，使得調(diào)節(jié)壓力成為所推測的目標壓力Prg，由此來改變空氣壓力以使得調(diào)節(jié)閥RG的調(diào)節(jié)量為目標壓力Prg。參照壓力傳感器p2的檢測值等，若達到目標壓力，則控制部20阻斷截止閥SV6。通過該動作，循環(huán)路徑的壓力變成目標壓力Prg。另外，控制部20向氫泵103輸出使氫泵103的轉(zhuǎn)速變成固定值轉(zhuǎn)速Nf的驅(qū)動信號。通過上述處理，在圖2A～圖2C的基準值Pth的右側(cè)區(qū)域?qū)υ撊剂想姵叵到y(tǒng)進行控制。
以上根據(jù)該第二實施方式，由于在要求發(fā)電功率Pr大于等于基準值Pth的區(qū)域中，沒有提高氫泵103的轉(zhuǎn)速而是使其固定，且對應負荷變動來改變循環(huán)路徑的壓力，因此，可在沒有隨泵轉(zhuǎn)速的增大而發(fā)生消耗動力的顯著增大的情況下運行燃料電池系統(tǒng)，從而可提高整體的發(fā)電效率。另外，由于能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速維持得較小，因此，可將氫泵小型化，從而能夠使燃料系統(tǒng)整體緊湊化。
另外，在要求發(fā)電功率Pr小于基準值Pth的區(qū)域中，由于固定循環(huán)路徑的壓力，并僅以氫泵103的轉(zhuǎn)速來對應負荷變動，因此容易進行控制。即，當要求發(fā)電功率和循環(huán)量降低時，進行控制以使得轉(zhuǎn)速也相應地降低，因此，可以根據(jù)系統(tǒng)的負荷狀態(tài)合理地降低消耗動力，從而能夠提高系統(tǒng)整體的發(fā)電效率。
(第三實施方式)本發(fā)明的第三實施方式涉及的是在與上述第二實施方式相同的燃料電池系統(tǒng)控制方法中，控制部對調(diào)節(jié)閥RG的目標壓力Prg和氫泵的轉(zhuǎn)速Np的控制方法的變形例。
在本第三實施方式中，當燃料電池所要求的要求發(fā)電功率Pr和燃料氣體的消耗量如圖10A所示相對應時，以圖10B所示特性改變氫泵103的轉(zhuǎn)速，并以圖10C所示特性改變調(diào)節(jié)閥RG的目標壓力。特別是當要求發(fā)電功率Pr大于等于基準值Pth時，雖然在上述第一實施方式中將氫泵的轉(zhuǎn)速設為固定值Nf，但在該第二實施方式中，特征在于不是固定值Nf，而是代之以單調(diào)上升(fp1)或單調(diào)減少(fp1)。
即，雖然當氫泵的轉(zhuǎn)速增大時消耗動力激增，但當基準值Pth上的氫泵轉(zhuǎn)速變成所述傾向之前還有余量時，可以不將轉(zhuǎn)速迅速設成固定值。這種情況下，可以使轉(zhuǎn)速緩慢上升(fp1)。此時，根據(jù)圖9所示流程，調(diào)節(jié)閥RG的目標壓力Prg根據(jù)要求發(fā)電功率Pr來改變壓力，以便對與氫泵轉(zhuǎn)速的緩慢的上升率相對應的循環(huán)量不足部分進行補償(圖10C、fv1)。該變化曲線的斜度比上述第二實施方式要緩和。
另一方面，也可以進行控制以使得氫泵轉(zhuǎn)速在基準值Pth達到峰值，從而使得轉(zhuǎn)速隨著要求發(fā)電功率Pr的增大而減小(fp2)。此時，調(diào)節(jié)閥RG的目標壓力Prg根據(jù)要求發(fā)電功率Pr來改變壓力，以便對與有減少傾向的氫泵轉(zhuǎn)速的減小相對應的循環(huán)量不足部分進行補償(圖10C、fv2)。當然，該變化曲線的斜度要大于使氫泵轉(zhuǎn)速上升時的壓力特性fv1和上述第二實施方式。
如本第三實施方式所示，通過改變氫泵的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)閥的目標壓力雙方，而不是固定其中一方，也可以發(fā)揮本發(fā)明的作用效果。
(第四實施方式)本發(fā)明的第四實施方式涉及的是在和上述第二實施方式相同的燃料電池系統(tǒng)控制方法中，控制閥RG的目標壓力Prg和氫泵的轉(zhuǎn)速Np的控制方法的另一變形例。
在本第四實施方式中，當燃料電池中被要求的要求發(fā)電功率Pr和燃料氣體的消耗量如圖11A所示相對應時，以圖11B所示特性改變氫泵103的轉(zhuǎn)速，并以圖11C所示特性改變調(diào)節(jié)閥RG的目標壓力。其特征特別在于，要求發(fā)電功率Pr以基準值Pth為基準，泵轉(zhuǎn)速和目標壓力的變化不是非連續(xù)性變化，而是像漸近線一樣沒有非連續(xù)點地緩慢變化。
即，如圖11B、fp3所示，當達到要求發(fā)電功率Pr的基準值Pth時，控制部20將氫泵的轉(zhuǎn)速緩慢地收斂到固定值。此時，循環(huán)路徑的目標壓力Prg通過圖9所示的流程進行改變，以便對因緩慢收斂的氫泵轉(zhuǎn)速的變化而引起的循環(huán)量不足部分進行補償(圖11C、fv3)。
這樣，根據(jù)本第四實施方式，不使氫泵的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)閥的目標壓力中的一個非連續(xù)地成為固定值，而是可以使其緩慢改變并收斂，從而可根據(jù)該方法發(fā)揮本發(fā)明的作用效果。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)配有使燃料氣體循環(huán)來進行發(fā)電的燃料電池，其特征在于，包括提供所述燃料氣體的燃料氣體供給源；使提供給所述燃料電池的燃料氣體循環(huán)的循環(huán)路徑；設置在所述循環(huán)路徑中，用于使所述燃料氣體循環(huán)的驅(qū)動裝置；以及設置在所述燃料氣體供給源和所述循環(huán)路徑之間，將所述循環(huán)路徑中的燃料氣體的壓力調(diào)節(jié)到規(guī)定壓力的壓力調(diào)節(jié)裝置；其中，所述壓力調(diào)節(jié)裝置隨所述燃料電池中所要求的要求氣體量的增加，使所述循環(huán)路徑的燃料氣體的壓力上升。
2.一種燃料電池系統(tǒng)，包括使燃料氣體循環(huán)來進行發(fā)電的燃料電池；向所述燃料電池提供所述燃料氣體的燃料氣體供給源；使提供給所述燃料電池的燃料氣體循環(huán)的循環(huán)路徑；設置在所述循環(huán)路徑中，用于使所述燃料氣體循環(huán)的驅(qū)動裝置；以及設置在所述燃料氣體供給源和所述循環(huán)路徑之間，將所述循環(huán)路徑中的燃料氣體的壓力調(diào)節(jié)到規(guī)定壓力的壓力調(diào)節(jié)裝置；其中，所述壓力調(diào)節(jié)裝置隨所述燃料電池中所要求的要求氣體量的增加，使所述循環(huán)路徑的燃料氣體的壓力上升，并且，對所述驅(qū)動裝置的驅(qū)動量進行抑制。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，至少在要求氣體量高于基準值的區(qū)域中，對應所述要求氣體量的變化來改變所述壓力調(diào)節(jié)裝置的壓力調(diào)節(jié)量。
4.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述要求氣體量高于基準值的區(qū)域中，使得所述驅(qū)動裝置的驅(qū)動量的變化率與低于所述基準值的區(qū)域相比而降低。
5.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述要求氣體量低于基準值的區(qū)域中，所述壓力調(diào)節(jié)裝置的壓力調(diào)節(jié)量保持在固定值以下。
6.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，根據(jù)所述要求氣體量和所述循環(huán)路徑內(nèi)的壓力的測量值來控制所述驅(qū)動裝置。
7.一種燃料電池系統(tǒng)的驅(qū)動方法，所述燃料電池系統(tǒng)具有使燃料氣體循環(huán)來進行發(fā)電的燃料電池，所述方法包括下述步驟推測所述燃料電池所要求的要求氣體量的步驟；和隨著所推測的所述要求氣體量的增加，使循環(huán)路徑中的燃料氣體的壓力上升的步驟，其中所述循環(huán)路徑使提供給所述燃料電池的燃料氣體循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種發(fā)電效率高、驅(qū)動裝置小型化的燃料電池系統(tǒng)。本發(fā)明是具有使燃料氣體循環(huán)來進行發(fā)電的燃料電池(FC)的燃料電池系統(tǒng)，包括使燃料氣體循環(huán)的循環(huán)路徑(R)；設在循環(huán)路徑(R)中，并用于使燃料氣體循環(huán)的驅(qū)動裝置(PM)；以及調(diào)節(jié)循環(huán)路徑(R)中的燃料氣體壓力的壓力調(diào)節(jié)裝置(RG)。并且，根據(jù)燃料電池(FC)所要求的發(fā)電功率來確定驅(qū)動裝置(PM)的驅(qū)動特性，并確定壓力調(diào)節(jié)裝置(RG)的壓力調(diào)節(jié)量，使得補償基于所確定的驅(qū)動裝置(PM)的驅(qū)動特性的驅(qū)動量不足。
文檔編號H01M8/04GK1910780SQ200580002908
公開日2007年2月7日 申請日期2005年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月22日
發(fā)明者吉田尚弘 申請人:豐田自動車株式會社