專利名稱：燃料電池系統(tǒng)以及殘留燃料氣體的去除方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，特別涉及通過發(fā)電而將運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)的殘留在燃料電池內(nèi)以及氣體配管內(nèi)的剩余的燃料氣體消耗掉的燃料電池系統(tǒng)的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
以往，開發(fā)出了由燃料電池發(fā)電而使運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)殘留在配管內(nèi)的氫氣消耗掉的燃料電池系統(tǒng)。例如在特開2001-229951號(hào)公報(bào)中，公開了移動(dòng)體用燃料電池系統(tǒng)其根據(jù)蓄電池的充電狀態(tài)，可對(duì)使由殘留氫氣發(fā)電的電力向蓄電池的充電和向放電電阻電路的放電進(jìn)行切換。
具體地說，在剩余電力為可以向蓄電池充電的程度的電壓而且蓄電池沒有達(dá)到過充電的條件下，將剩余電力充入蓄電池；在蓄電池充滿電時(shí)或剩余電力沒有達(dá)到可以充電的程度的電壓的條件下，使剩余電力在放電電阻電路中放電。
根據(jù)該公開技術(shù)，通過在系統(tǒng)停止時(shí)切換蓄電池的充電狀態(tài)和向放電電阻電路的放電，可以改善能量效率并迅速降低殘留氫氣濃度。
但是，在上述以往的技術(shù)中，由于由燃料電池發(fā)電的剩余電力的值保持為一定值，因此根據(jù)消耗剩余電力的構(gòu)成要素的狀態(tài)不同有時(shí)會(huì)產(chǎn)生問題。例如，在消耗電力的裝置為電動(dòng)機(jī)類時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)類具有NV要求等的制約，因此會(huì)有無法消耗不能向蓄電池充電的殘余的電力的可能性。在這樣的情況下，可向蓄電池充電以及由電動(dòng)機(jī)類消耗的電力的合計(jì)不是一定值，結(jié)果所發(fā)電的電力下降，無法短時(shí)間內(nèi)處理殘留的氫氣。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的在于提供一種即使在消耗剩余電力的裝置被限制的情況也可以迅速去除殘留的氫氣的燃料電池系統(tǒng)。
為解決上述課題，本發(fā)明是使運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)殘留的燃料氣體減少的燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)將所述殘留的燃料氣體供給燃料電池，并使消耗裝置消耗由該燃料電池的發(fā)電所產(chǎn)生的剩余電力的至少一部分，其中，燃料電池系統(tǒng)被構(gòu)成為能夠基于系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)而改變?nèi)剂想姵氐陌l(fā)電狀態(tài)。
另外，本發(fā)明包括將運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)殘留的燃料氣體供給燃料電池的裝置；消耗由該燃料電池的發(fā)電所發(fā)生的剩余電力的至少一部分的消耗裝置；檢測(cè)該系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的裝置；和基于所檢測(cè)到的該運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來改變?nèi)剂想姵氐陌l(fā)電狀態(tài)的裝置。
進(jìn)而，本發(fā)明是使運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)殘留的燃料氣體減少的去除燃料電池系統(tǒng)中的殘留燃料氣體的方法，包括將運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)殘留的燃料氣體供給燃料電池的步驟；通過消耗裝置消耗由該燃料電池的發(fā)電所發(fā)生的剩余電力的至少一部分的步驟；檢測(cè)該系統(tǒng)中的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的步驟；和基于所檢測(cè)到的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來改變?nèi)剂想姵氐陌l(fā)電狀態(tài)的步驟。
根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)，可以通過消耗裝置將燃料電池利用殘留的燃料氣體發(fā)電的剩余電力的至少一部分消耗掉。另外，由于相應(yīng)于系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)而改變?nèi)剂想姵氐陌l(fā)電狀態(tài)，因此可以不選擇消耗裝置或其狀態(tài)地消耗殘留的燃料氣體，可以擴(kuò)大消耗控制區(qū)域。
這里，所謂“運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)”，指的是燃料電池的發(fā)電(運(yùn)轉(zhuǎn))停止的情況，但也包括在燃料電池的運(yùn)轉(zhuǎn)中有運(yùn)轉(zhuǎn)停止要求而暫時(shí)停止的情況。
所謂“燃料氣體”狹義上意味著氫氣，但在下面也包括作為氧源的氧化氣體，例如空氣。
另外，所謂“殘留的燃料氣體”，指的是在上述運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)在燃料氣體的供給被停止時(shí)以及之后，在燃料電池內(nèi)部(例如電池組的流路等)或與燃料電池相連接的燃料氣體供給配管(管道)內(nèi)的燃料氣體。
另外所謂“燃料電池系統(tǒng)”或“系統(tǒng)”，是用于使燃料電池運(yùn)轉(zhuǎn)的構(gòu)成裝置，包括例如燃料電池(例如燃料電池組)，向燃料電池提供燃料氣體的燃料氣體供給配管及其輔機(jī)(泵等)，向燃料電池提供氧化氣體的氧化氣體供給配管及其輔機(jī)(壓縮機(jī)等)，冷卻燃料電池的冷卻裝置(例如冷卻液泵、冷卻風(fēng)扇)，對(duì)來自燃料電池的電能進(jìn)行儲(chǔ)存放電的電力系統(tǒng)裝置(二次電池、電容器、電壓轉(zhuǎn)換裝置(轉(zhuǎn)換器/變壓器、變頻器))等。
所謂“至少一部分”，包括除了由消耗裝置所消耗以外的殘余的電力由例如二次電池所蓄積的情況。
另外，作為上述“消耗裝置”，可以考慮各種裝置，即使有時(shí)在使用上會(huì)產(chǎn)生限制，但由于根據(jù)本發(fā)明可以實(shí)施燃料氣體的消耗控制，因此可以使用各種消耗裝置。例如，除了電阻電路，可以使用壓縮機(jī)或泵、牽引電機(jī)、輔助電動(dòng)機(jī)等電動(dòng)機(jī)類。也可以將二次電池考慮為一種消耗裝置。
另外，所謂“系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)”，包括構(gòu)成該系統(tǒng)的如上所述的構(gòu)成裝置中的各種物理量(如果是氣體則為氣體的溫度、流量、壓力等，如果是輔機(jī)類則為轉(zhuǎn)速、消耗功率等，如果是冷卻裝置則為泵轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度等，如果是電力系統(tǒng)裝置則為電力、電流、電壓、溫度等)。
另外，作為“燃料電池的發(fā)電狀態(tài)”，在作為輸出側(cè)而理解時(shí)包括發(fā)電電力(發(fā)電輸出功率)、發(fā)電電流、發(fā)電電壓等要素，另外在作為輸入側(cè)而理解時(shí)也包括通過改變?nèi)剂蠚怏w或氧化氣體的供給量、與該供給量具有相關(guān)關(guān)系的輔機(jī)或閥類的動(dòng)作狀態(tài)而結(jié)果對(duì)發(fā)電產(chǎn)生影響的要素。
例如，要改變?nèi)剂想姵氐陌l(fā)電狀態(tài)，作為系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，優(yōu)選為上述系統(tǒng)中的限制狀態(tài)。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，發(fā)電電力僅在有限制狀態(tài)時(shí)受到抑制，因此可以確保作為整體的最大限度的發(fā)電容量，可以縮短殘留的燃料氣體的消耗時(shí)間。
例如，優(yōu)選地，上述消耗裝置，是向燃料電池供給燃料氣體的驅(qū)動(dòng)裝置；基于由驅(qū)動(dòng)裝置供給的燃料氣體的供給量的變化和由該驅(qū)動(dòng)裝置消耗的電力，來改變由燃料電池發(fā)電的電力。該驅(qū)動(dòng)裝置與其特性相對(duì)應(yīng)地具有最大電流等限制，但根據(jù)本發(fā)明可以檢測(cè)出該限制，從而與可以由驅(qū)動(dòng)裝置消耗的電力量相應(yīng)地使發(fā)電電力改變。
另外“電力的改變”并不一定意味著電力值改變。在電力值本身沒有變化而是電流值和電壓值產(chǎn)生變化時(shí)也可以認(rèn)為是本發(fā)明的電力的改變。
另外優(yōu)選基于改變后的發(fā)電電力值來改變向燃料電池供給燃料氣體的驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)量。在由燃料電池發(fā)電的電力量改變時(shí)，需要以在燃料電池中以改變后的發(fā)電電力進(jìn)行發(fā)電的方式進(jìn)行控制，而根據(jù)本發(fā)明，由于驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)量得到調(diào)整，因此可以進(jìn)行發(fā)電電力的調(diào)整。
這里由消耗裝置消耗的電力優(yōu)選為，在由燃料電池發(fā)電的剩余電力中，能夠向蓄電裝置充電的電力以外的電力。這是由于如果可以使殘留的燃料氣體向蓄電裝置充電，則預(yù)先充電，這在有效利用燃料氣體的方面是優(yōu)選的。在不能向蓄電裝置充電時(shí)，優(yōu)選由消耗裝置消耗，實(shí)施本發(fā)明的電力限制處理。
另外本發(fā)明，通過由燃料電池進(jìn)行發(fā)電，在殘留的燃料氣體的壓力變?yōu)橐?guī)定值或以下時(shí)，進(jìn)行正常結(jié)束處理。所謂殘留的燃料氣體的壓力變?yōu)橐?guī)定值或以下，意思是殘留的燃料氣體被充分消耗掉。因此在燃料氣體被充分消耗掉時(shí)便達(dá)到了預(yù)期的目的，因此使系統(tǒng)正常地結(jié)束。例如，使由燃料電池進(jìn)行的發(fā)電停止，并停止由消耗裝置進(jìn)行的電力消耗。
另外本發(fā)明，在殘留的燃料氣體的壓力經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后也沒有變?yōu)橐?guī)定值或以下時(shí)進(jìn)行異常結(jié)束處理。由于在殘留的燃料氣體的壓力長(zhǎng)時(shí)間沒有下降時(shí)，可以考慮產(chǎn)生了某種系統(tǒng)異常，因此進(jìn)行異常結(jié)束。例如可以考慮進(jìn)行使燃料電池停止的控制，并將為異常的情況報(bào)告給用戶。
作為本發(fā)明的限制狀態(tài)的具體例子，在具備蓄電裝置時(shí)，可以考慮將限制狀態(tài)設(shè)為向蓄電裝置的充電電流的限制狀態(tài)。根據(jù)該系統(tǒng)，由于作為限制狀態(tài)，考慮朝向蓄電裝置的充電限制，因此可以保護(hù)蓄電裝置不會(huì)過充電，或保護(hù)向蓄電裝置提供電力(電流)的電壓轉(zhuǎn)換裝置。
另外，所謂蓄電裝置的限制狀態(tài)，意思是可充電殘余量、蓄電裝置的溫度、劣化狀態(tài)等與阻礙蓄電功能的主要原因有關(guān)的物理量。
另外作為其他的限制狀態(tài)的具體例子，在具備電壓轉(zhuǎn)換裝置時(shí)，可以考慮將限制狀態(tài)設(shè)為基于電壓轉(zhuǎn)換裝置的溫度的限制狀態(tài)。根據(jù)該系統(tǒng)，由于作為限制狀態(tài)，考慮電壓轉(zhuǎn)換裝置的溫度，因此可以限制電壓轉(zhuǎn)換裝置的通過電力過多而過量地發(fā)熱的情況，因此可以保護(hù)構(gòu)成電壓轉(zhuǎn)換裝置的元件。
作為又一其他的限制狀態(tài)的具體例子，可以考慮將限制狀態(tài)設(shè)為基于燃料電池的內(nèi)部溫度的限制狀態(tài)。根據(jù)該系統(tǒng)，由于作為限制狀態(tài)，考慮燃料電池的內(nèi)部溫度，因此可以保護(hù)燃料電池內(nèi)的電解膜不會(huì)過量的發(fā)熱。
作為又一其他的限制狀態(tài)的具體例子，可以考慮將限制狀態(tài)設(shè)為基于燃料電池的發(fā)電電壓的限制狀態(tài)。根據(jù)該系統(tǒng)，由于作為限制狀態(tài)，考慮燃料電池的發(fā)電電壓，因此在構(gòu)成燃料電池的單格電池的發(fā)電電壓降低時(shí)，可以避免過量的發(fā)電，保護(hù)單格電池(單體電池)的電解質(zhì)膜。
作為又一其他的限制狀態(tài)的具體例子，在具備向燃料電池提供氧化氣體的壓縮機(jī)時(shí)，可以考慮將限制狀態(tài)設(shè)為對(duì)由壓縮機(jī)所提供的氧化氣體的量的限制狀態(tài)。根據(jù)該系統(tǒng)，由于作為限制狀態(tài)，考慮壓縮機(jī)所提供的氧化氣體的量，因此可以避免由過量的氧化氣體的供給造成的燃料電池內(nèi)的單格電池的過度干燥，以維持單格電池的耐久性。


圖1是根據(jù)本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的框圖；圖2是說明根據(jù)本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的電流消耗方法的流程圖；圖3是燃料電池的I-V特性與發(fā)電電力的關(guān)系圖；圖4是轉(zhuǎn)換器的輸出特性圖；圖5是本發(fā)明的功能框圖。
具體實(shí)施例方式
接下來參照附圖對(duì)用于實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施方式進(jìn)行說明。
本發(fā)明的實(shí)施方式，在電動(dòng)汽車等移動(dòng)體上所安裝的燃料電池系統(tǒng)中使用了本發(fā)明的電力限制處理方法。另外，下面的實(shí)施方式只不過是本發(fā)明的一個(gè)方式，本發(fā)明并不局限于此。
圖5表示本發(fā)明的功能框圖。如圖5所示，本發(fā)明，是通過燃料電池6使運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)殘留的燃料氣體發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)1，它是使由燃料電池6的發(fā)電所產(chǎn)生的剩余電力的至少一部分由消耗裝置3消耗掉的燃料電池系統(tǒng)，其中，在由消耗裝置3進(jìn)行消耗時(shí)，檢測(cè)該系統(tǒng)1的限制狀態(tài)，并基于檢測(cè)出的限制狀態(tài)而通過燃料電池6的發(fā)電狀態(tài)來改變所發(fā)電的電力。
如果更一般地講，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)1包括將運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)殘留的燃料氣體提供給至燃料電池6的裝置2，消耗由燃料電池6的發(fā)電所產(chǎn)生的剩余電力的至少一部分的消耗裝置3，檢測(cè)系統(tǒng)1的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的裝置4，和基于所檢測(cè)到的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來改變?nèi)剂想姵氐陌l(fā)電狀態(tài)的裝置5。這些功能塊在例如下面的燃料電池系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。
在圖1中表示本燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)整體圖。如圖1所示，包括氣體流通系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。氣體流通系統(tǒng)構(gòu)成為包括用于向燃料電池組10提供氫氣的系統(tǒng)，用于提供作為氧源的空氣的系統(tǒng)，和用于冷卻燃料電池組10的系統(tǒng)。
燃料電池組10具備將單格電池層疊多層而成的組構(gòu)造，所述單格電池包括具有氫氣、空氣、冷卻水的流路的隔離件(隔板)，和被一對(duì)隔離件所夾著的MEA(Membrane Electrode Assembly，膜電極組件)。MEA制成將高分子電解質(zhì)膜夾在燃料極和空氣極這2個(gè)電極之間的構(gòu)造。燃料極將燃料極用催化劑層設(shè)置在多孔支撐層上，空氣極將空氣極用催化劑層設(shè)置在多孔支撐層上。燃料電池為了進(jìn)行水的電解的逆反應(yīng)，而在作為陰極(cathode)的燃料極側(cè)從氫氣供給路徑提供氫氣，在作為陽(yáng)極(anode)的空氣極側(cè)提供包含氧氣的氣體(空氣)。在燃料極側(cè)進(jìn)行式(1)那樣的反應(yīng)，在空氣極側(cè)進(jìn)行式(2)那樣的反應(yīng)，從而使電子循環(huán)而產(chǎn)生電流流動(dòng)。
…(1)…(2)從上述(1)、(2)式可知，不但氫氣，空氣也是發(fā)電所必須的燃料氣體。
作為氫氣供給系統(tǒng)，在從氫燃料箱11到燃料電池組10的氫氣供給路徑上，具備初級(jí)閥(元弁)SV1，相當(dāng)于本發(fā)明的壓力調(diào)整裝置的調(diào)壓閥RG，以及燃料電池入口截止閥SV2。另外，在從燃料電池組10出口開始的循環(huán)路徑上，具備燃料電池出口截止閥SV3，氣液分離機(jī)12和截止閥SV4，氫氣泵13，以及單向閥RV。在氫氣泵13的下游側(cè)連接有氫氣廢氣的排出路徑，在排出路徑上設(shè)置有放氣截止閥SV5。
另外，在該實(shí)施方式中氫氣供給系統(tǒng)具備循環(huán)路徑，但也可以不具備循環(huán)路徑。另外循環(huán)路徑也可以連接在調(diào)壓閥RG的上游側(cè)。進(jìn)而還可以具備儲(chǔ)存燃料電池組10所消耗不了的氫氣的回收槽。
在氫燃料箱11中充滿高壓的氫氣。作為氫燃料箱()除了高壓氫燃料箱，還可以應(yīng)用使用了氫吸留合金的氫燃料箱、由改性氣體實(shí)現(xiàn)的氫氣供給機(jī)構(gòu)、液態(tài)氫燃料箱、液化燃料箱等各種氫燃料箱(槽，タンク)。初級(jí)閥SV1通過控制部20的控制信號(hào)來控制開閉，選擇是否使氫氣向供給路徑流出。
調(diào)壓閥RG將循環(huán)路徑的氫氣供給壓力維持在所希望的壓力。燃料電池入口截止閥SV2，在通過本發(fā)明的動(dòng)作將在燃料電池的發(fā)電停止時(shí)等情況下殘留在循環(huán)路徑內(nèi)的氫氣消耗掉后，基于控制部20的控制信號(hào)而被關(guān)閉。氣液分離器12，將在通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由燃料電池組10的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水分及其它雜質(zhì)從氫氣廢氣中去除，并通過截止閥SV4而放出到外部。氫氣泵13，基于控制部20的控制信號(hào)而使循環(huán)路徑中的氫氣強(qiáng)制循環(huán)。該氫氣泵13是該燃料電池系統(tǒng)的消耗裝置的一部分，并以在本發(fā)明的氫氣消耗控制時(shí)使氫氣循環(huán)而加速氫氣的消耗的方式工作。排氣截止閥SV5，連接在循環(huán)路徑上并在排氣時(shí)開放，除此之外，在發(fā)電停止時(shí)使無法提供給燃料電池10的發(fā)電的氫氣的一部分排出。從排氣截止閥SV5排出的氫氣廢氣提供給圖未示的稀釋器，由空氣廢氣進(jìn)行稀釋。
溫度傳感器ts檢測(cè)燃料電池組10的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度，壓力傳感器ps檢測(cè)燃料電池組10的內(nèi)的氫氣供給壓力，并分別將檢測(cè)信號(hào)輸出給控制部20。
作為空氣供給系統(tǒng)，包括空氣濾清器21、壓縮機(jī)22和加濕器23。空氣濾清器21將大氣凈化并引入燃料電池系統(tǒng)。壓縮機(jī)22，是本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的消耗裝置的一部分，基于控制部20的控制信號(hào)而對(duì)引入的空氣進(jìn)行壓縮，由此改變提供給燃料電池組10的空氣量和空氣壓力。加濕器23在被壓縮的空氣和空氣廢氣之間進(jìn)行水分的交換從而加上適當(dāng)?shù)臐穸取?br> 燃料電池組10的冷卻系統(tǒng)包括散熱器31、風(fēng)扇32以及冷卻泵33，冷卻水被循環(huán)供給到燃料電池組10內(nèi)部。包括圖未示的電機(jī)的風(fēng)扇32以及冷卻泵33也是本發(fā)明的消耗裝置的一部分。
接下來說明電氣系統(tǒng)。在燃料電池組10中單格電池串聯(lián)或并聯(lián)連接，由此在其陽(yáng)極A和陰極C之間產(chǎn)生規(guī)定的高壓電壓(例如大約500V)。高壓轉(zhuǎn)換器(變壓器)40在其與電壓不同的二次電池(蓄電池，battery)41之間進(jìn)行電壓變換，進(jìn)行將二次電池41的電力利用作燃料電池組10的輔助電源、或者使來自燃料電池組10的剩余電力向二次電池41充電時(shí)的電壓變換。電池計(jì)算機(jī)42定期或根據(jù)要求監(jiān)測(cè)二次電池41的充電狀態(tài)并將該充電狀態(tài)輸出給控制部20。牽引逆變器(トラクシヨンインバ一タ)43將直流電流轉(zhuǎn)換為三相交流電，并提供給牽引電機(jī)44。牽引電機(jī)44也是本發(fā)明的消耗裝置的一部分。高壓輔機(jī)(燃料電池用輔機(jī))45，為壓縮機(jī)22、氫氣泵13、風(fēng)扇32、冷卻水泵33等電機(jī)類。
控制部20為ECU(電子控制單元，Electric Control Unit)等公知的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，圖未示的CPU(中央處理器)順序執(zhí)行儲(chǔ)存在圖未示的ROM等中的實(shí)施本發(fā)明的軟件程序，由此可以執(zhí)行本發(fā)明的殘留燃料氣體的削減方法。即，根據(jù)后面說明的順序(圖2)，控制部20以下述方式動(dòng)作在運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)使高壓輔機(jī)45消耗剩余電力，此時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中的限制狀態(tài)，并基于檢測(cè)出的限制狀態(tài)而通過由燃料電池組10改變發(fā)電的電力量。
下面參照?qǐng)D2的流程圖說明本實(shí)施方式的動(dòng)作。在該燃料電池系統(tǒng)為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，該流程圖在電源被打開(接通)時(shí)以適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔反復(fù)執(zhí)行。
本燃料電池系統(tǒng)被構(gòu)成為實(shí)施本發(fā)明的殘留燃料氣體削減處理。即，將運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)殘留在循環(huán)路徑內(nèi)的氫氣提供給燃料電池組10而由發(fā)電消耗，將由發(fā)電產(chǎn)生的剩余電力向二次電池41充電，而將無法充電的剩余電力的一部分通過作為消耗裝置的牽引電機(jī)44、壓縮機(jī)22、風(fēng)扇32、冷卻水泵33、氫氣泵13的驅(qū)動(dòng)來消耗掉。此時(shí)，設(shè)定基于系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)而確定的最大電力量，檢測(cè)在系統(tǒng)中是否有電流限制等限制狀態(tài)，在限制狀態(tài)存在時(shí)基于此而通過燃料電池組10來改變發(fā)電的電力量。
首先控制部20檢查對(duì)于該燃料電池系統(tǒng)有沒有指示運(yùn)轉(zhuǎn)停止(S1)。只要不是運(yùn)轉(zhuǎn)停止(S1否)，便繼續(xù)進(jìn)行用于運(yùn)轉(zhuǎn)的其他的控制。
在要求運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)(S1是)，控制部20開始該系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)停止程序。首先輸出用于將氫燃料箱11的初級(jí)閥SV1關(guān)閉的控制信號(hào)(S2)以停止新的氫氣的供給，然后為了消耗循環(huán)路徑中殘留的氫氣，開始本發(fā)明有關(guān)的氫氣消耗控制(S3)。
首先基于來自電池計(jì)算機(jī)42的信息確定可向二次電池41充電的電力容量(充電容量，電力容量)(S4)。由該電力容量判定由該發(fā)明的氫氣消耗控制發(fā)電的剩余電力的分配方向。
接下來控制部確定燃料電池組10的發(fā)電電流Ifc(S5)。該發(fā)電電流Ifc可以按照下述方式確定。在將燃料電池組10的發(fā)電電力設(shè)為Pfc、將可向二次電池41充電的電力容量設(shè)為Pb、將由高壓輔機(jī)54消耗的消耗電力設(shè)為Pc時(shí)，有式(3)的關(guān)系。
Pfc＝Pb+Pc…(3)高壓輔機(jī)45的消耗電力Pc可根據(jù)控制部20的輸出控制信號(hào)而唯一地確定，因此可以合計(jì)計(jì)算出與各輔機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的消耗電力?？上蚨坞姵?1充電的電力容量Pb由步驟S4檢測(cè)出來，因此可將電力容量Pb與輔機(jī)的消耗電力Pc加起來確定應(yīng)該由燃料電池組10發(fā)電的發(fā)電電力Pfc。
接下來控制部20在沒有特別地像電流限制那樣的限制狀態(tài)的情況下將設(shè)定盡可能大的發(fā)電電力Pfc。這是因?yàn)榘l(fā)電電力越大越能快速地將殘留的氫氣消耗掉。這里應(yīng)該考慮的是在使壓縮機(jī)22或氫氣泵13的轉(zhuǎn)速上升時(shí)由輔機(jī)消耗的電力增加，但由燃料電池組10發(fā)電的發(fā)電電力也上升。因此，暫時(shí)確定妥當(dāng)?shù)膲嚎s機(jī)22或氫氣泵13的轉(zhuǎn)速，將在該轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)電的電力設(shè)為發(fā)電電力Pfc，在式(3)的右邊比左邊小時(shí)減少對(duì)二次電池41的充電電力，在式(3)的右邊比左邊大時(shí)，在牽引電機(jī)44、冷卻泵33或風(fēng)扇22等不會(huì)對(duì)發(fā)電電力量產(chǎn)生影響的輔機(jī)中消耗電力的情況下確定它們的轉(zhuǎn)速。
圖3是表示作為燃料電池的發(fā)電特性的壓電電流和發(fā)電電壓的關(guān)系的I-V特性?？刂撇?0將這樣的用于該燃料電池組10的I-V特性儲(chǔ)存為數(shù)據(jù)表?？刂撇?0基于由暫時(shí)確定的發(fā)電電力Pfc確定的曲線和燃料電池組10的I-V特性來確定發(fā)電電流Ifc。即，求出發(fā)電電力Pfc的曲線和I-V特性曲線的交點(diǎn)，將該(交點(diǎn)處的)電流確定為最初發(fā)電電流Ifc?？刂撇?0可以使得以上述暫時(shí)確定的發(fā)電電力Pfc發(fā)電并且確定消耗電力為發(fā)電電力Pfc的范圍內(nèi)的壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)速(S6)。
當(dāng)對(duì)發(fā)電電力沒有限制事項(xiàng)時(shí)將燃料電池組10兩端的電壓設(shè)定為用于以該發(fā)電電流Ifc發(fā)電的發(fā)電電壓Vfc，由此執(zhí)行殘留的氫氣消耗。但是在本發(fā)明中，根據(jù)在高壓輔機(jī)45中是否存在電流限制事項(xiàng)來確定用于進(jìn)行發(fā)電電力的變更、即發(fā)電電流的變更的消耗電流限制因素(S8)。
作為該消耗電流限制因素，首先可以考慮對(duì)二次電池41的充電電流施加有限制的情況。通常電流越大越能盡快地完成充電，但當(dāng)電池計(jì)算機(jī)42根據(jù)高壓轉(zhuǎn)換器40的通過功率過大時(shí)以及劣化和其他等狀況而要求限制充電電流時(shí)，必須將發(fā)電電流抑制為該受限制的電流。因此控制部20確定是否沒有從電池計(jì)算機(jī)42施加充電電流的限制。
另外如圖4所示，高壓轉(zhuǎn)換器40，如果溫度升高到某種程度(Tc)則由于開關(guān)元件的動(dòng)作特性和由電抗產(chǎn)生的損失，可通過的電力值下降。控制高壓轉(zhuǎn)換器40的動(dòng)作的組件(模塊)檢測(cè)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的溫度，在該溫度比規(guī)定的閾值Tc高時(shí)，在控制部20中要求對(duì)通過電力(功率)的限制。因此即使在可向二次電池41中充電的電力容量充分、可以由大電流進(jìn)行充電的情況下，當(dāng)高壓轉(zhuǎn)換器40的溫度較高時(shí)，從保護(hù)元件的觀點(diǎn)出發(fā)，有時(shí)必須限制所通過的電流。因此控制部20確定是否沒有由高壓轉(zhuǎn)換器40要求進(jìn)行通過電力控制。
進(jìn)而如果燃料電池組10內(nèi)的溫度過高，則從電解膜保護(hù)的觀點(diǎn)出發(fā)，有時(shí)必須限制發(fā)電電力。因此控制部20由來自溫度傳感器ts的檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)出燃料電池組10內(nèi)的溫度，確定是否處于可適當(dāng)?shù)匕l(fā)電的溫度范圍內(nèi)。
此外，在燃料電池組10內(nèi)的任一單格電池發(fā)生劣化的情況下該單格電池的發(fā)電電壓降低。若在這種狀態(tài)下進(jìn)行大電力發(fā)電，則存在加速單格電池的電解質(zhì)膜的劣化的情況。因此控制部20基于檢測(cè)信號(hào)Scv監(jiān)測(cè)燃料電池組10內(nèi)的1個(gè)或以上的單格電池的電壓，在觀察到單格電池的電壓下降時(shí)，將最大發(fā)電電力限制在規(guī)定的值或以下。
進(jìn)而，雖然不是直接流過的電流量(電力量)的限制，但是也存在必須使發(fā)電電力減少的情況。這是由提供空氣的壓縮機(jī)22的動(dòng)作造成的。如果壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)速增大、空氣量過多，則燃料電池組10內(nèi)的單格電池便會(huì)變得干燥，單格電池的耐久性下降。另外與NV要求相反，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音和振動(dòng)。特別是在運(yùn)轉(zhuǎn)停止后的氫氣消耗用的發(fā)電中，由于負(fù)載量變小，因此有時(shí)空氣極側(cè)水分的發(fā)生變少。因此，在空氣量變?yōu)檫^剩的情況下，必須減少壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)速，由此改變發(fā)電電力。
在通過上面的驗(yàn)證處理也沒有任何電流(電力)限制狀態(tài)時(shí)(S10否)，由于可以通過在步驟S5中設(shè)定的發(fā)電電力Pfc以及發(fā)電電流Ifc發(fā)電，因此控制部20將高壓轉(zhuǎn)換器40的次級(jí)側(cè)端子電壓改變?yōu)榘l(fā)電電壓Vfc，以發(fā)電電流Ifc在燃料電池組10中發(fā)電(S11)。
另一方面，在存在任何電流(電力)限制狀態(tài)(S10是)，而且是影響上述壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)速的限制時(shí)(S12是)，控制部20輸出根據(jù)該限制而使壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)速降低的控制信號(hào)(S13)，修正壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)速。然后將通過該新的壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)速發(fā)電的電力設(shè)為修正后的發(fā)電電力Pfc*(S14)。
另外，在存在任何電流(電力)限制狀態(tài)(S10是)，而且是壓縮機(jī)22的轉(zhuǎn)速以外的限制時(shí)(S12否)，控制部20根據(jù)這些系統(tǒng)的各部分的電流(電力)限制來修正發(fā)電電流Ifc并設(shè)定新的發(fā)電電流Ifc*(S15)。
如圖3所示，新的發(fā)電電流Ifc*在根據(jù)限制狀態(tài)直接確定最大電流時(shí)設(shè)為該電流，將在I-V特性中與該電流值相對(duì)應(yīng)的電壓設(shè)為修正后的發(fā)電電壓Vfc*。另外在發(fā)電電力本身改變時(shí)重新求出表示修正后的發(fā)電電力Pfc*的曲線與I-V特性曲線的交點(diǎn)，以求出修正后的發(fā)電電流Ifc*以及發(fā)電電壓Vfc*?？刂撇?0，向高壓轉(zhuǎn)換器40輸出控制信號(hào)以使得該發(fā)電電壓Vfc*成為次級(jí)側(cè)端子電壓，并以修正后的發(fā)電電流Ifc*開始發(fā)電(S11)。
那么，通過上述的處理，殘留在循環(huán)路徑內(nèi)的氫氣被消耗，配管內(nèi)的壓力應(yīng)該逐漸下降。在壓力沒有下降時(shí)，可以考慮傳感器的故障或氫氣消耗處理不完全，為異常的狀態(tài)。
因此控制部參照來自壓力傳感器ps的檢測(cè)信號(hào)檢查配管內(nèi)的氫氣壓力是否為規(guī)定的閾值Pth或以下(S16)。在氫氣壓力像所期待的那樣變?yōu)殚撝礟th或以下時(shí)(是)，顯示進(jìn)行了正常的氫氣消耗，因此進(jìn)行正常結(jié)束處理(S17)。即停止所有的輔機(jī)動(dòng)作并輸出關(guān)閉截止閥的控制信號(hào)，控制部20使系統(tǒng)的動(dòng)作停止。
在配管內(nèi)的氫氣壓力仍然比閾值Pth高(S16否)，但沒有經(jīng)過經(jīng)過時(shí)間Tth時(shí)(S18否)，為應(yīng)該繼續(xù)氫氣消耗處理的狀態(tài)，因此再次返回到步驟S4以后的氫氣消耗處理。
另一方面，當(dāng)配管內(nèi)的氫氣壓力在經(jīng)過了規(guī)定的經(jīng)過時(shí)間Tth后仍沒有結(jié)束時(shí)(S18是)，意味著配管內(nèi)的氫氣壓力沒有充分下降，為傳感器的異常或系統(tǒng)的異常。在這種情況下，可以考慮例如從氫燃料箱11的初級(jí)閥SV1發(fā)生氣體泄漏。因此控制部20進(jìn)行使警告燈點(diǎn)亮等報(bào)告處理，如果可能，打開排氣截止閥SV5將循環(huán)路徑內(nèi)的氫氣排出。同時(shí)也驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)22而增加用于稀釋氫氣廢氣的空氣量。等待一定時(shí)間，在配管內(nèi)的壓力下降或經(jīng)過了一定時(shí)間后，控制部20關(guān)閉所有的截止閥，并停止輔機(jī)動(dòng)作而使系統(tǒng)停止。
上面，根據(jù)本實(shí)施方式，雖然可向二次電池41充電的電力以外的電力由高壓輔機(jī)45所消耗，但判斷此時(shí)在系統(tǒng)各部是否發(fā)生電流(電力)限制狀態(tài)，并據(jù)此改變由燃料電池組10發(fā)電(發(fā)生)的發(fā)電電力，因此能夠以不選擇剩余電力的消耗對(duì)象的方式使殘留的燃料氣體提前消耗，可以擴(kuò)大消耗控制區(qū)域。另外，由于僅在具有限制狀態(tài)時(shí)抑制發(fā)電電力，因此整體上可以確保最大限度的發(fā)電容量，可以縮短殘留的燃料氣體的消耗時(shí)間。
即，預(yù)先將最初的發(fā)電電力設(shè)定得較大并將發(fā)電電流設(shè)定得較大，當(dāng)在氫氣消耗處理的過程中發(fā)生限制事項(xiàng)時(shí)改變電流(電力)即可，在這樣的限制消失時(shí)再返回到原來的電流(電力)即可，這是因?yàn)榭梢赃M(jìn)行與各種時(shí)刻的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的最大限度的氫氣消耗。因此可以極其迅速地消耗殘留的氫氣。
另外本發(fā)明可以改變?yōu)樯鲜鰧?shí)施方式所限定的各種方式而執(zhí)行。例如可以利用上述氫氣消耗處理來進(jìn)行氫氣從配管的泄漏檢測(cè)或從氫燃料箱的初級(jí)閥SV1的泄漏檢測(cè)。
即，如果燃料電池組10的發(fā)電電流Ifc*確定，便可以推定出氫氣的消耗量。另一方面，如果能定期地監(jiān)測(cè)由壓力傳感器ps所監(jiān)測(cè)的氫氣的壓力下降，則可以求出實(shí)際的氫氣消耗量。如果比較這兩者的消耗量，則可以進(jìn)行氣體泄漏檢測(cè)。即在從配管產(chǎn)生氣體泄漏時(shí)，由壓力傳感器ps實(shí)際檢測(cè)出的氫氣消耗量比從發(fā)電電流Ifc推定出的氫氣消耗量大。另外在產(chǎn)生從氫燃料箱11的初級(jí)閥SV1的氣體泄漏時(shí)，由于配管內(nèi)的壓力表面(表觀)上難以下降，因此推定出的氫氣消耗量比實(shí)際檢測(cè)壓力的降低而得到的氫氣消耗量大。也可以在上述氫氣消耗處理的最后來實(shí)施這些處理，由此判定是正常結(jié)束還是異常結(jié)束。
(工業(yè)應(yīng)用前景)根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)樵谙难b置中存在限制狀態(tài)而使得在由該消耗裝置所消耗的電力量不足時(shí)，與其相應(yīng)地改變由燃料電池發(fā)電的發(fā)電電力，因此可以不用選擇消耗裝置或其狀態(tài)地消耗殘留燃料氣體，可以擴(kuò)大消耗控制區(qū)域。另外，發(fā)電電力僅在有限制狀態(tài)時(shí)被抑制，因此作為整體可以確保最大限度的發(fā)電容量，可以縮短殘留的燃料氣體的消耗時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，它是使運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)殘留的燃料氣體減少的燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)將所述殘留的燃料氣體供給燃料電池，并使消耗裝置消耗由該燃料電池的發(fā)電所產(chǎn)生的剩余電力的至少一部分，其中，所述燃料電池系統(tǒng)被構(gòu)成為能夠基于該系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)而改變所述燃料電池的發(fā)電狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)是所述系統(tǒng)中的限制狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述消耗裝置是向所述燃料電池供給燃料氣體的驅(qū)動(dòng)裝置；基于由所述驅(qū)動(dòng)裝置供給的所述燃料氣體的供給量的變化和由該驅(qū)動(dòng)裝置消耗的電力，來改變由所述燃料電池發(fā)電的電力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，基于所述已被改變的發(fā)電電力值，來改變向所述燃料電池供給燃料氣體的驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，由所述消耗裝置消耗的電力為，在由所述燃料電池發(fā)電的所述剩余電力中，能夠向蓄電裝置充電的電力以外的電力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，當(dāng)所述殘留的燃料氣體的壓力通過由所述燃料電池發(fā)電而變?yōu)榈扔诨蛐∮谝?guī)定值時(shí)執(zhí)行正常結(jié)束處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述殘留的燃料氣體的壓力經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后也沒有變?yōu)榈扔诨蛐∮谒鲆?guī)定值時(shí)執(zhí)行異常結(jié)束處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，具備蓄電裝置；所述系統(tǒng)中的限制狀態(tài)是朝向該蓄電裝置的充電電流的限制狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，具備電壓轉(zhuǎn)換裝置；所述系統(tǒng)中的限制狀態(tài)為根據(jù)該電壓轉(zhuǎn)換裝置的溫度的限制狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)中的限制狀態(tài)為根據(jù)所述燃料電池的內(nèi)部溫度的限制狀態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)中的限制狀態(tài)為根據(jù)所述燃料電池的發(fā)電電壓的限制狀態(tài)。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，具備向所述燃料電池供給氧化氣體的壓縮機(jī)；所述系統(tǒng)中的限制狀態(tài)為對(duì)由該壓縮機(jī)所供給的所述氧化氣體的量的限制狀態(tài)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池的發(fā)電狀態(tài)的改變，是改變從該燃料電池輸出的電流。
14.一種燃料電池系統(tǒng)，它包括將運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)殘留的燃料氣體供給燃料電池的裝置；消耗由該燃料電池的發(fā)電所發(fā)生的剩余電力的至少一部分的消耗裝置；檢測(cè)該系統(tǒng)中的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的裝置；和基于所檢測(cè)到的該運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來改變所述燃料電池的發(fā)電狀態(tài)的裝置。
15.一種去除燃料電池系統(tǒng)中的殘留燃料氣體的方法，它是使運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)殘留的燃料氣體減少的去除燃料電池系統(tǒng)中的殘留燃料氣體的方法，包括將運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)殘留的燃料氣體供給燃料電池的步驟；通過消耗裝置消耗由該燃料電池的發(fā)電所發(fā)生的剩余電力的至少一部分的步驟；檢測(cè)該系統(tǒng)中的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的步驟；和基于所檢測(cè)到的該運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來改變所述燃料電池的發(fā)電狀態(tài)的步驟。
全文摘要
提供一種即使在對(duì)消耗剩余電力的裝置施加有限制時(shí)，也可以迅速去除殘留的氫氣的燃料電池系統(tǒng)。它是在運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)通過燃料電池(10)使剩余的燃料氣體發(fā)電以向二次電池(41)充電、并通過消耗裝置(22、33、13)消耗不能充電的剩余電力的燃料電池系統(tǒng)，其中，在由消耗裝置消耗由燃料電池的發(fā)電所產(chǎn)生的剩余電力時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)的限制狀態(tài)，并基于檢測(cè)出的該限制狀態(tài)而改變由燃料電池所發(fā)出的電力。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1918735SQ20058000451
公開日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2005年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月12日
發(fā)明者繁雅裕, 梶原滋人 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社