燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在日本JP2012-106411A中，作為以往的燃料電池系統(tǒng)，公開了如下的燃料電池系統(tǒng):對壓縮機(jī)和壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，來將正極氣體的流量和壓力控制為目標(biāo)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在當(dāng)前正在開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)中，基于燃料電池的狀態(tài)來設(shè)定正極氣體的目標(biāo)流量和目標(biāo)壓力，對壓縮機(jī)的供給流量和壓力調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行控制，以使得成為該目標(biāo)流量和目標(biāo)壓力。例如，關(guān)于壓縮機(jī)，基于目標(biāo)流量和目標(biāo)壓力來控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，以控制壓縮機(jī)的供給流量。
[0004]另外，在當(dāng)前正在開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)中，正在研究實(shí)施使負(fù)極氣體的壓力脈動的脈動運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)施脈動運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，燃料電池內(nèi)的負(fù)極電極側(cè)與正極電極側(cè)的電解質(zhì)膜間的壓力差(以下稱為“膜間壓力差”。)由于負(fù)極氣體的壓力發(fā)生脈動而變動。當(dāng)該膜間壓力差變得過大時(shí)，預(yù)想外的應(yīng)力施加于電解質(zhì)膜，從而成為使燃料電池劣化的重要原因。
[0005]因而，期望的是，在基于燃料電池的狀態(tài)而設(shè)定的正極氣體的目標(biāo)壓力低于從負(fù)極氣體的壓力減去容許膜間壓力差后得到的用于膜保護(hù)的下限壓力的情況下，將該用于膜保護(hù)的下限壓力設(shè)定為目標(biāo)壓力。
[0006]然而，該用于膜保護(hù)的下限壓力是基于負(fù)極氣體的壓力而計(jì)算得到的，因此與負(fù)極氣體的壓力脈動連動地脈動(增減)。
[0007]因此，當(dāng)將用于膜保護(hù)的下限壓力設(shè)定為正極氣體的目標(biāo)壓力并基于該目標(biāo)壓力和目標(biāo)流量來控制壓縮機(jī)時(shí)，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速會伴隨目標(biāo)壓力的脈動而周期性地增減，從而存在從壓縮機(jī)產(chǎn)生蜂鳴聲(日語:5音)等異響的擔(dān)憂。
[0008]本發(fā)明是著眼于這種問題而完成的，其目的在于在基于正極氣體的目標(biāo)流量和目標(biāo)壓力來控制壓縮機(jī)的燃料電池系統(tǒng)中抑制從壓縮機(jī)產(chǎn)生異響。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的某個方式，提供一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)具備:壓縮機(jī)，其對向燃料電池供給的正極氣體的流量進(jìn)行調(diào)節(jié);壓力調(diào)節(jié)閥，其對向燃料電池供給的正極氣體的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié);脈動運(yùn)轉(zhuǎn)部，其使負(fù)極氣體的壓力脈動；目標(biāo)流量設(shè)定部，其基于燃料電池的要求來設(shè)定正極氣體的目標(biāo)流量;第一目標(biāo)壓力設(shè)定部，其基于燃料電池的要求來設(shè)定正極氣體的第一目標(biāo)壓力；第二目標(biāo)壓力設(shè)定部，其設(shè)定用于將燃料電池內(nèi)的負(fù)極與正極間的壓力差維持在規(guī)定的容許壓力差范圍內(nèi)的正極氣體的第二目標(biāo)壓力；目標(biāo)壓力設(shè)定部，其將第一目標(biāo)壓力和第二目標(biāo)壓力中的較大一方設(shè)定為目標(biāo)壓力；以及控制部，其基于目標(biāo)流量和目標(biāo)壓力來控制壓縮機(jī)和壓力調(diào)節(jié)閥。而且，在目標(biāo)壓力伴隨負(fù)極氣體的壓力脈動而脈動時(shí)，控制部基于用于限制該目標(biāo)壓力的脈動的限制壓力以及目標(biāo)流量來控制壓縮機(jī)。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的概要圖。
[0011]圖2是說明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的負(fù)極氣體供給控制的流程圖。
[0012]圖3是基于目標(biāo)輸出電流來計(jì)算脈動時(shí)上限目標(biāo)壓力和脈動時(shí)下限目標(biāo)壓力的表。
[0013]圖4是說明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的正極氣體供給控制的框圖。
[0014]圖5是說明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的負(fù)極氣體供給控制和正極氣體供給控制的動作的時(shí)序圖。
[0015]圖6是說明本發(fā)明的第二實(shí)施方式的正極氣體供給控制的框圖。
[0016]圖7是說明本發(fā)明的第二實(shí)施方式的負(fù)極氣體供給控制和正極氣體供給控制的動作的時(shí)序圖。
[0017]圖8是說明本發(fā)明的其它實(shí)施方式的正極氣體供給控制的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面，參照附圖來說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0019](第一實(shí)施方式)
[°02°]燃料電池通過用負(fù)極(anode)電極(燃料極)和正極(cathode)電極(氧化劑極)將電解質(zhì)膜夾在中間并向負(fù)極電極供給含氫的負(fù)極氣體(燃料氣體)、向正極電極供給含氧的正極氣體(氧化劑氣體)來進(jìn)行發(fā)電。在負(fù)極電極和正極電極這兩個電極處進(jìn)行的電極反應(yīng)如下。
[0021]負(fù)極電極:2?—>4H++4e...(I)
[0022]正極電極:4H++4e+O2一^21^0...(2)
[0023]通過該(I)、(2)的電極反應(yīng)，燃料電池產(chǎn)生I伏特左右的電動勢。
[0024]在將燃料電池用作汽車用動力源的情況下，由于要求的電力大，因此作為將數(shù)百塊的燃料電池層疊所得的燃料電池堆來進(jìn)行使用。然后，構(gòu)成向燃料電池堆供給負(fù)極氣體和正極氣體的燃料電池系統(tǒng)，取出用于驅(qū)動車輛的電力。
[0025]圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)100的概要圖。
[0026]燃料電池系統(tǒng)100具備燃料電池堆1、正極氣體供排裝置2、負(fù)極氣體供排裝置3以及控制器4。
[0027]燃料電池堆I是層疊數(shù)百塊燃料電池而得的，接受負(fù)極氣體和正極氣體的供給，來發(fā)出驅(qū)動車輛所需的電力。
[0028]正極氣體供排裝置2向燃料電池堆I供給正極氣體(空氣)，并且將從燃料電池堆I排出的正極排氣排出到外部大氣。正極氣體供排裝置2具備正極氣體供給通路21、正極氣體排出通路22、過濾器23、正極壓縮機(jī)24、中冷器(Inter coo Ier) 25、水分回收裝置(Wa terRecovery Device;以下稱為“WRD”。)26、正極壓力調(diào)節(jié)閥27、旁路通路28、旁路閥29、第一氣流傳感器41、第二氣流傳感器42、正極壓力傳感器43以及溫度傳感器44。
[0029]正極氣體供給通路21是流通向燃料電池堆I供給的正極氣體的通路。正極氣體供給通路21—端連接于過濾器23，另一端連接于燃料電池堆I的正極氣體入口孔。
[0030]正極氣體排出通路22是流通從燃料電池堆I排出的正極排氣的通路。正極氣體排出通路22—端連接于燃料電池堆I的正極氣體出口孔，另一端為開口端。正極排氣是電極反應(yīng)中未被使用的氧、正極氣體中所含的氮、還有通過電極反應(yīng)而產(chǎn)生的水蒸氣等的混合氣體。
[0031]過濾器23將取入到正極氣體供給通路21的正極氣體中的異物去除。
[0032]正極壓縮機(jī)24設(shè)置于正極氣體供給通路21。正極壓縮機(jī)24經(jīng)由過濾器23將作為正極氣體的空氣取入到正極氣體供給通路21，供給到燃料電池堆I。
[0033]中冷器25設(shè)置于比正極壓縮機(jī)24更靠下游的正極氣體供給通路21。中冷器25對從正極壓縮機(jī)24噴出的正極氣體進(jìn)行冷卻。
[0034]WRD 26分別與正極氣體供給通路21和正極氣體排出通路22連接，回收在正極氣體排出通路22中流動的正極排氣中的水分，以所回收的該水分來加濕在正極氣體供給通路21中流動的正極氣體。
[0035]正極壓力調(diào)節(jié)閥27設(shè)置于比WRD 26更靠下游的正極氣體排出通路22。正極壓力調(diào)節(jié)閥27由控制器4來控制開閉，將供給到燃料電池堆I的正極氣體的壓力調(diào)節(jié)為期望的壓力。
[0036]旁路通路28是為了能夠根據(jù)需要將從正極壓縮機(jī)24噴出的正極氣體的一部分不經(jīng)由燃料電池堆I地直接排出到正極氣體排出通路22而設(shè)置的通路。旁路通路28—端連接于正極壓縮機(jī)24與中冷器25之間的正極氣體供給通路21，另一端連接于比正極壓力調(diào)節(jié)閥27更靠下游的正極氣體排出通路22。
[0037]旁路閥29設(shè)置于旁路通路28。旁路閥29由控制器4來控制開閉，調(diào)節(jié)在旁路通路28中流動的正極氣體的流量(以下稱為“旁路流量” O )。
[0038]第一氣流傳感器41設(shè)置于比正極壓縮機(jī)24更靠上游的正極氣體供給通路21。第一氣流傳感器41對供給到正極壓縮機(jī)24的正極氣體的流量(以下稱為“壓縮機(jī)供給流量”。)進(jìn)行檢測。
[0039]第二氣流傳感器42設(shè)置于比與旁路通路28連接的連接部更靠下游的正極氣體供給通路。第二氣流傳感器42對從正極壓縮機(jī)24噴出的正極氣體中的供給到燃料電池堆I的正極氣體的流量(以下稱為“堆供給流量”。)進(jìn)行檢測。堆供給流量是從壓縮機(jī)供給流量減去旁路流量后得到的流量。
[0040]正極壓力傳感器43設(shè)置于WRD 26的正極氣體入口側(cè)附近的正極氣體供給通路21。正極壓力傳感器43對WRD 26的正極氣體入口側(cè)附近的正極氣