燃料電池系統以及燃料電池系統的控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種燃料電池系統以及燃料電池系統的控制方法。
【背景技術】
[0002]在日本JP2012-003957A中，作為以往的燃料電池系統，公開了如下的燃料電池系統:對壓縮機和壓力調節閥進行控制，將正極氣體的流量和壓力控制為目標值。
【發明內容】
[0003]在當前正在開發的燃料電池系統中，正在研究:以不使用壓力調節閥的方式將向燃料電池供給的正極氣體的流量和壓力分別控制為目標值。具體地說，基于正極氣體的目標壓力來控制壓縮機的供給流量，由此將壓力控制為目標壓力。而且，正在研究:為了將壓力控制為目標壓力而使由壓縮機多供給的對燃料電池來說不需要的流量流向燃料電池的芳路通路。
[0004]另外，正在研究在這種燃料電池系統中實施使負極氣體的壓力脈動的脈動運轉。在實施脈動運轉的情況下，燃料電池內的負極電極側與正極電極側的電解質膜間的壓力差(以下稱為“膜間壓力差”。)由于負極氣體的壓力發生脈動而變動。當該膜間壓力差變得過大時，預想外的應力施加于電解質膜，從而成為使燃料電池劣化的重要原因。
[0005]因而，期望的是，在根據燃料電池的要求而設定的正極氣體的目標壓力低于從負極氣體的壓力減去容許膜間壓力差后得到的用于膜保護的下限壓力的情況下，將該用于膜保護的下限壓力作為目標壓力來控制壓縮機。
[0006]然而，該用于膜保護的下限壓力是基于負極氣體的壓力而計算得到的，因此與負極氣體的壓力脈動連動地脈動(增減)。
[0007]當將這樣脈動的用于膜保護的下限壓力作為正極氣體的目標壓力來控制壓縮機時，壓縮機的供給流量會伴隨目標壓力的脈動而周期性地增減，從而存在從壓縮機產生蜂鳴聲(日語:5音)等異響的擔憂。
[0008]本發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壓力來控制壓縮機的供給流量的燃料電池系統中抑制從壓縮機產生異響。
[0009]根據本發明的某個方式，提供一種將負極氣體和正極氣體供給到燃料電池來使該燃料電池發電的燃料電池系統。燃料電池系統具備:壓縮機，其用于向燃料電池供給正極氣體;脈動運轉部，其基于燃料電池系統的運轉狀態來使負極氣體的壓力脈動;第一目標壓力設定部，其基于燃料電池的要求來設定正極氣體的第一目標壓力;第二目標壓力設定部，其根據燃料電池內的負極氣體的壓力來設定用于將燃料電池內的壓力差維持在容許壓力差范圍內的正極氣體的第二目標壓力；以及壓縮機控制部，其基于第一目標壓力和第二目標壓力來控制壓縮機。第二目標壓力設定部基于使負極氣體的壓力脈動時的脈動時上限目標壓力來設定第二目標壓力。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明的第一實施方式的燃料電池系統的概要圖。
[0011]圖2是說明本發明的第一實施方式的負極氣體供給控制的流程圖。
[0012]圖3是基于目標輸出電流來計算脈動時上限目標壓力和脈動時下限目標壓力的表。
[0013]圖4是說明本發明的第一實施方式的正極氣體供給控制的框圖。
[0014]圖5是說明本發明的第一實施方式的負極氣體供給控制和正極氣體供給控制的動作的時序圖。
[0015]圖6是說明本發明的第二實施方式的正極氣體供給控制的框圖。
[0016]圖7是說明本發明的第二實施方式的負極氣體供給控制和正極氣體供給控制的動作的時序圖。
[0017]圖8是說明本發明的其它實施方式的正極氣體供給控制的框圖。
【具體實施方式】
[0018]下面，參照附圖來說明本發明的實施方式。
[0019](第一實施方式)
[°02°]燃料電池通過用負極(anode)電極(燃料極)和正極(cathode)電極(氧化劑極)將電解質膜夾在中間并向負極電極供給含氫的負極氣體(燃料氣體)、向正極電極供給含氧的正極氣體(氧化劑氣體)來進行發電。在負極電極和正極電極這兩個電極處進行的電極反應如下。
[0021]負極電極: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，燃料電池產生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，因此作為將數百塊的燃料電池層疊所得的燃料電池堆來進行使用。然后，構成向燃料電池堆供給負極氣體和正極氣體的燃料電池系統，取出用于驅動車輛的電力。
[0025]圖1是本發明的第一實施方式的燃料電池系統100的概要圖。
[0026]燃料電池系統100具備燃料電池堆1、正極氣體供排裝置2、負極氣體供排裝置3以及控制器4。
[0027]燃料電池堆I是層疊數百塊燃料電池而得的，接受負極氣體和正極氣體的供給，來發出驅動車輛所需的電力。
[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24、中冷器(Inter coo Ier) 25、水分回收裝置(Wa terRecovery Device;以下稱為“WRD”。)26、孔(Orif ice)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中未被使用的氧、正極氣體中所包含的氮、還有通過電極反應而產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24設置于正極氣體供給通路21。正極壓縮機24經由過濾器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設置于比正極壓縮機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24噴出的正極氣體進行冷卻。
[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]孔27設置于比WRD 26更靠下游的正極氣體排出通路22。孔27限制在正極氣體排出通路22中流動的正極排氣的流量。
[0036]旁路通路28是為了能夠根據需要來將從正極壓縮機24噴出的正極氣體的一部分不經由燃料電池堆I地直接排出到正極氣體排出通路22而設置的通路。旁路通路28—端連接于正極壓縮機24與中冷器25之間的正極氣體供給通路21，另一端連接于比孔27更靠下游的正極氣體排出通路22。
[0037]旁路閥29設置于旁路通路28。旁路閥29由控制器4來控制開閉，調節在旁路通路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設置于比正極壓縮機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24的正極氣體的流量(以下稱為“壓縮機供給流量”。)進行檢測。
[0039]第二氣流傳感器42設置于比與旁路通路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”。)進行檢測。堆供給流量為從壓縮機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設置于WRD 26的正極氣體入口側附近的正極氣體供給通路21。正極壓力傳感器43對WRD 26的正極氣體入口側附近的正極氣體的壓力(以下稱為“正極壓力”。)進行檢測。
[0041]溫度傳感器44設置于中冷器25與WRD 26之間的正極氣體供給通路21。溫度傳感器44對WRD 26的正極氣體入口側的溫度(以下稱為“WRD入口溫度”。)進行檢測。
[0042]負極氣體供排裝置3向燃料電池堆I供給負極氣體，并且將從燃料電池堆I排出的負極排氣排出到正極氣體排出通路22。負極氣體供排裝置3具備高壓罐31、負極氣體供給通路32、負極壓力調節閥33、負極氣體排出通路34、放氣閥35以及負極壓力傳感器45。
[0043]高壓罐31將要向燃料電池堆I供給的負極氣體(氫)保持為高壓狀態來貯存。
[0044]負極氣體供給通路32是用于將從高壓罐31排出的負極氣體供給到燃料電池堆I的通路。負極氣體供給通路32—端連接于高壓罐31，另一端連接于燃料電池堆I的負極氣體入口孔。
[0045]負極壓力調節閥33設置于負極氣體供給通路32。負極壓力調節閥33由控制器4來控制開閉，將供給到燃料電池堆I的負極氣體的壓力調節為期望的壓力。
[0046]負極氣體排出通路34是流通從燃料電池堆I排出的負極排氣的通路。負極氣體排出通路34—端連接于燃料電池堆I的負極氣體出口孔，另一端連接于正極氣體排出通路22。
[0047]經由負極氣體排出通路34排出到正極氣體排出通路22的負極排氣在正極氣體排出通路22內與正極排氣相混合后排出到燃料電池系統100的外部。負極排氣中包含電極反應中未使用的剩余的負極氣體，因此通過與正極排氣