燃料电池系统及移动体的制作方法

专利名称：燃料电池系统及移动体的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统和移动体。
背景技术：
已经提出了具有用于接收反应(燃料和氧化)气体以产生电力的燃 料电池的燃料电池系统，并且当前将其投入到实际应用中。这种燃料 电池系统设有燃料供给流动通道，以使从燃料供给源(如氢罐)供给的燃 料气体流到燃料电池。此外，在燃料供给流动通道内通常设有压力调节阀(调节器)，以便 在燃料供给源的燃料气体供给压力过高时将供给压力降低到恒定的 值。近年来，已经提出了一种技术(例如，参考日本专利申请公开No.2004-139984)，例如用于通过设置用于将燃料供给流动通道中的燃 料气体的供给压力在两个水平之间改变的机械式可变压力调节阀(可变 调节器)，而响应系统的运行状态来改变燃料气体的供给压力。发明内容但是，对于如上述专利中所述的机械式可变调节阀，不仅构造使 得难以快速改变燃料气体供给压力(即，响应低)，还不能进行高精度的 调节，如将目标压力在多个水平中改变。此外，由于传统的机械式可变压力调节阀具有相对复杂的结构， 所以它们大而且笨重，并且它们制造成本高。因为传统的机械式可变 压力调节阀简单地用于改变燃料气体供给压力，还需要单独的用于切 断燃料气体供给的截止阀。这导致了系统尺寸的增加(增加的装备空间) 和装备成本的问题。考虑上述情况，本发明的目的是提供一种燃料电池系统，该燃料 电池系统具有能够响应燃料电池的运行状态而恰当地改变燃料气体供 给状态(供给压力等)的高响应性。为了实现上述目的，根据本发明的燃料电池系统包括燃料电池； 用于向所述燃料电池供给燃料气体的燃料供给系统；用于调节所述燃料 供给系统的上游的气体状态和向下游供给所述气体的喷射器；以及用于 以预定驱动周期来驱动和控制所述喷射器的控制装置，其中所述控制装 置根据所述燃料电池的运行状态来设定所述喷射器的工作状态。根据该结构，能够根据所述燃料电池的运行状态(所述燃料电池的 发电量(功率、电流和电压)、所述燃料电池的温度、所述燃料电池系统 的异常状态、所述燃料电池主单元的异常状态等)设定所述喷射器的工 作状态(喷射器阀体的开度(气体通过面积)、所述喷射器阀的打开时间 (气体喷射时间)等)。因此，能够根据所述燃料电池的运行状态恰当地 改变燃料气体供给压力，从而提高响应性。所述"气体状态"意味着 由流量、压力、温度、摩尔浓度等所表示的气体状态，尤其是包括气 体流量和气体压力中的至少一个。在上述燃料电池系统中，所述燃料供给系统具有用于使从燃料供 给源供给的燃料气体流动到所述燃料电池的燃料供给流动通道，并且 所述喷射器可以设置在该燃料供给流动通道中。另外，在上述燃料电池系统中，在所述燃料供给源与所述喷射器 之间设置调节器。如果采用该结构，即使所述燃料供给源的燃料气体供给压力高， 也能够通过所述调节器降低供给压力，从而能够降低所述喷射器的上 游的压力。因此，能够减轻由于所述喷射器的上游和下游的压力的差压的增加引起的喷射器阀体移动困难。结果，能够抑制所述喷射器的 响应性的降低。在上述燃料电池系统中，所述燃料供给系统可以具有用于将从所 述燃料供给源供给的燃料气体供给到所述燃料电池的燃料供给流动通 道、以及用于将从所述燃料电池排出的燃料废气返回到所述燃料供给 流动通道的循环流动通道。在这种情形下，所述喷射器优选设置在所 述燃料供给流动通道与所述循环流动通道的连接部分的上游。如果采用该结构，能够抑制燃料供给流动通道内流动的燃料气体 与循环流动通道内流动的燃料废气的合流压力的冲击。另外，即使由 于循环流动通道内的残留水分的冻结等引起循环流动通道内的气流被 阻塞，也能够不受冻结影响地调节燃料气体供给压力。另外，在上述燃料电池系统中，所述控制装置优选基于所述喷射 器的上游的气体状态计算所述喷射器的上游的静态流量，并根据该静 态流量设定所述喷射器的工作状态。因而能够在供给燃料气体时抑制由于所述喷射器上游的气体状态 的变化引起的喷射差异。另外，在上述燃料电池系统中，所述控制装置能够基于所述喷射 器的上游的气体状态设定所述喷射器的无效喷射时间。另外，在上述燃料电池系统中，可以在所述燃料供给系统中需要 压力调节的压力调节位置处设置压力传感器。另外，所述控制装置能 够计算压力差减小修正流量，用于减小在基于所述燃料电池的运行状 态设定的所述压力调节位置处的目标压力值和由所述压力传感器检测 出的检测压力值之间的偏差，并且所述控制装置基于上述压力差减小 修正流量来设定所述喷射器的工作状态。另外，所述控制装置能够基于所述燃料电池的运行状态来计算所述燃料电池中的燃料消耗量，并 基于所述燃料消耗量和上述压力差减小修正流量来设定所述喷射器的 工作状态。因而能够将所述喷射器的工作状态(例如，喷射流量)设定成减小目 标压力值与检测压力值之间的偏差，使得所述检测压力值接近所述目 标压力值。另外，在上述燃料电池系统中，所述控制装置能够用所述目标压 力值与所述检测压力值的偏差乘以比例增益来计算比例型压力差减小 修正流量。另外，所述控制装置能够用在所述目标压力值与所述检测 压力值之间的偏差的积分值乘以积分增益来计算积分型压力差减小修 正流量。在这种情形下，所述控制装置能够基于所述燃料电池的运行 状态改变所述比例增益和所述积分增益中至少一种增益(例如，随着所 述燃料电池发电量降低来减小所述比例增益或积分增益)。这使得能够基于所述燃料电池的运行状态来修改所述压力差减小 修正流量的计算模式，以适当地控制所述喷射器，从而能够在宽的运 行状态范围内稳定地供给燃料气体。当在计算比例型或积分型压力差减小修正流量中使用的比例增益 或积分增益设定为恒定值时，即使所述燃料电池的运行状态变化，来 自所述喷射器的燃料气体供给压力也以恒定的响应性跟随目标压力 值。但是，如果在所述燃料电池的发电量相对低的运行状态下(低负载 期间)釆用与高负载期间的比例增益或积分增益类似的比例增益或积分 增益，那么从所述喷射器供给的燃料气体未被燃料电池充分地消耗掉， 所以在所述燃料供给系统中可能发生脉动，从而燃料气体的供给状态 可能变得不稳定。通过例如使低负载期间的比例增益和积分增益中的 至少一种增益比高负载期间的较低，从而能够抑制脉动的发生。如果 在高负载期间采用与低负载期间的比例增益或积分增益类似的比例增益或积分增益，那么从所述喷射器供给的燃料气体被所述燃料电池大 量地消耗，因而燃料气体的供给量可能不足，从而降低目标压力值的 响应性。通过使高负载期间的比例增益和积分增益中的至少一种增益 比低负载期间大，能够提高对目标压力值的响应性。结果，能够在宽 范围的运行状态下(在低负载和高负载期间)稳定地供给燃料气体。另外，在上述燃料电池系统中，所述控制装置能够以预定时间间 隔基于所述燃料电池的运行状态来计算和更新所述压力调节位置处的 目标压力值。能够计算与在前次计算出的目标压力值和当前计算出的 目标压力值之间的偏差对应的压力差对应修正流量，也能够通过将所 述压力差对应修正流量、所述燃料消耗量及所述压力差减小修正流量 相加来计算所述喷射器的喷射流量。因而能够对应于所述目标压力值的波动快速地修改所述喷射器的 喷射流量，并进一步提高响应性。如果不考虑压力差对应修正流量， 那么需要使用所述压力差减小修正流量来补偿由于所述目标压力值的 波动引起的目标压力值与检测压力值之间的所有偏差，这可能使得所 述压力差减小修正流量的值增加并延迟所述喷射器的控制，但是如果 使用与所述目标压力值的波动分量对应的压力差对应修正流量，那么 可抑制压力差减小修正流量的值的增加，从而使得快速控制所述喷射 器成为可能。另外，在上述燃料电池系统中，所述控制装置能够基于所述喷射 器的上游的气体状态来计算所述喷射器的上游的静态流量，并用由所 述喷射器的所述喷射流量除以所述静态流量获得的值乘以所述驱动周 期来计算所述喷射器的基本喷射时间。另外，所述控制装置能够基于 所述喷射器的上游的气体状态来设定所述喷射器的无效喷射时间，并 能够通过将上述基本喷射时间与上述无效喷射时间相加来计算所述喷 射器的总喷射时间。另外，根据本发明的移动体包括上述燃料电池系统。根据该结构，提供了能够根据燃料电池的运行状态恰当地改变燃 料气体供给压力的燃料电池系统，所以能够提供具有高响应性的移动 体。根据本发明，能够提供能够根据燃料电池的运行状态恰当地改变 燃料气体供给状态(供给压力等)的、具有高响应性的燃料电池系统。


图1为根据本发明实施例的燃料电池系统的结构图； 图2为用于解释图1中所示燃料电池系统的控制装置的控制方法 的控制框图；图3为用于示出图1中所示燃料电池系统的燃料电池的发电电流 与计算反馈修正流量时所用的比例增益之间的关系的图；图4为用于解释图1中所示燃料电池系统的运行的流程图；以及 图5为示出图1中所示燃料电池系统的可选实施方式的结构图。
具体实施方式
下面参考附图描述根据本发明实施例的燃料电池系统1。在本实施例中，描述了将本发明应用于燃料电池车辆s(移动体)的车载发电系统的实例。首先，使用图1至3描述根据本发明实施例的燃料电池系统1的结构。根据本实施例的燃料电池系统1包括用于接收反应气体(氧化气体和燃料气体)的供给并发电的燃料电池10,并且该燃料电池10包括用 于向燃料电池10供给作为氧化气体的空气的氧化气体管道系统2、用 于向燃料电池10供给作为燃料气体的氢气的氢气管道系统3、及用于10以图1中所示的整体方式控制整个系统的控制装置4。燃料电池10具有通过层叠所需数量的单个发电电池而形成的用于接收反应气体的供给的堆结构。燃料电池io产生的电能供给到功率 控制单元(PCU)ll。 PCU11包括布置在燃料电池10与牵引电机12之间 的逆变器、DC-DC转换器等。另外，在燃料电池IO上安装有用于在发 电期间检测电流的电流传感器13。氧化气体管道系统2包括用于向燃料电池10供给被增湿器20增 湿的氧化气体(空气)的空气供给流动通道21、用于将从燃料电池10排 出的氧化废气导向增湿器20的空气排出流动通道22、以及用于在外部 从增湿器21引导氧化废气的废气流动通道23。空气供给流动通道21 设有压缩机24，用于从大气获取氧化气体并将其增压供给到增湿器20。氢气管道系统3包括作为燃料供给源用于存储高压(例如，70 MPa) 氢气的氢罐30、作为燃料供给流动通道用于将氢罐30中的氢气供给到 燃料电池10的氢供给流动通道31、以及用于将从燃料电池IO排出的 氢废气返回到氢供给流动通道31的循环流动通道32。氢气管道系统3 为本发明的燃料供给系统的一个实施例。可采用用来从碳氢化合物系 统产生富氢的重整气体的重整器以及用来聚积重整器在高压状态下产 生的重整气体的高压气罐作为燃料供给源，以替代氢罐30。另外，可 采用具有氢吸留合金的罐体作为燃料供给源。氢供给流动通道31设有用于切断和允许从氢罐30的氢气的供给 的截止阀33、用于调节氢气的压力的调节器34、和喷射器35。另外， 在喷射器35的上游设有用于检测氢供给流动通道31内的氢气的压力 和温度的主侧压力传感器41和温度传感器42。另外，在喷射器35的 下游、氢供给流动通道31与循环流动通道32的连接部分的上游设有 检测氢供给流动通道31内的氢气的压力的副侧压力传感器43 。调节器34为用于将上游压力(主压力)调节为预定副压力的装置。在本实施例中，采用用来降低主压力的机械式减压阀作为调节阀34。机械式减压阀可采用公知的结构，具有带背压腔和压力调节腔的壳体， 其中背压腔与压力调节腔由隔膜分隔开，用于借助于背压腔内的背压 力将压力调节腔内的主压力降低预定压力至副压力。在本实施例中，通过在喷射器35的上游布置两个调节器34可有效降低喷射器35的上 游压力，如图1中所示。可较少地限制喷射器35的机械构造(例如，阀 体、壳体、流动通道及驱动设备)的设计。另外，因为可降低喷射器35 的上游压力，所以能够减少由于喷射器35的上游和下游的压力的差压 的增加导致的移动喷射器35的阀体的困难。因此，能够增加喷射器35 的下游压力的可变调节宽度，并抑制喷射器35的响应性的降低。喷射器35为电磁驱动开关阀，其通过使用电磁驱动力以预定驱动 周期驱动阀体和将阀体从阀座分离，从而能够直接调节气体流量和气 体压力。喷射器35包括阀座，该阀座具有用于喷射氢气和其它气体的 喷射孔，还包括用于向喷射孔引导和供给气体燃料的喷管，以及阀体， 其容纳在喷管体的轴向方向上并保持在喷管体的轴向方向(气体流动方 向)上可移动用于打开和关闭喷射孔。喷射器35的阀体由例如螺线管驱 动，并且可借助于开启和关闭供给到螺线管的脉冲式激励电流来将喷 射孔的打开表面积在两个或多个水平之间转换。通过使用从控制装置4 输出的控制信号来控制喷射器35的喷射时间和正时，可高精度地控制 氢气的流量和压力。喷射器35使用电磁驱动力来直接驱动阀(阀体和阀 座)以打开和关闭，并且由于可将其驱动周期控制为高响应性的区域， 所以喷射器35具有高响应性。在本实施例中，喷射器35布置在氢供给流动通道31与循环流动 通道32的连接部分Al的上游，如图1中所示。如果采用多个氢罐30 作为燃料供给源，如图1中虚线所示，那么喷射器35布置在从氢罐30 供给的氢气合流的部分(氢气连接部分A2)的下游。排出流动通道38通过气液分离器36和水/气排泄阀37连接到循 环流动通道32上。气液分离器36从氢废气收集水分。水/气排泄阀37 根据控制装置4的指令而运行，以将气液分离器36收集的水分和循环 流动通道32内含有杂质的氢废气排到外界(净化)。另外，在循环流动 通道32内设有用于给循环流动通道32内的氢气增压和向氢供给流动 通道31侧供给氢气的氢泵39。通过水/气排泄阀37和排出流动通道38 排出的氢废气由稀释器40稀释，并与空气排出流动通道23内的氧化 废气混合。控制装置4检测设在燃料电池车辆S中的加速运行元件(加速器等) 的运行量、接收控制信息如加速请求值(例如，从负载装置如牵引电机 12请求的发电量)、并控制系统中各设备的运行。负载装置总起来说指 的是动力消耗装置，除牵引电机12之外，该动力消耗装置还包括运行 燃料电池IO所需的辅助装置(例如，压縮机24、氢泵39、用于冷却泵 的电机)、运行燃料电池车辆S所涉及的装置中使用的致动器(例如变速 器、车轮控制装置、转向装置、和悬架装置)、客舱空调(A/C)、照明、 音响装置等。控制装置4由未示出的计算机系统构成。计算机系统包括CPU、 ROM、 RAM、硬盘装置、1/0接口和显示装置，并且当CPU读取和执 行ROM中所写的控制程序时，控制装置4可执行各种控制操作。更详细地，控制装置4基于燃料电池的运行状态(当燃料电池10 发电时，由电流传感器13检测的电流值)计算燃料电池10消耗的氢气 量(在下文中称为"氢消耗量")，如图2中所示(燃料消耗量计算功能 Bl)。在本实施例中，在控制装置4的每个计算周期，使用用于表示燃 料电池10的电流值与氢消耗量的关系的特定计算公式来计算和更新氢 消耗量。另外，控制装置4基于燃料电池10的运行状态(当燃料电池10发电时，由电流传感器13检测的电流值)计算喷射器35下游位置的氢气 的目标压力值(燃料电池10的目标气体供给压力)(目标压力值计算功能B2)。在本实施例中，在控制装置4的每个计算周期，使用表示电 流值与燃料电池IO的目标压力值的关系的特定图来计算和更新副边压 力传感器43所在位置(需要压力调节的压力调节位置)的目标压力值。另外，控制装置4基于计算的目标压力值与副边压力传感器43检 测的喷射器35的下游位置(压力调节位置)的压力值(检测压力值)之间 的偏差来计算反馈修正流量(反馈修正流量计算功能B3)。所述反馈修 正流量为加到氢消耗量上以减小目标压力值与检测压力值之间偏差的 氢气流量(压力差减小修正流量)。在本实施例中，在控制装置4的每个计算周期使用PI型反馈控制 规则来计算和更新反馈修正流量。更详细地，控制装置4通过将目标 压力值与检测压力值之间的偏差(e)乘以比例增益(Kp)来计算比例型反 馈修正流量(比例项P=KP x e)、通过将偏差的时间积分值(〖e)dt)乘以积 分增益(Ki)来计算积分型反馈修正流量(积分项I = KlX〖e)dt)、并计算 包括这些添加值的反馈修正流量。另外，控制装置4根据燃料电池10的运行状态来修改在计算比例 型反馈修正流量中使用的比例增益(Kp)的值。在本实施例中，当燃料电 池10的发电电流值小于第一阈值(AO时，控制装置4将比例增益设为 下限值(KpD，并且当燃料电池10的发电电流值超过第二阈值 (A2)(A2〉AJ时，将比例增益设为上限值(Kp2)，如图3中的映射所示。 当燃料电池10的发电电流值在第一阈值(A0与第二阈值(A2)之间时， 控制装置4与发电电流值成比例地线性地将比例增益从下限值(Kpi)改 变到上限值(Kp2)，以使其单调地增加。也就是说，如果燃料电池10的 发电电流值在第一与第二阈值之间，那么比例增益的值随着发电电流 值的降低而降低，并且如果发电电流值低于第一阈值，那么比例增益 设为固定值(下限值)。同样，如果燃料电池10的发电电流值在第一阈值与第二阈值之间，那么比例增益的值随着发电电流值的升高而升高， 并且如果发电电流值高于第二阈值，那么比例增益设为固定值(上限 值)。第一阈值和第二阈值以及上限值和下限值可根据燃料电池10的规 格等来恰当地设定。当比例增益(Kp)设定为固定值时，即使燃料电池10的运行状态改变，喷射器35的氢气的供给压力值也试图以固定的响应性来跟随目标 压力值。如果在燃料电池10的发电量较低的运行状态下(低负载期间) 采用与高负载期间的比例增益类似的比例增益(Kp)，那么从喷射器35 供给的氢气无法被燃料电池IO充分地消耗掉，所以在氢供给流动通道 31和循环流动通道32内可能产生脉动，引起氢气供给状态的不稳定。 如本实施例中，可通过使低负载期间(当电流值小于第一阈值时)的比例 增益(KpO小于高负载期间(当电流值超过第二阈值时)的比例增益(Kp2) 来抑制这种脉动的发生。如果在高负载期间采用与低负载期间的比例 增益类似的比例增益(Kp)，那么从喷射器35供给的氢气大量地被燃料 电池10消耗，从而氢气的供给量可能不足，降低了目标压力值的响应 性。因此，如在本实施例中，可使高负载期间的比例增益(Kp2)大于低 负载期间的比例增益(KpD，从而提高目标压力值的响应性。结果，可 在宽范围的运行状态下(在低负载和高负载期间)稳定地供给氢气。另外，控制装置4计算对应于前次计算的目标压力值与当前计算 的目标压力之间偏差的前馈修正流量(前馈修正流量计算功能B4)。前 馈修正流量为由于目标压力值波动引起的氢气流量中的波动量(对应于 压力差的修正流量)。在本实施例中，在控制装置4的每个计算周期，使用用于表示目标压力值偏差与前馈修正流量之间关系的特定计算公 式来计算和更新前馈修正流量。另外，控制装置4基于喷射器35上游的气体状态(主侧压力传感 器41检测的氢气的压力和温度传感器42检测的氢气的温度)计算喷射 器35上游的静态流量(静态流量计算功能B5)。在本实施例中，在控制装置4的每个计算周期，使用用于表示压力和温度与喷射器35上游 的氢气的静态流量之间关系的特定计算公式来计算和更新静态流量。另外，控制装置4基于喷射器35上游的气体状态(氢气压力和温 度)和施加的电压计算喷射器35的无效喷射时间(无效喷射时间计算功 能B6)。这里，无效喷射时间意味着从喷射器35从控制装置4接收 控制信号时直到其实际开始喷射时所需的时间。在本实施例中，在控 制装置4的每个计算周期，使用用于表示喷射器35上游氢气的压力和 温度以及所施加的电压与无效喷射时间的关系的特定映射来计算和更 新无效喷射时间。另外，控制装置4通过将氢消耗量、反馈修正流量和前馈修正流 量加在一起计算喷射器35的喷射流量(喷射流量计算功能B7)。另外， 控制装置4通过将喷射器35的喷射流量除以静态流量再乘以喷射器35 的驱动周期以计算喷射器35的基本喷射时间，再将基本喷射时间加上 无效喷射时间来计算喷射器35的总喷射时间(总喷射时间计算功能 B8)。这里，驱动周期意味着用于表示喷射器35的喷射孔的打开和关 闭状态的台阶式(打开/关闭)波形。在本实施例中，驱动周期被控制装 置4设定为固定值。然后，控制装置4输出用于执行通过上述过程计算的喷射器35总 喷射时间的控制信号，从而控制喷射器35的气体喷射时间和气体喷射 正时，并调节供给到燃料电池10的氢气的流量和压力。下面，利用图4的流程图描述根据本实施例的燃料电池系统1的 运行。在燃料电池系统1的通常运行期间，氢罐30的氢气通过氢供给流 动通道31供给到燃料电池10的燃料电极，并且湿度调节空气通过空 气供给流动通道21供给到燃料电池10的氧化电极，从而发电。燃料16电池10的发出的电(所需功率)由控制装置、4计算，并且与发电量对应 的量的氧气和空气被供给到燃料电池10中。在该通常运行期间，可高 精度地控制供给到燃料电池10的氢气的压力。也就是说，首先，在燃料电池10发电期间，燃料电池系统l的控 制装置4使用电流传感器13检测电流值(电流检测步骤Sl)。然后，控制装置4基于电流传感器13检测的电流值计算燃料电池10消耗的氢气的量(氢消耗量)(燃料消耗量计算步骤S2)。然后，控制装置4基于电流传感器13检测的电流值计算喷射器 35的下游位置(压力调节位置)的氢气的目标压力值(目标压力值计算步 骤S3)。然后，控制装置4计算对应于前次计算的目标压力值与当前 计算的目标压力值之间的偏差的前馈修正流量(前馈修正流量计算步 骤S4)。然后，控制装置4使用副侧压力传感器43检测喷射器35的下游 位置(压力调节位置)的压力值(压力值检测步骤S5)。然后，控制装置 4基于目标压力值计算步骤S3中计算的目标压力值与压力值检测步骤 S5中检测的压力值(检测压力值)之间的偏差计算反馈修正流量(反馈修 正流量计算步骤S6)。在反馈修正流量计算步骤S6中，控制装置4 使用图3的映射来改变比例增益(Kp)值，以根据在电流检测步骤Sl中 检测的燃料电池10的发电电流值来计算比例型反馈修正流量。然后，控制装置4通过将燃料消耗流量计算步骤S2中计算的氢消 耗量、前馈修正流量计算步骤S4中计算的前馈修正流量和反馈修正流 量计算步骤S6中计算的反馈修正流量加起来计算喷射器35的喷射流 量(喷射流量计算步骤S7)。然后，控制装置4基于主侧压力传感器41检测的喷射器35的上 游的氢气压力和温度传感器42检测的喷射器35的上游氢气的温度来计算喷射器35的上游的静态流量(静态流量计算步骤S8)。然后，控制装置4通过将喷射流量计算步骤S7中计算的喷射器35的喷射流量 除以静态流量计算步骤S8中计算的静态流量，再乘以喷射器35的驱 动周期来计算喷射器35的基本喷射时间(基本喷射时间计算步骤S9)。然后，控制装置4基于主侧压力传感器41检测的喷射器35的上 游的氢气压力、温度传感器42检测的喷射器35的上游的氢气温度、 及所施加的电压计算喷射器35的无效喷射时间(无效喷射时间计算步 骤SIO)。然后，控制装置4通过将基本喷射时间计算步骤S9中计算 的喷射器35的基本喷射时间与无效喷射时间计算步骤S10中计算的无 效喷射时间加起来计算喷射器35的总喷射时间(总喷射时间计算步骤 Sll)。然后，控制装置4通过输出与总喷射时间计算步骤Sll中计算的 喷射器35的总喷射时间相关的控制信号、调节供给到燃料电池10的 氢气的流量和压力来控制喷射器35的气体喷射时间和气体喷射正时。在根据上述实施例的燃料电池系统1中，可根据燃料电池10的运 行状态(发电期间的电流值)来设定喷射器35的工作状态(喷射时间)。因 此，可根据燃料电池IO的运行状态来适当地改变氢气供给压力，提高 响应性。同样，由于采用喷射器35作为用于氢气的流量调节阀和可变 压力调节阀，所以能够实现高精度的压力调节(燃料电池IO的氢气供给 压力的调节)。更详细地，因为在接收控制装置4的根据燃料电池10 的运行状态的控制信号之后喷射器35能够调节氢气的喷射时间和喷射 正时，所以可比传统机械式可变压力调节阀更加快速并精确地调节压 力。另外，因为喷射器35比传统的机械式可变压力调节阀更小更轻， 并且成本更低，所以整个系统可更小并且成本更低。另外，因为在根据上述实施例的燃料电池系统1中，氢罐30与喷 射系统35之间布置有调节器34，因此从氢供给源30供给的氢气的压力即使在较高时也能被调节器34降低。因此，因为能够减少喷射器35 的上游的压力，所以可能减轻由于喷射器35的上游和下游的压力的差 压导致的移动喷射器35的阀体的困难。因此能够抑制与喷射器35不 对应的下降。另外，因为在根据上述实施例的燃料电池系统1中，在氢供给流 动通道31循环流动通道32的连接部分Al的上游布置有喷射器35， 所以可抑制氢供给流动通道31内流动的氢气与循环流动通道32内流 动的氢废气的合流压力的冲击。另外，即使在由于循环流动通道32等 内残留水分的冻结引起循环流动通道32内气体流动被阻塞的情况下， 也可不受冻结影响地调节氢气供给压力。另外，因为在根据上述实施例的燃料电池系统1中，控制装置4 基于喷射器35的上游的气体状态(压力和温度)计算静态流量和无效喷 射时间，并参照所述静态流量和无效喷射时间设定喷射器35的工作状 态(喷射时间)，所以在氢气供给期间能够基于喷射器35上游的气体状 态的变化来抑制喷射差异。另外，因为在根据上述实施例的燃料电池系统1中，控制装置4 计算反馈修正流量，以减小基于燃料电池10的运行状态(发电期间的电 流值)设定的压力调节位置的目标压力值与副侧压力传感器43检测的 检测压力值之间的偏差，并基于反馈修正流量设定喷射器35的工作状 态(喷射时间)，所以检测压力值接近于目标压力值。另外，因为在根据上述实施例的燃料电池系统1中，控制装置4 可基于燃料电池IO的发电电流值修改在计算反馈修正流量中使用的比 例增益，所以可根据燃料电池10的运行状态适当地控制喷射器35。因 此，可在宽范围的运行状态内稳定地供给氢气。另外，因为控制装置4在每个预定间隔都基于燃料电池IO的运行状态计算和更新目标压力值、计算对应于前次计算的目标压力值与当 前计算的目标压力值之间偏差的前馈修正流量、并基于前馈修正流量设定喷射器35的工作状态(喷射时间)，所以可根据目标压力值的波动 快速地改变喷射器35的工作状态，进一步提高响应性。如果不采用前 馈修正流量，那么必须使用反馈修正流量补偿由于目标压力值的波动 所引起的目标压力值与检测压力值之间所有的偏差，从而可能延迟喷射器35的控制(响应性可能降低)。相反，如果如本实施例中使用对应于目标压力值波动量的前馈修正流量，那么可抑制反馈修正流量值的增加，并且使喷射器35的控制更加快速。另外，因为根据上述实施例的燃料电池车辆S(移动体)设有能够根 据燃料电池10的运行状态而恰当地改变氢气供给压力的燃料电池系统 1，所以当在短时间段内有大的加速需求或者当有重复加速和减速时， 可输出具有高响应性的用于供给到牵引电机12的动力。另外，压力调 节宽度可根据所需动力值精确地变化，抑制浪费的氢消耗和氢循环， 并且降低燃料消耗。另外，因为根据本实施例的燃料电池车辆S设有 燃料电池系统1，其中采用喷射器35作为流量调节阀和可变压力调节 阀，所以燃料电池车辆S能够外形紧凑，成本低廉。在上述实施例中，示出了在燃料电池系统1的氢气管道系统3内 设置循环流动通道32的实例，但是排出流动通道38可直接连接到燃 料电池10上，如图5所示，以省略循环流动通道32。在也采用该结构 (端部不通)的情况下，通过使用控制装置4类似于上述实施例中来控制 喷射器35的工作状态可实现类似于上述实施例的运行效果。另外，在上述实施例中，示出了在循环流动通道32内设置氢泵 39的实例，但是也可采用喷射器替代氢泵39。另外，在上述实施例中， 示出了在循环流动通道32内设置用于排出空气和水的气/水排泄阀37 的实例，但是也可单独地设置用于将气液分离器36收集的水排到外界 的排水阀和用于将在循环流动通道32内的废气排到外界的排气阀，排气阀由控制装置4控制。另外，在上述实施例中，示出了在氢气管道系统3的氢供给流动 通道31的喷射器35的下游位置(压力调节位置需要压力调节的位置)布置副侧压力传感器43的实例，并且喷射器35的工作状态(喷射时间) 设置成调节该位置的压力(使其更加接近预定目标压力值)，但是副侧压 力传感器43的位置不限于此。例如，可将靠近燃料电池10的氢气入口(在氢供给流动通道31上) 的位置、靠近燃料电池10的氢气出口(在循环流动通道32上)的位置、 和靠近氢泵39的出口(在循环流动通道32上)的位置设为压力调节位 置，副侧传感器布置在这些地方。在这种情形下，预备好一个映射， 其中记录布置有副压力传感器的各压力调节位置的目标压力值，并基 于在该映射中记录的目标压力值和副侧压力传感器检测的压力值(检测 压力值)计算反馈修正流量。另外，在上述实施例中，示出了在氢供给流动通道31内设置截止 阀33和调节器34的实例，但是由于喷射器35可用作可变压力调节阀 并可用作用来切断氢气供给的截止阀，所以并非必须设置截止阀33和 调节器34。因为如果采用喷射器35则可省略截止阀35和调节器34， 所以可使该系统进一步紧凑且低廉。另外，在上述实施例中，示出了在燃料电池10的发电期间检测电 流值，并基于电流值计算目标压力值和氢气消耗量以设定喷射器35的 工作状态(喷射时间)的实例，但是也可检测表示燃料电池10的运行状 态的其它物理量(例如燃料电池10发电期间的电压值或功率值或者燃 料电池10的温度)，可根据检测的物理量设定喷射器35的工作状态。 另外，可通过控制装置确定燃料电池10的运行状态(例如起动状态、间 歇运行状态、通常运行状态、净化状态、燃料电池本身的异常状态、 或燃料电池系统的异常状态)的模式，并根据那些运行状态的模式设定喷射器35的工作状态(例如，喷射器35的阀体的开度(气体通过面积)、喷射器35的阀体的打开时间(气体喷射时间))。另外，在上述实施例中，示出了只有在计算比例型反馈修正流量中使用的比例增益(Kp)根据燃料电池10的运行状态(发电期间的电流值) 而变化的实例，但是相反地，在计算积分型反馈修正流量中使用的积 分增益(KO也可根据燃料电池10的运行状态而变化。当这样做时，例 如，随着燃料电池IO的发电电流降低，积分增益(Kz)可设定得更小(随 着燃料电池10的发电电流值升高，积分增益(KD可设定得更大)。因此， 可在燃料电池10的宽范围的运行状态内恰当地控制喷射器35，以恰当 地供给氢气。另外，比例增益(Kp)和积分增益(K^都可根据燃料电池10 的运行状态而变化。另外，在上述实施例中，示出了在燃料电池IO发电期间根据电流 值设定比例增益的实例，但是也可基于燃料电池IO发电期间的功率值 和电压值来设定比例增益(Kp)和积分增益(Kz)。当这样做时，使用用于 表示燃料电池10的功率值(电压值)与比例增益(Kp)和积分增益(K^之间 关系的映射来设定比例增益(Kp)和积分增益(KD。在上述实施例中，图3的映射示出了使用用于表示燃料电池10的 发电电流值与比例增益之间的关系以设定比例增益的实例，但是发电 电流值与比例增益的关系不限于图3的映射中所示的模式。另外，在 上述实施例中，示出了使用PI型反馈控制规则以计算反馈修正流量的 实例，但是也可使用其它目标踪型控制(例如，PID型反馈控制)以计算 反馈修正流量。根据本发明的燃料电池系统可安装在燃料电池车辆中，如上述实 施例中所示，并且还可安装在除燃料电池车辆之外的移动体中(例如， 机器人、船或飞行器)。另外，根据本发明的燃料电池系统还可应用于 固定的发电系统，用作结构(例如，房屋或建筑物)的发电设备。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括燃料电池；用于向所述燃料电池供给燃料气体的燃料供给系统；用于调节所述燃料供给系统的上游的气体状态和向下游供给所述气体的喷射器；以及用于以预定驱动周期来驱动和控制所述喷射器的控制装置，其中所述控制装置根据所述燃料电池的运行状态来设定所述喷射器的工作状态。
2. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料供给系统具有用于将从燃料供给源供给的燃料气体 供给到所述燃料电池的燃料供给流动通道，并且 所述喷射器设置在所述燃料供给流动通道中。
3. 如权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述燃料供给系统具有设置在所述燃料供给源与所述喷射器 之间的调节器。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统， 其中所述燃料供给系统具有用于将从所述燃料供给源供给的燃料气体供给到所述燃料电池的燃料供给流动通道、以及用于将从所述燃 料电池排出的燃料废气返回到所述燃料供给流动通道的循环流动通 道，并且所述喷射器设置在所述燃料供给流动通道与所述循环流动通道的 连接部分的上游。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统， 其中所述控制装置基于所述喷射器的上游的气体状态计算所述喷射器的上游的静态流量，并根据所述静态流量设定所述喷射器的工作 状态。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其中所述控制装置基于所述喷射器的上游的气体状态设定所述喷 射器的无效喷射时间。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统， 还包括设置在所述燃料供给系统中需要压力调节的压力调节位置处的压力传感器，其中所述控制装置计算压力差减小修正流量，用于减小基于所述 燃料电池的运行状态设定的所述压力调节位置处的目标压力值和由所 述压力传感器检测出的检测压力值的偏差，并且所述控制装置基于所 述压力差减小修正流量来设定所述喷射器的工作状态。
8. 如权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述控制装置基于所述燃料电池的运行状态来计算所述燃料 电池中的燃料消耗量，并基于所述燃料消耗量和所述压力差减小修正 流量来设定所述喷射器的工作状态。
9. 如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述控制装置基于所述燃料电池的运行状态来每隔预定时间 段计算和更新所述压力调节位置处的目标压力值，计算与在前次计算出的目标压力值和当前计算出的目标压力值之间的偏差对应的压力差 对应修正流量，并通过将所述压力差对应修正流量、所述燃料消耗量 及所述压力差减小修正流量相加来计算所述喷射器的喷射流量。
10. 如权利要求9所述的燃料电池系统，其中所述控制装置基于所述喷射器的上游的气体状态来计算所述 喷射器的上游的静态流量，并用由所述喷射器的所述喷射流量除以所 述静态流量获得的值乘以所述驱动周期来计算所述喷射器的基本喷射 时间。
11. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，其中所述控制装置基于所述喷射器的上游的气体状态来设定所述 喷射器的无效喷射时间，并通过将所述基本喷射时间与所述无效喷射 时间相加来计算所述喷射器的总喷射时间。
12. 如权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述控制装置用所述目标压力值与所述检测压力值的偏差乘 以比例增益来计算比例型压力差减小修正流量，并基于所述燃料电池 的运行状态来改变所述比例增益的值。
13. 如权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述控制装置用所述目标压力值与所述检测压力值的偏差的 积分值乘以积分增益来计算积分型压力差减小修正流量，并基于所述 燃料电池的运行状态来改变所述积分增益的值。
14. 如权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述控制装置用所述目标压力值与所述检测压力值的偏差乘 以比例增益来计算比例型压力差减小修正流量，用所述偏差的积分值 乘以积分增益来计算积分型压力差减小修正流量，并基于所述燃料电 池的运行状态来改变所述比例增益和所述积分增益的中的至少一个增
15. 如权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池的发电量越小，所述控制装置越减小所述比例 增益和所述积分增益中的至少一种增益。
16. —种移动体，包括如权利要求1至15中任一项所述的燃料电 池系统。
全文摘要
燃料电池系统(1)设有燃料电池(10)；用于向燃料电池(10)供给燃料气体的燃料供给系统(3)；用于调节燃料供给系统(3)的上游的气体状态和向下游供给气体的喷射器(35)；以及用于以预定驱动周期来驱动和控制喷射器(35)的控制装置(4)。控制装置(4)根据燃料电池(10)的运行状态来设定喷射器(35)的工作状态。能根据燃料电池的运行状态(燃料电池的发电量(功率、电流和电压)、燃料电池温度、燃料电池系统的异常状态、燃料电池主单元的异常状态等)设定喷射器的工作状态(喷射器阀体的开度(气体通过面积)、喷射器阀的打开时间(气体喷射时间)等)。因此，能根据燃料电池的运行状态恰当地改变燃料气体供给压力，从而能提高响应性。
文档编号H01M8/00GK101326667SQ20068004662
公开日2008年12月17日 申请日期2006年11月24日 优先权日2005年12月12日
发明者莲香芳信, 长沼良明 申请人:丰田自动车株式会社