燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法与流程

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燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法与流程

技术领域

本发明涉及燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法。



背景技术:

在冰点下这样的低温环境下的燃料电池系统的启动时,燃料电池组内的燃料气体流路中残留的水分结冰,燃料气体无法充分遍及燃料气体流路,燃料气体浓度不足,存在燃料电池的发电性能的下降、不稳定化、燃料电池的损伤这样的问题。为了解决该问题,提出了在低温环境下的燃料电池系统的启动之前使燃料气体流路中的燃料气体浓度增大的低温启动处理技术。

低温启动处理是使喷射器工作来向燃料电池的阳极侧送入燃料气体,使残存于阳极侧的杂质(氮、水分)与同样残存的燃料气体(氢)一起向燃料电池的外部排出的处理,因此进行使排出气体中的排出氢浓度降低至规定浓度以下的处理。排出氢浓度的降低通过使进行阴极侧的氧化气体供给的鼓风机工作并使阳极排出气体与阴极排出气体混合来实现。在低温启动处理的执行时,由于燃料电池未启动,所以鼓风机、喷射器等的驱动使用二次电池的电力。

然而,在低温环境下,二次电池中的起电能力也下降,因此从二次电池供给的电力量是有限制的,有时无法使燃料气体流路中的氢浓度上升至期望的氢浓度,即无法完成低温启动处理。并且,根据二次电池的充电状态,有在燃料气体流路中的氢浓度更低的状态下必须停止低温启动处理的问题。



技术实现要素:

因此,期望一种在低温环境下不受二次电池的电力供给能力的影响而使燃料电池的燃料气体流路中的氢浓度上升至期望的氢浓度的技术,即完成低温启动处理的技术。

本发明是为了解决上述的课题而完成的,能够作为以下的方式实现。

第一方式提供一种燃料电池系统。第一方式的燃料电池系统具备:燃料电池,在内部具有燃料气体流路;二次电池;燃料气体浓度上升机构,使所述燃料气体流路中的燃料气体浓度上升;温度测定部,测定与所述燃料电池相关的温度;以及控制部,在由所述温度测定部测定出的温度低于规定的温度的情况下,使用所述二次电池的电力来使所述燃料气体浓度上升机构工作,执行使所述燃料气体浓度朝向第一目标浓度上升的燃料气体浓度上升处理,所述控制部在所述燃料气体浓度成为比所述第一目标浓度低的第二目标浓度以上时,使由所述燃料电池进行的发电开始并使用来自所述燃料电池的电力来使所述燃料气体浓度上升机构工作,执行所述燃料气体浓度上升处理直至所述燃料气体浓度成为所述第一目标浓度以上为止。

根据第一方式的燃料电池系统,在燃料气体浓度上升处理执行中,在燃料气体浓度成为比燃料气体浓度上升处理的完成时的目标浓度即第一目标浓度低的第二目标浓度以上时,使由燃料电池进行的发电开始并使用来自燃料电池的电力来使燃料气体浓度上升机构工作,因此能够在低温环境下不受二次电池的电力供给能力的影响而使燃料电池的燃料气体流路中的氢浓度上升至期望的氢浓度。

在第一方式的燃料电池系统中,可以的是,所述燃料电池具备与所述燃料气体流路连通的燃料气体导入部和燃料废气排出部,所述燃料气体浓度上升机构包括:燃料气体供给装置,与所述燃料气体导入部连接;以及燃料废气排出阀,与所述燃料废气排出部连接,所述控制部对所述燃料气体供给装置进行控制来使燃料气体经由所述燃料气体导入部向所述燃料气体流路供给,并且对所述燃料废气排出阀进行控制来使燃料废气经由所述燃料废气排出部从所述燃料气体流路排出,由此执行所述燃料气体浓度上升处理。在该情况下,通过对燃料气体供给装置进行控制来使燃料气体经由燃料气体导入部向燃料气体流路供给,并且使燃料废气经由燃料废气排出部从燃料气体流路排出,从而能够执行燃料气体浓度上升处理。

可以的是,第一方式的燃料电池系统还具备:燃料气体循环管,将所述燃料废气排出部与所述燃料气体导入部连接,使排出的所述燃料废气循环;以及循环泵,配置于所述燃料气体循环管,所述控制部在所述燃料气体浓度上升处理的执行前使由所述循环泵实现的燃料废气的循环停止,在所述燃料气体浓度上升处理的完成后使由所述循环泵实现的所述燃料废气的循环开始。在该情况下,在燃料气体浓度上升处理时使循环泵停止,因此能够防止残存于燃料气体流路的非燃料气体对于燃料气体流路的再分配。

可以的是,第一方式的燃料电池系统还具备压力传感器,该压力传感器测定所述燃料气体流路的压力,所述控制部具有预先准备的与所述第一目标浓度对应的第一燃料废气量和与所述第二目标浓度对应的第二燃料废气量,使用由所述压力传感器测定出的压力值来算出从所述燃料电池排出的燃料废气的累计排气量,通过对算出的所述燃料废气的累计排气量是否为所述第一燃料废气量以上及算出的所述燃料废气的累计排气量是否为所述第二燃料废气量以上进行判定,来判定所述燃料气体浓度是否为所述第一目标浓度以上以及所述燃料气体浓度是否为所述第二目标浓度以上。在该情况下,可以不用设置氢浓度传感器,而使用通常大多数情况下具备的压力传感器并基于燃料废气的累计排气量来判定燃料气体流路中的燃料气体浓度是否为第一目标浓度以上以及燃料气体流路中的燃料气体浓度是否为第二目标浓度以上。

可以的是,第一方式的燃料电池系统还具备流量计,该流量计测定从所述燃料电池排出的燃料废气的流量,所述控制部具有预先准备的与所述第一目标浓度对应的第一燃料废气量和与所述第二目标浓度对应的第二燃料废气量,使用通过所述流量计测定出的流量值来算出从所述燃料电池排出的燃料废气的累计排气量,通过对算出的所述燃料废气的累计排气量是否为所述第一燃料废气量以上及算出的所述燃料废气的累计排气量是否为所述第二燃料废气量以上进行判定,来判定所述燃料气体浓度是否为所述第一目标浓度以上以及所述燃料气体浓度是否为所述第二目标浓度以上。在该情况下,可以不用设置氢浓度传感器,而使用通常经常使用的流量计并基于燃料废气的累计排气量来判定燃料气体流路中的燃料气体浓度是否为第一目标浓度以上以及燃料气体流路中的燃料气体浓度是否为第二目标浓度以上。

可以的是,第一方式的燃料电池系统还具备燃料气体浓度传感器,该燃料气体浓度传感器测定所述燃料气体浓度,所述控制部使用由所述燃料气体浓度传感器测定出的燃料气体浓度来判定所述燃料气体浓度是否为所述第一目标浓度以上以及所述燃料气体浓度是否为所述第二目标浓度以上。在该情况下,能够更高精度地测定燃料气体流路中的燃料气体浓度,能够实现燃料气体浓度上升处理中的从燃料电池的电力供给的定时的最佳化。

在第一方式的燃料电池系统中,可以的是,所述控制部在由所述温度测定部测定出的温度为所述规定的温度以上的情况下或者在所述燃料气体浓度成为所述第一目标浓度以上且所述燃料气体浓度上升处理完成之后,执行与输出要求相应的燃料电池的运转控制处理。在该情况下,能够根据输出要求来使燃料电池工作。

第二方式提供一种燃料电池系统的控制方法。第二方式的燃料电池系统的控制方法包括:取得与燃料电池相关的温度,所述燃料电池在内部具有燃料气体流路;在取得的所述温度低于规定的温度的情况下,使用二次电池的电力来使燃料气体浓度上升机构工作,而使所述燃料气体流路中的燃料气体浓度朝向第一目标浓度上升,所述燃料气体浓度上升机构是使所述燃料气体流路中的燃料气体浓度上升的机构;在所述燃料气体浓度成为比所述第一目标浓度低的第二目标浓度以上时,使由所述燃料电池进行的发电开始并使用来自所述燃料电池的电力来使所述燃料气体浓度上升机构工作,而使所述燃料气体浓度上升直至所述燃料气体浓度成为所述第一目标浓度以上为止;在所述燃料气体浓度成为所述第一目标浓度以上时,根据输出要求来对所述燃料电池的运转进行控制;以及在所述取得的所述温度为所述规定的温度以上的情况下,根据输出要求来对所述燃料电池的运转进行控制。

根据第二方式的燃料电池系统的控制方法,能够获得与第一方式的燃料电池系统同样的作用效果。并且,第二实施方式的燃料电池系统的控制方法与第一方式的燃料电池系统一样能够以各种方案来实现。

本发明也能够作为燃料电池系统的控制程序来实现。

附图说明

图1是示意性地表示第一实施方式的燃料电池系统的结构的说明图。

图2是表示搭载第一实施方式的燃料电池系统的车辆的说明图。

图3是说明需要氢浓度上升处理的理由的说明图。

图4是表示第一实施方式的氢浓度上升处理的处理例程的流程图。

图5是表示氢浓度上升处理时的各要素的动作状态的时间图。

图6是说明使用累计燃料废气量来推定燃料气体流路内的氢浓度的理论的说明图。

图7是示意性地表示第二实施方式的燃料电池系统的结构的说明图。

图8是表示第二实施方式的氢浓度上升处理的处理例程的流程图。

图9是表示第二实施方式的氢浓度上升处理时的各要素的动作状态的时间图。

图10是表示第一变形例中的燃料废气排出部周边的结构的说明图。

图11是表示第二变形例中的氧化气体供给系统的结构的说明图。

具体实施方式

以下说明本发明的燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法。

·第一实施方式:

图1是示意性地表示第一实施方式的燃料电池系统的结构的说明图。燃料电池系统FC具备燃料电池10、燃料气体供给系统、氧化气体供给系统、冷却系统及控制部50。需要说明的是,在本实施例中,反应气体是向燃料电池10中的电化学反应提供的燃料气体及氧化气体的总称。需要说明的是,作为燃料气体,例如包括纯氢、氢含有量高的富氢气体,作为氧化气体,例如包括空气(大气)、氧。

燃料电池10具有被供给燃料气体的阳极以及被供给氧化气体的阴极。在本实施例中,使用固体高分子型的燃料电池,燃料电池10具备膜电极接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly),该膜电极接合体在电解质膜的各面上具备载持有阳极催化剂的阳极催化剂层以及载持有阴极催化剂的阴极催化剂层。需要说明的是,除了阳极催化剂层及阴极催化剂层以外,可以还具备由气体扩散性高的材质例如多孔体、膨胀合金构成的阳极气体扩散层及阴极气体扩散层。

电解质层可通过固体高分子电解质膜例如由包含全氟化碳磺酸的氟系树脂构成的质子传导性的离子交换膜来形成。阳极催化剂层及阴极催化剂层包含促进电化学反应的催化剂,例如由铂(Pt)或铂合金这样的贵金属或贵金属合金构成的催化剂,所述贵金属合金由贵金属和其他金属构成。各催化剂层可以通过涂敷于电解质层的表面来形成,或者也可以通过使催化剂金属载持于各气体扩散层来与各气体扩散层一体地形成。各气体扩散层可以使用具有导电性及气体透过性的部件,例如碳制多孔体、碳纸。

燃料电池10具备燃料气体流路105,在阳极具备燃料气体导入部100a及燃料废气排出部100b,在阴极具备氧化气体供给部100c及氧化废气排出部100d。燃料气体导入部100a和燃料废气排出部100b经由燃料气体流路105连通(连接)。

燃料气体供给系统具备氢气罐11、氢供给装置12、燃料气体供给管110以及燃料废气排出管111。氢气罐11是为了供给燃料气体即氢而用高压储藏氢气的氢储藏部。除此以外,也可以使用利用了氢储藏合金、碳纳米管的氢储藏部和储藏液体氢的氢储藏部。

燃料电池10的燃料气体导入部100a和氢气罐11通过燃料气体供给管110来连接。在燃料气体供给管110上配置有压力控制阀21、氢供给装置12及压力传感器62。压力控制阀21将从氢气罐11供给的燃料气体的压力调整成规定的压力,并且根据来自控制部50的闭阀要求来形成闭阀状态并停止从氢气罐11向燃料电池10的燃料气体的供给。氢供给装置12根据来自控制部50的控制信号,对从氢气罐11放出(供给)的规定压力的燃料气体的压力进行减压,并且将燃料气体的流量调整成期望的流量,将燃料气体向燃料电池10供给。作为燃料气体供给装置的氢供给装置12可以使用例如一个或多个氢喷射器。氢供给装置12及后述的燃料废气排出阀22构成使燃料气体流路105中的燃料气体浓度上升的燃料气体浓度上升机构。压力传感器62对燃料电池10内的压力即燃料气体流路105的压力进行检测。

在燃料电池10的燃料废气排出部100b配置有气液分离器13及燃料废气排出阀22。燃料废气排出管111的一端连接于燃料废气排出阀22,燃料废气排出管111的另一端连接于氧化废气排出管121。气液分离器13将包含于燃料废气的气体成分和液体成分分离。燃料废气排出阀22通过控制部50来控制,在开阀状态下容许来自气液分离器13的液体成分、主要为生成水的排出,在闭阀状态下停止来自气液分离器13的液体成分的排出。燃料废气排出阀22通常被闭阀,通过定期地使燃料废气排出阀22开阀,将蓄积于气液分离器13的液体成分经由燃料废气排出管111及氧化废气排出管121向燃料电池10的外部排出。

氧化气体供给系统包括氧化气体供给管120、氧化气体鼓风机32、氧化废气排出管121、消声器14。在燃料电池10的氧化气体供给部100c连接有氧化气体供给管120,氧化气体鼓风机32和燃料电池10经由氧化气体供给管120连接。在氧化气体供给管120上具备用于将阴极从大气密封的第一阴极密封阀23。在燃料电池10的氧化废气排出部100d连接有氧化废气排出管121。在氧化废气排出管121上具备第二阴极密封阀24、消声器14。第二阴极密封阀24与氧化气体鼓风机32协作来调整阴极压力,并且与第一阴极密封阀协作来将阴极从大气密封。消声器14降低与阴极废气的排出相伴产生的排气声。

在燃料电池10的输出端子即阳极端子101及阴极端子102经由电力控制部40连接有二次电池41及作为负载的驱动用电动机42。在本实施方式中,二次电池41使用锂离子电池,驱动用电动机42使用三相交流电动机。作为二次电池41,除此以外,也可以使用镍氢电池、电容器,作为驱动用电动机42,也可以使用直流电动机或其他交流电动机。二次电池41通过由燃料电池10生成的电力或在车辆的减速时获得的再生电力来充电。储存于二次电池41的电力用于在燃料电池10的运转开始时驱动辅机,或者不使燃料电池10运转而通过驱动用电动机42驱动车辆。在燃料电池系统FC搭载于车辆的情况下,作为负载,除了驱动用电动机42以外,还可以使用例如用于使燃料电池10工作的辅机驱动用的促动器(未图示,主要为电动机)。

电力控制部40具备第一DC-DC转换器、变换器、第二DC-DC转换器,所述第一DC-DC转换器用于将二次电池41的输出电压降压并向低电压辅机输出,所述变换器用于为了对驱动用电动机42进行驱动而将来自燃料电池10或二次电池41的直流电流变换成交流电流,或者在再生时将通过由驱动用电动机42进行的发电而获得的交流电流变换成直流电流,所述第二DC-DC转换器将二次电池41的输出电压升压至驱动用电动机42的驱动电压,并且为了对二次电池41进行充电而将燃料电池10的输出电压及再生时的驱动用电动机42的输出电压降压。

电力控制部40对二次电池41的充电或放电进行控制,并且以使二次电池41的充电状态(SOC:State of Charge)成为规定的范围内的方式对二次电池41的充电状态进行控制。电力控制部40根据来自控制部50的控制信号对驱动用电动机42的旋转进行控制,并且执行将通过驱动用电动机42发电的电力储存于二次电池41的充电控制,所述驱动用电动机42在再生时作为发电机起作用。

在阳极端子101及阴极端子102上连接有用于测定燃料电池的电压的作为电压测定部的电压计60,计测燃料电池10具备的所有单电池的输出电压。在与燃料电池10的阴极端子102连接的电源线缆上配置有电流计61。

冷却系统包括热交换器15、冷却液用泵33及作为温度测定部的温度传感器63。燃料电池10和热交换器15经由冷却液配管130连接。在冷却液配管130上配置有用于使冷却液配管130内的冷却液循环的冷却液用泵33。温度传感器63配置于与热交换器15的出口侧连接的冷却液配管130,测定冷却液温度。需要说明的是,冷却液作为制冷剂使用,除了水及防冻液以外,也可以使用通过在气体与液体之间发生相变化而在与例如大气之间进行热的传递的冷却物质。

控制部50根据从输出要求检测部65输入的输出要求来对燃料电池系统FC的动作进行控制。输出要求检测部65包括例如对来自驾驶者的输出要求进行检测的加速器踏板、燃料电池系统FC的辅机的控制部。控制部50具备中央运算装置(CPU)51、存储器52、输入输出接口53。CPU51、存储器52及输入输出接口53通过双向通信总线相互连接。CPU51执行存储于存储器52的程序,对燃料电池系统FC的动作进行控制。CPU51可以为多线程CPU,或者也可以作为多个CPU的集合体的总称使用。存储器52中存储有用于执行氢浓度上升处理的氢浓度上升处理程序P1、用于执行燃料电池系统FC整体的运转控制处理的燃料电池控制程序P2,所述氢浓度上升处理是在燃料电池系统的启动时使燃料气体流路105内的氢浓度上升的处理。这些程序P1、P2通过CPU51来执行,由此作为氢浓度上升处理执行部、燃料电池控制部起作用。并且,存储器52具备用于暂时存储CPU51的运算结果的作业区域。输入输出接口53是供计测信号线及控制信号线连接的接口,所述计测信号线及控制信号线用于将在控制部50的外部具备的各种传感器及促动器与控制部50连接。在本实施例中,未图示的作为输出要求传感器的加速器开度传感器、氢供给装置12、压力控制阀21、燃料废气排出阀22、第一、第二阴极密封阀23、24、氧化气体鼓风机32、冷却液用泵33、电力控制部40分别经由控制用信号线连接于输入输出接口53,电压计60、电流计61、压力传感器62及温度传感器63经由计测信号线连接于输入输出接口53。

简单说明燃料电池系统FC的动作。储藏于氢气罐11的高压氢气在通过压力控制阀21减压之后,又通过氢供给装置12调整成规定的压力及燃料气体流量,并经由燃料气体供给管110及燃料气体导入部100a向燃料电池10的阳极供给。向燃料电池10内供给的燃料气体中的包括未向起电反应提供的燃料气体在内的燃料废气(阳极废气)在规定的定时经由燃料废气排出部100b及燃料废气排出管111向氧化废气排出管121导入,通过阴极废气稀释为规定氢浓度以下,从消声器14向大气中放出。

通过氧化气体鼓风机32取入的大气(空气)经由氧化气体供给管120及氧化气体供给部100c向燃料电池10的阴极供给。控制部50在燃料电池10运转时使第一及第二阴极密封阀23、24为开阀状态。

供给到阳极的氢通过阳极催化剂层而分离成氢离子(质子)和电子,氢离子经由膜电极接合体向阴极移动,电子经由外部电路向阴极催化剂层移动。移动到阴极的氢离子在阴极催化剂层中与供给到阴极的氧及经由外部电路的电子发生反应,生成水。通过该一系列的反应,能够得到用于驱动负载的电流。

图2是表示搭载第一实施方式的燃料电池系统的车辆的说明图。在本实施方式中,燃料电池系统FC搭载于车辆(轿车)80。基于从输出要求检测部65即加速器踏板输入的输出要求,控制部50进行上述的处理,从燃料电池10向驱动用电动机42供给电力,对车轮81进行驱动而使车辆80行驶。

说明第一实施方式的作为燃料气体浓度上升处理的氢浓度上升处理。需要说明的是,在本说明书中,使用氢气作为燃料气体,因此有时将燃料气体称为氢气(氢)。首先,说明执行氢浓度上升处理的理由。图3是说明需要氢浓度上升处理的理由的说明图。需要说明的是,在图3中,用实线表示与第一实施方式有关的构成要素,用双点划线表示仅与第二实施方式有关的构成要素。在燃料电池10的运转停止时,执行使燃料气体流路105内的水分向燃料电池10外部排出并用燃料气体充满阳极侧的清洗处理。然而,将燃料气体流路105内的水分全部排出并不现实,结果在燃料气体流路105中残存有残留水分。燃料电池10在低温环境下例如冰点以下(小于0度)的环境下放置时,燃料气体流路105内的残留水分结冰而成为结冰体BL。车辆在夜间驻车后,在白天的长时间驻车后,生成结冰体BL的可能性尤其变高。结冰体BL将燃料气体流路105a堵塞或成为燃料气体流路105a中的燃料气体的流动阻力,与不存在结冰体BL的燃料气体流路105b相比,燃料气体即氢难以遍及燃料气体流路105a。其结果是,在存在结冰体BL的燃料气体流路105a中,发生燃料气体不足(燃料气体浓度不足),可能产生燃料电池10的发电性能的下降、不稳定化、燃料电池的损伤。因此,在燃料电池10的低温启动时,执行将燃料废气排出阀22打开,从氢供给装置12供给燃料气体,用燃料气体置换燃料气体流路105内的残存气体等的氢浓度上升处理。

图4是表示第一实施方式的氢浓度上升处理的处理例程的流程图。图5是表示氢浓度上升处理时的各要素的动作状态的时间图。图6是说明使用累计燃料废气量来推定燃料气体流路内的氢浓度的理论的说明图。第一实施方式的氢浓度上升处理通过控制部50(CPU51)执行氢浓度上升处理程序P1来实现。

CPU51在接受用于使燃料电池系统启动的启动开关的接通输入时,执行氢浓度上升处理程序P1,取得由温度传感器63测定出的冷却液温度Tw(℃)(步骤S100)。冷却液温度Tw为与燃料电池10(燃料电池系统FC)相关的温度,作为表示燃料电池10的内部温度(燃料气体流路105的温度)的指标使用。需要说明的是,在本实施方式中,温度传感器63将与温度值对应的测定值(电压值、电流值)向控制部50输入。CPU51判定冷却液温度Tw是否小于0℃(Tw<0℃),即燃料电池10的温度是否为冰点以下(步骤S110)。

在CPU51判定为冷却液温度Tw不小于0℃(Tw≥0℃)的情况下(步骤S110:否),结束本处理例程,根据输出要求来执行使燃料电池10工作的燃料电池控制程序P2。

在CPU51判定为冷却液温度Tw小于0℃的情况下(步骤S110:是),开始氢浓度上升处理(步骤S120)。CPU51向燃料废气排出阀22发送开阀信号,向氢供给装置12发送氢供给信号(T0)。CPU51向氧化气体鼓风机32发送氧化气体供给信号,向第一阴极密封阀23及第二阴极密封阀24发送开阀信号(T0)。需要说明的是,以下,将在氢浓度上升处理时工作的氢供给装置12、燃料废气排出阀22、第一阴极密封阀23、第二阴极密封阀24及氧化气体鼓风机32总称为对象辅机。在接受开阀信号的燃料废气排出阀22、第一及第二阴极密封阀23、24中,未图示的促动器通过二次电池41的电力将阀打开。在接受供给信号的氢供给装置12及氧化气体鼓风机32中,未图示的喷射器及泵通过二次电池41的电力进行工作。即,在氢浓度上升处理的开始时,二次电池41与各对象辅机连接,通过二次电池41的电力来驱动各对象辅机的促动器,与各对象辅机未连接的燃料电池10不进行发电。在图5及图6中,横轴表示经过时间(sec),T0对应于氢浓度上升处理的开始时,T1对应于燃料气体浓度(氢浓度)达到第二目标浓度Dh2的时期,T2对应于氢浓度上升处理的完成时。需要说明的是,本氢浓度上升处理不是根据经过时间而是根据燃料气体浓度来控制各对象辅机的动作,因此T1及T2并非一定为同一时间。

氢浓度上升处理开始后,残存于燃料气体流路105的残存气体被通过氢供给装置12供给的氢气朝向燃料废气排出部100b压出。到达燃料废气排出部100b的残存气体及氢气经过气液分离器13及燃料废气排出阀22,经由燃料废气排出管111导向氧化废气排出管121。在氧化气体供给系统中,氧化气体鼓风机32工作,氧化气体从氧化气体供给部100c向未图示的氧化气体流路供给,从氧化废气排出部100d向氧化废气排出管121排出。因此,导向氧化废气排出管121的残存气体及氢气在由氧化废气稀释至氢浓度成为规定浓度以下之后,从消声器14向大气中放出。

CPU51判定燃料气体流路105内的燃料气体浓度(氢浓度)Dh是否成为第二目标浓度Dh2以上(步骤S130),在成为Dh≥Dh2之前继续上述的处理(步骤S130:否)。在氢浓度上升处理中作为处理结束的目标的第一目标浓度Dh1对应于为了使燃料电池10产生根据来自输出要求检测部65的输出要求对驱动用电动机42进行驱动的电力而要求的氢浓度。因此,有时为了实现第一目标浓度Dh1而需要时间,尤其在低温环境下,二次电池41的起电性能也下降,有可能无法获得足够的电力量,无法达成第一目标浓度Dh1。因此,在第一实施方式中,导入为了对象辅机的驱动所需要的电力的发电而要求的氢浓度即比第一目标浓度Dh1低的第二目标浓度Dh2,在成为Dh≥Dh2的时刻开始由燃料电池10进行的发电,不依赖于二次电池41的电力而驱动对象辅机,完成氢浓度上升处理。需要说明的是,第二目标浓度Dh2是即使执行发电,燃料电池10也不会损伤,即不会使催化剂劣化或者催化剂的劣化的程度较小的氢浓度,是针对燃料电池系统FC的每个类型而实验性地求出并预先确定的特性值。

在本实施方式中,取代使用氢浓度传感器这样的燃料气体浓度传感器来直接检测燃料气体流路105内的氢浓度,方便而言为燃料废气中的氢浓度Dh,而将从氢浓度上升处理开始时排出的燃料废气的累计排气量(L)即累计燃料废气量AG作为用于判定(推定)燃料气体流路105内的氢浓度Dh的指标来使用。即,使用基于燃料气体浓度(氢浓度)与累计燃料废气量的关系而预先确定的与第一目标浓度Dh1对应的第一燃料废气量AG1及与第二目标浓度Dh2对应的第二燃料废气量AG2,来判定燃料气体流路105内的氢浓度Dh。CPU51可以使用累计燃料废气量AG来假设性地取得燃料气体浓度并进行判定。需要说明的是,求出累计燃料废气量AG的处理、以及使用累计燃料废气量AG来进行的燃料气体浓度是否为第一目标浓度Dh1以上及燃料气体浓度是否为第二目标浓度Dh2以上的判定可以由与CPU51不同的CPU执行,通过将判定结果向CPU51提供而执行基于CPU51的燃料气体浓度上升处理。关于该理论,参照图3及6进行说明。

换言之,氢浓度上升处理是通过氢气来置换燃料气体流路105中的残存气体的处理。从氢供给装置12至燃料气体导入部100a为止的的燃料气体供给管110的容量、燃料气体流路105的总容量、从燃料废气排出部100b至燃料废气排出阀22为止的燃料废气排出管111的容量以及气液分离器13的容量在设计上是已知的。因此,也能够算出为了实现燃料电池10的稳定工作所要求的氢浓度即第一目标浓度Dh1而应供给的供给氢气量,即应从燃料废气排出部100b排出的第一燃料废气量AG1(应置换的气体量)。需要说明的是,在氢浓度上升处理中,将燃料废气排出阀22开阀,因此伴随于燃料废气的排出而燃料气体流路105的压力下降。因此,如图6所示,对于燃料电池10,以将燃料气体流路105的压力维持成规定压力(高与低之间的压力)的方式间歇性地供给氢气。其结果是,燃料废气也间歇性地排出,因此在本实施方式中,为了明示间歇性地排出的累计燃料废气量的总量而使用累计燃料废气量AG的用语。燃料废气量通过将由配置于燃料气体供给管110的压力传感器62检测到的燃料气体流路105的压力代入范德瓦尔斯的状态方程式来求出。

因此,步骤S130中的是否Dh≥Dh2的判定使用为了实现第二目标浓度Dh2而应排出的第二燃料废气量AG2来执行。具体而言,CPU51取得经由压力传感器62检测到的燃料气体流路105的压力,使用取得的压力来算出累计燃料废气量AG,判定是否累计燃料废气量AG≥第二燃料废气量AG2。第二燃料废气量AG2使用第一目标浓度Dh1与第一燃料废气量AG1的关系和预先确定的第二目标浓度Dh2,例如通过比例计算来决定,或者针对燃料电池系统FC的每个类型而实验性地求出。在图6的例子中,第二燃料废气量AG2设为第一燃料废气量AG1的50%的值,但是仅仅为例示,例如也可以为第一燃料废气量AG1的30%~70%的值。

在CPU51判定为Dh≥Dh2时(步骤S130:是),开始从燃料电池10向对象辅机的电力供给(步骤S140)。在图5及图6中,相当于时间T1的时刻。CPU51将燃料电池10与对象辅机连接,向燃料废气排出阀22发送闭阀信号,对于其他对象辅机,使其动作继续。其结果是,燃料电池10开始发电,发电的电力用于各对象辅机的促动器的驱动。如图5所示,CPU51使燃料电池10的发电量(电流值)慢慢增大,使二次电池41的电流值慢慢减小,在通过燃料电池10能够供给各对象辅机的驱动所要求的电力时,停止从二次电池41向各对象辅机的电力供给。

CPU51判定燃料气体流路105内的氢浓度Dh是否成为第一目标浓度Dh1以上(步骤S150),在成为Dh≥Dh1之前继续上述的处理(步骤S150:否)。在CPU51判定为Dh≥Dh1时(步骤S150:是),结束本处理例程,完成氢浓度上升处理。需要说明的是,在进行氢浓度Dh是否达到第一目标浓度Dh1的判定时,也使用累计燃料废气量AG。CPU51使用从压力传感器62取得的燃料气体流路105的压力来判定累计燃料废气量AG是否成为第一燃料废气量AG1以上,由此判定是否Dh≥Dh1。

根据以上说明的第一实施方式的燃料电池系统FC,控制部50以比作为氢浓度上升处理的完成目标的第一目标浓度Dh1低的第二目标浓度Dh2来开始基于燃料电池10的发电,取代二次电池41的电力而通过燃料电池的电力来驱动对象辅机。因此,能够不依赖于二次电池41的电力容量,完成氢浓度上升处理。

在第一实施方式中,使用从燃料电池10排出的累计燃料废气量AG来判定燃料气体流路105内的氢浓度是否成为第一或第二目标浓度Dh1、Dh2以上。因此,由测定环境引起的误差较小,能够基于测定容易的参数来判定燃料气体流路105内的氢浓度是否成为第一或第二目标浓度Dh1、Dh2以上。需要说明的是,使用累计燃料废气量AG的氢浓度的推定如上述那样是氢浓度上升处理中十分有意义的方法。并且,能够不进行规定浓度的氢的有无的检测,不用重新使用用于测定氢浓度的氢浓度传感器而能够判定燃料气体流路105内的氢浓度是否为第一或第二目标浓度Dh1、Dh2以上。

·第二实施方式:

以下,说明第二实施方式的燃料电池系统FCa。图7是示意性地表示第二实施方式的燃料电池系统的结构的说明图。第二实施方式的燃料电池系统FCa在以下两点上与第一实施方式的燃料电池系统FC不同:具备将燃料废气重新投入燃料电池10的燃料废气循环系统;取代氢浓度上升处理程序P1,具备包含燃料废气循环系统的氢浓度上升处理程序P1a。需要说明的是,对于其他结构,由于与第一实施方式的燃料电池系统FC相同,所以标注与在第一实施方式中使用的标号相同的标号并省略说明。

燃料废气循环系统具备燃料废气循环管112和燃料废气循环泵31,所述燃料废气循环管112将燃料电池10的燃料废气排出部100b与燃料气体供给管110中的氢供给装置12的下游部连接,所述燃料废气循环泵31配置于燃料废气循环管112。燃料废气循环泵31经由控制用信号线与控制部50的输入输出接口53连接,由控制部50控制,向阳极重新投入燃料废气,并且调整应向阳极供给的燃料气体流量,降低或防止燃料气体流路105中的燃料气体分布(燃料气体浓度)的偏差。需要说明的是,可以不用具备气液分离器13及燃料废气排出阀22而将燃料废气循环管112直接连接于燃料电池的燃料废气排出部100b。

说明第二实施方式中的氢浓度上升处理。第二实施方式的氢浓度上升处理通过CPU51执行氢浓度上升处理程序P1a来实现。图8是表示第二实施方式的氢浓度上升处理的处理例程的流程图。图9是表示第二实施方式的氢浓度上升处理时的各要素的动作状态的时间图。第二实施方式的氢浓度上升处理除了增加了对于燃料废气循环泵31的处理步骤这点以外,与第一实施方式的氢浓度上升处理相同。关于其他的处理步骤,对于与第一实施方式的氢浓度上升处理中的处理步骤相同的处理步骤,标注与在第一实施方式中使用的步骤编号相同的步骤编号并省略说明。

CPU51在步骤S100及S110的处理执行后,开始氢浓度上升处理(步骤S121)。CPU51在使燃料废气循环泵31停止之后,执行在第一实施方式中说明的氢浓度上升处理。如已述的那样,燃料废气循环泵31为了抑制或防止燃料气体流路105中的燃料气体浓度的偏差而工作。因此,在燃料电池系统FCa的启动时,之前的燃料电池系统FCa的停止时残存于燃料气体流路105的除氢以外的成分例如氮、氧与作为燃料气体的氢一起向燃料气体流路105分散供给。如图3所示,在结冰体BL存在于燃料气体流路105a的情况下,向本来仅想供给氢的燃料气体流路105a供给氮、氧,无法使氢浓度上升。其结果是,用于填补不足的氢浓度的氢浓度上升处理的实效性变低。因此,在氢浓度上升处理时,使燃料废气循环泵31停止,仅将从氢供给装置12供给的氢向燃料气体流路105供给。

CPU51在步骤S130~S150的处理执行后完成氢浓度上升处理时(步骤S150:是),使燃料废气循环泵31启动(步骤S160),结束本处理例程。

根据以上说明的第二实施方式的燃料电池系统FCa,在具备燃料废气循环泵31的情况下,控制部50在氢浓度上升处理的执行时使燃料废气循环泵31停止。因此,能够防止作为氢浓度上升处理的阻碍的以燃料废气的循环为起因的残存氮、氧等向燃料气体流路105的分配。其结果是,在具备燃料废气循环泵31的燃料电池系统FCa中,与第一实施方式的燃料电池系统FC一样,也能够不依赖于二次电池41的电力容量而完成氢浓度上升处理。

以下,说明变形例。

(1)第一变形例:

图10是表示第一变形例中的燃料废气排出部周边的结构的说明图。在上述各实施方式中,不用测定燃料气体流路105(燃料废气)中的氢浓度,使用累计燃料废气量来判定燃料气体流路105中的氢浓度是否成为第一或第二目标浓度Dh1、Dh2以上。相对于此,在第一变形例中,在燃料废气排出部100b与气液分离器13之间的燃料废气排出管111上具备作为燃料气体浓度取得部的氢浓度传感器64。氢浓度传感器64经由计测信号线连接于控制部50的输入输出接口53。由于必须判定燃料气体流路105中的氢浓度是否达到第一及第二目标浓度Dh1、Dh2这两个目标浓度,所以氢浓度传感器64不是对规定浓度以上的氢浓度进行检测的氢浓度传感器,而是能够输出与氢浓度对应的计测信号的氢浓度传感器。通过使用氢浓度传感器64,能够以更高的精度来判定燃料气体流路105中的氢浓度,能够进一步降低或防止给燃料电池10带来损伤等的可能性,并能够更准确地判定氢浓度上升处理中的基于燃料电池10的电力供给开始时期。

(2)第二变形例:

图11是表示第二变形例中的氧化气体供给系统的结构的说明图。在上述各实施方式中,在燃料电池10的外部不具备将来自氧化气体鼓风机32的氧化气体向氧化废气排出管121供给的结构。在第二变形例中,具备旁通燃料电池10并将来自氧化气体鼓风机32的氧化气体向氧化废气排出管121供给的结构。在氧化气体供给管120上,取代第一阴极密封阀23而配置有分流阀23a,分流阀23a和第二阴极密封阀24的下游侧的氧化废气排出管121通过旁通管122连接。分流阀23a经由控制信号线连接于控制部50的输入输出接口53。CPU51在使来自氧化气体鼓风机32的氧化气体旁通的情况下,使第二阴极密封阀24闭阀,实现来自氧化气体鼓风机32的氧化气体仅在旁通管122流动的旁通流FL1。另一方面,CPU51在将来自氧化气体鼓风机32的氧化气体向燃料电池10内部引导的情况下,使第二阴极密封阀24开阀,实现来自氧化气体鼓风机32的氧化气体在旁通管122流动的旁通流FL1及在燃料电池10内部流动的通常流FL2。

在具备分流阀23a及旁通管122的情况下,在氢浓度上升处理时,CPU51在燃料气体流路105的氢浓度Dh成为第二目标浓度Dh2以上之前,以形成旁通流FL1的方式切换第二阴极密封阀24。即,在该状态下,为了稀释燃料废气而执行氧化气体的供给,燃料电池10未开始发电。因此,不需要向燃料电池10内的氧化气体的供给,在考虑由流路阻力等引起的压力损失的情况下,优选不经过燃料电池10内部而将氧化气体向氧化废气排出管121供给。

另一方面,在燃料气体流路105的氢浓度Dh成为第二目标浓度Dh2以上时,开始燃料电池10的发电,因此CPU51将第二阴极密封阀24慢慢打开,除了旁通流FL1以外还实现通常流FL2。需要说明的是,在燃料电池系统FC的运转结束时,为了防止催化剂劣化而向燃料电池10的阳极充满氢,氢也经由膜电极接合体向阴极侧移动。因此,CPU51在向燃料电池10开始供给氧化气体时(燃料电池10的发电开始时),以燃料废气不向氧化废气排出管121供给的方式使燃料废气排出阀22闭阀,使从氧化废气排出管121排出的氢浓度为规定浓度以下。CPU51在能够排出阴极内的全部残存氧化气体的定时,使燃料废气排出阀22开阀,在燃料气体流路105的氢浓度Dh成为第一目标浓度Dh1以上之前继续氢浓度上升处理。

(3)第三变形例:

在上述各实施方式中,可以的是,在燃料电池系统FC的运转结束时,控制部50以将对于氢浓度上升处理的执行而言充分的电力储存于二次电池41的方式管理二次电池41的SOC。例如,可以的是,在燃料电池系统FC的运转结束时,以根据SOC来进行从燃料电池10向二次电池41的充电的方式执行控制。或者,可以的是,基于车辆行驶中或车辆停止后且燃料电池系统FC的运转结束前的外部气温,预测低温状态下的下一次燃料电池10的启动,在预测到低温状态下的启动的情况下,以满足SOC的方式执行对于二次电池41的充电控制。

(4)第四变形例:

在上述各实施方式中,在冷却液温度小于0℃即处于冰点下的情况下,开始执行氢浓度上升处理,但是也可以取代冰点下,在小于4℃时执行。通常已知的是,在气温低于4度时,由于风的影响等而路面可能冻结,车辆在受到风的影响的环境下,燃料电池10的燃料气体流路105中的水分同样有可能冻结。如此,氢浓度上升处理可以考虑燃料电池系统FC被利用的环境,以燃料电池10的燃料气体流路105中的水分可能冻结的温度为基准温度来开始执行。

(5)第五变形例:

在上述各实施方式中,基于冷却液温度来测定与燃料电池10相关的温度,但是除此以外,也可以基于从作为温度测定部的外部气温传感器、配置于燃料电池10的内部的温度传感器取得的测定温度来测定与燃料电池10相关的温度。

(6)第六变形例:

在上述各实施方式中,使用通过压力传感器62测定出的压力来求出累计燃料废气量AG,但是例如也可以的是,在燃料废气排出部100b与气液分离器13之间的燃料废气排出管111上具备流量传感器,控制部50使用通过流量传感器测定出的流量来求出累计燃料废气量AG。

(7)第七变形例:在上述的各实施方式中,通过氢供给装置12及燃料废气排出阀22来实现燃料气体浓度上升机构,但是在不具备氢供给装置12的情况下,也可以通过压力控制阀21及燃料废气排出阀22来实现燃料气体浓度上升机构。并且,在采用利用配管将氢气罐11与燃料废气循环管112中的燃料废气循环泵31的上游侧连接并将阀配置于连接位置的上游侧的结构的情况下,可以通过该阀、燃料废气循环泵31及燃料废气排出阀22来实现燃料气体浓度上升机构。

(8)第八变形例:在上述的各实施方式中,说明了燃料电池系统FC搭载于车辆的情况,但是车辆不论是汽车、摩托车都能够适用,除此以外,若应用于铁路车辆、船舶这样的移动体,则能够获得同样的技术效果。并且,燃料电池系统FC也可以是具备二次电池的安置型的燃料电池系统。

以上,基于实施例、变形例而说明了本发明,但是上述的发明的实施方式是用于使本发明的理解容易的内容,并不限定本发明。本发明能够不脱离其宗旨以及权利要求书地进行变更、改良,并且其等价物也包含于本发明。例如,发明内容一栏所述的各方式中的技术性特征所对应的实施方式、变形例中的技术性特征能够为了解决上述的课题的一部分或全部或者为了达成上述的效果的一部分或全部而适当地进行替换或组合。并且,该技术性特征若在本说明书中不是作为必须的内容进行说明的,则能够适当删除。

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