专利名称：燃料电池系统的运转控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过氢和氧的电化学反应来发电的燃料电池的运转控制。
背景技术：
近年来，通过氢和氧的电化学反应来发电的燃料电池作为能源受到了人们的关注。燃料电池构成为氢极和氧极夹着电解质而配置。当向氢极供给含氢丰富的燃料气，向氧极供给空气等氧化气后，这些气体中的氢和氧发生反应，生成水，并且进行发电。该反应主要在氧极发生。
因反应而生成大量的水后，因燃料电池的运转状态不同，有时不能将生成水排出，而使得氧化气的配管因生成水而堵塞。该现象称为液泛(flooding)，因妨碍向氧极供给氧化气，而导致发电能力下降，燃料电池的寿命缩短等弊病。液泛在氧化气流量较小的运转状态下，例如，在低电流密度下发电时容易发生。
日本的公开特许公报特开昭63-110558号公报公开了一种技术，通过间歇式地增加氧化气的流量，来抑制液泛。
为了增加氧化气的流量，需要提高用于供给氧化气的泵动力，所以会导致降低燃料电池的能量效率。另外，提高泵动力后，在增加氧化气的流量之前，会产生一定的滞后时间，所以，通过增加氧化气的流量来抑制液泛，还存在响应性低的问题。因为这种低响应性，对于现有技术，在产生液泛之前，需要提前增加氧化气，从而更有降低能量效率的可能性。鉴于上述课题，本发明的目的在于提供一种既能抑制能量效率的下降，又能避免液泛的技术。
发明内容
本发明的燃料电池系统，以通过供给到氢极的氢和供给到氧极的氧化气的电化学反应来发电的燃料电池为对象。可适用各种类型的燃料电池，但优选的是用ナフイオン(注册商标)等固体高分子膜作为电解质的固体高分子型。燃料电池系统具有对氧极的出口压力进行调整的出口压力调节机构；和对其进行控制的压力控制部。压力控制部，对出口压力调节机构进行控制，使出口压力从正常运转时应保持的基准压力间歇式地降低。作为出口压力调节机构，例如有设置在氧极的出口侧的压力调节阀、和用于供给氧化气的加压泵等。
通过降低出口压力，氧极的出口压力就会过度地低于入口压力，所以氧极内的水就会被排出。在本发明中，通过间歇式地用该排出方法进行排水，能够既保持电解质膜所需要的湿度，又抑制液泛。一般而言，降低出口压力所需要的动力，小于氧极氧化气的流量增加所需要的动力，所以根据本发明，能够抑制伴随排水所产生的能量损失。另外，压力的变化速度较快，所以根据本发明，还具有可提高排水处理的响应性的优点。
在本发明中，也可以在控制出口压力的同时，对氧化气的流量进行控制。例如，本发明的燃料电池系统，也可以具有流量调节机构，对供给到上述氧极的氧化气的流量进行调节；和流量控制部，对上述流量调节机构进行控制，在上述出口压力降低时，在预定的条件下，增加上述流量。流量调节机构，例如有用于供给氧化气的加压泵、和设置在氧化气供给系统中的流量调节阀等。
通过如此增加流量，能够实现更加有效的排水。用于增加流量的“预定的条件”，可以有各种设定。例如，可以在每次降低压力时增加流量，也可以是降低几次压力后增加一次流量。另外，当判断预测只有压力的降低不能进行充分的排水时，例如当燃料电池的入口压力和出口压力的压差变成预定值以下时，也可以增加流量。一般而言，增加流量需要比较大的动力，所以从能量效率的观点，优选的是，在排水时，比起增加流量，优先采用降低压力。
在本发明中，执行降低压力等排水控制的时序，可以有各种设定。可以设定成以预先设定的周期反复进行排水控制，也可以设定成从燃料电池系统的运转状态来判断是否需要排水控制。作为后者的方式，也可以对上述氧极内的水的蓄积量或其变动进行推定，并根据其结果，判断是否需要排水控制。燃料电池系统，可以在根据该推定，判断氧极内的水的蓄积量或其变动超过预定的容许值时，执行排水控制。这样就能够抑制无用的排水控制，从而提高能量效率。
蓄积量的变动，例如可通过水的生成量和排水可能量的差来求取。另外，将如此得到的变动进行时间积分，即可推定水的蓄积量。在该推定中使用的生成量是发电量和发电时间的函数，排水可能量是氧化气的流量、和压力或温度的函数。压力和温度，是确定在从氧极排出的气体中作为饱和水蒸气可能含有的水蒸气量的参数。生成量和排水可能量，可以通过预先存储一些图或公式来求取，该图或公式相对于这些参数，给出水的生成量和排水可能量。
判断是否需要排水控制的容许值，可以有各种设定。关于蓄积量，容许值可以设定为低于判断会产生液泛的蓄积量的范围。关于蓄积量的变动，例如也可以设定成以0为容许值，当蓄积量增加时，就判断需要排水控制。这些容许值，可以是固定值，也可以与要求的发电量等相应地进行改变。
在本发明中，出口压力也可以采用简单降低的方法，但优选的是，先使出口压力从基准压力上升后，再降低到低于基准压力的顺序。通过先从基准压力上升，能够在降低压力时，增加入口压力和出口压力的压差，从而能够实现有效的排水。
当无限制地降低出口压力时，可能会导致入口压力随时间而降低，甚至导致氧化气供给不足。为抑制该弊病，对于本发明中的出口压力的降低，也可以设定限制，在氧极的入口压力保持在预定值以上的前提下，降低出口压力。如此一来，入口压力保持在可实现氧化气可靠供给的预定值，所以能够使燃料电池稳定地运转。该控制例如，可通过在判断入口压力将低于预定值的时点，禁止降低出口压力来实现。
在本发明中，出口压力调节机构可设置在各种部位。例如也可以用设置在从燃料电池的氧极进行排气的排气管上的压力调节阀，作为出口压力调节机构。对于这种方式，可以将压力调节阀兼用作排气的流量调节和排水控制，所以能够简化装置构成。另外，也可以在该排气管之外，设置从氧极进行排水的排水管，并用设置在其中途、在正常运转时保持关闭状态的开关机构，例如开关阀等作为出口压力调节机构。在该构成中，因为增加了排水管的设计自由度，所以能够实现有效的排水。
在本发明中，上述的特征可以适当地组合，或者省略其中的一部分。另外，本发明不限于燃料电池系统，能够以燃料电池系统的运转控制方法等各种方式构成。作为运转控制方法而构成时，也可以适当适用上述的各种特征。
图1是表示作为实施例的燃料电池系统整体构成的说明图。
图2是运转控制处理的流程图。
图3是表示排水控制的例子的说明图。
具体实施例方式
按照以下顺序说明本发明的实施例。
A.装置构成B.运转控制处理C.排水控制D.变形例A.装置构成图1是表示作为实施例的燃料电池系统整体构成的说明图。本实施例的燃料电池系统，作为电源，装在用马达驱动的电动车辆上。当驾驶者操作加速器时，根据由加速器开度传感器101检出的操作量进行发电，在该电力作用下，车辆能够行驶。实施例的燃料电池系统，不需要是车载，可以采取固定式等各种构成。
燃料电池堆10，是通过氢和氧的电化学反应而发电的单元的层叠体。各单元构成为将氢极(以下称阳极)和氧极(以下称阴极)夹着电解质膜而配置。在本实施例中，使用了固体高分子型单元，该固体高分子型单元利用ナフイオン(注册商标)等固体高分子膜作为电解质膜，但并不限于此，可利用各种类型。
向燃料电池堆10的阴极，供给压缩空气，作为含有氧的气体。空气从过滤器40被吸入，经压缩机41压缩后，用加湿器42加湿，并从配管35供给到燃料电池堆10。空气的供给压力，由压力传感器54检测，并控制在170Kpa等预定的基准压力。在配管35上，设有用于检测吸气温度的温度传感器102。从阴极排出的气体(下面称阴极废气)，通过配管36和消声器43排出到外部。空气的供给压力，由设置在配管36上的压力传感器53进行检测，由调压阀27的开度控制在150Kpa等预定的基准值。
如果调压阀27的开度迅速加大，出口压力降低，就会过度地在阴极的入口压力和出口压力之间产生压差。该压差起的作用是，将发电时在阴极内部生成的水排出。从这个意义上讲，调压阀27不仅用于正常运转时的压力控制，还可兼用作生成水的排水控制用的阀门。
向燃料电池堆10的阳极，通过配管32从贮藏在氢气罐20中的高压氢气供给氢气。也可以用乙醇、碳化氢、乙醛等作为原料，通过改质反应生成氢气，供给到阳极，来代替氢气罐20。
以高压贮藏在氢气罐20中的氢气，经在其出口处设置的节流阀21、调节器22、高压阀23、和低压阀24对压力和供给量进行调节后，被供给到阳极。从阳极排出的气体(下面称阳极废气)，流出到配管33。在阳极的出口处，设有压力传感器51和阀门25，用于对供给到阳极的供给压力和供给量进行控制。
配管33，在途中分成两个分支，一个与用于向外部排出阳极废气的排出管34连接，另一个通过逆止阀28与配管32连接。随着燃料电池堆10的发电，氢气被消耗，其结果，阳极废气的压力成为较低的状态，所以在配管33上设有用于对阳极废气进行加压的泵45。
在设置在排出管34上的排出阀26关闭的期间，阳极废气通过配管32重新循环到燃料电池堆10。因为阳极废气中残留着在发电时没有被消耗的氢气，所以通过使之如此循环，能够有效利用氢气。
在阳极废气的循环中，氢气在发电中被消耗，另一方面，氢气以外的杂质，例如从阴极透过电解质膜过来的氮气等不会被消耗而残留下来，所以杂质的浓度逐渐增加。在这种状态下，排出阀26打开后，阳极废气通过排出管34，在稀释器44由空气进行稀释后，排出到外部，以降低杂质的循环量。但是，此时氢气也同时被排出，所以排出阀26的开量，从燃料费升高的观点，优选的是尽量进行抑制。
对燃料电池堆10，除了氢和氧以外，还供给冷却水。冷却水在泵46的作用下，通过冷却用的配管37，在散热器38得到冷却后，供给到燃料电池堆10。在燃料电池堆10的出口处，设有用于检测冷却水温度的温度传感器103。
燃料电池系统的运转，由控制单元100进行控制。控制单元100构成为内部具有CPU、RAM、和ROM的微型计算机，根据ROM中存储的程序，对系统的运转进行控制。在图中，用虚线表示了为实现该控制而对控制单元100输入或从控制单元100输出的信号的一例。作为输入，可列举例如温度传感器102、温度传感器103、加速器开度传感器101的检出信号。另外，来自用于检测阴极入口压力的压力传感器54、和用于检测出口压力的压力传感器53的检测信号也被输入到控制单元100。作为输出，可列举例如低压阀24、排出阀26、调压阀27、和压缩机41。
在燃料电池10的阴极出口处，如图中虚线所示，也可设有排水用的配管36a或配管36b。配管36a，是在阴极废气的配管36之外另行设置，并在燃料电池10的内部与阴极内的气体流路相连接的例子。配管36b，是从阴极废气的配管36分支而设置的例子。在各配管36a、36b上，设有排水用的阀门27a、27b。该阀门27a、27b在正常运转时处于关闭状态，根据来自控制单元100的控制信号，在排水时打开。打开该阀门27a、27b后，阴极的出口压力激剧降低，与入口压力之间产生压差，阴极内的生成水被排放。从排水效果的观点，优选的是设置配管36a和阀门27a。
B.运转控制处理图2是运转控制处理的流程图。是控制单元100以预定的时序反复执行的处理。
处理开始后，控制单元100进行发电要求的输入和运转状态的检测(步骤S10)。另外，控制单元100根据该发电要求，进行发电控制，即对燃料气和空气的供给量进行控制(步骤S11)。
接着，控制单元100执行发电时生成的水的排水控制。在本实施例中，通过打开阴极出口的调压阀27，利用入口压力和出口压力的压差，进行排水。
为了执行该排水控制，首先，控制单元100判断阴极的入口压力是否低于预定的阀值Pin(步骤S12)。阀值Pin是判断是否进行排水控制的基准值。打开调压阀27后，随着时间的过去，入口压力降低，空气的供给量有可能会不够。阀值Pin是为了避免这种事态而设定的值，对于燃料电池10，可根据供给压力来进行设定，该供给压力应能够确保为了稳定地持续运转所要求的空气流量。
控制单元100，当入口压力低于阀值Pin时，就判断不应执行排水控制，从而不进行排水控制就结束运转控制处理。关于入口压力的判断(步骤S12)也可以省略，可以是无条件地执行步骤S13以后的处理的流程。
当入口压力在阀值Pin以上时，控制单元100就对燃料电池10内的蓄积水量的变化率进行推定(步骤S13)。变化率可用单位时间的生成水量和排水量的差来求取。生成水量可以是发电量的函数。发电量和生成水量的关系，可预先作为图或函数存储在控制单元100中。一般发电量越大，生成水量也越大。
排水量可以作为空气流量和温度的函数来求取。一般生成水作为水蒸气而含在阴极废气中，并被排出。温度是规定阴极废气的饱和水蒸气量的参数。作为规定阴极废气单位体积中可含有的水蒸气量的参数，还可以考虑阴极废气的全压来求取排水量。排水量和这些参数的关系，可以预先作为图或函数存储在控制单元100中。一般空气流量越小，排水量也越小。
控制单元100，当如此得到的变化率在预定的阀值Tr以下时(步骤S14)，就判断产生液泛的可能性低，从而不进行排水控制就结束运转控制处理。阀值Tr是判断是否会产生液泛的基准值，可根据实验或解析而任意设定。如果阀值Tr设定得较高，排水控制的频率就会降低，所以就容易产生液泛。如果阀值Tr设定得较低，就会频繁地进行排水控制，空气的供给压力就会降低，所以有可能导致发电效率下降。阀值Tr优选的是考虑该两方面来设定。例如，如果将阀值Tr设定为0，当变化率为正，即处于燃料电池10的蓄积水量增加的状态时，就会进行排水控制。
当变化率超过预定的阀值Tr时，由于生成水的量较多，所以进行排水控制(步骤S14、S15)。在本实施例中，是将降低阴极的出口压力和增加空气的流量二者结合起来进行排水控制。
C.排水控制图3是表示排水控制的例子的说明图。表示排水控制开始后，阴极侧的空气流量和出口压力的时间变化。
如图所示，在排水控制中，通过间歇式地开放调压阀27，来间歇式地降低出口压力。图中的区间D1～D4，表示降低压力的区间。降低出口压力时，在阴极的入口压力和出口压力之间会过度地产生压差，从而促进排水。关于降低压力的期间D1～D4及其间隔B，可以预先固定，也可以与蓄积水量的变化率相应地进行改变。
在图的下方，以区间D1的出口压力变化的放大图为例，表示了降低压力时的波形。如图所示，在本实施例中，适用的波形是先使出口压力从正常运转时的基准压力升高后(区间T1)，再降低到低于基准压力(区间T2)，然后使之恢复到基准压力(区间T3)。压力的上升，例如可通过增加压缩机41的转数、降低调压阀27的开度来实现。压力的降低，可通过增加调压阀27的开度来实现。
各区间T1～T3可以任意设定，但在区间T2使压力降低时的变化率，优选的是比在区间T1使压力上升时的变化率更剧烈。如此，先使压力上升，具有能够增加压力下降时的入口压力和出口压力的压差，从而可提高排水效率的优点。压力降低时的波形，不限于图中举例表示的例子，可以有各种设定，也可以是省略使压力上升的区间T1，仅仅使压力从基准压力降低的波形。
在本实施例中，为了进一步提高排水效率，如图所示，在降低出口压力的同时，也增加空气流量。流量的增加，可以通过增加压缩机41的转数来实现。在本实施例中，流量的增加适用的频率是低于出口压力降低的频率，即每降低压力3回，增加1次流量的比例。增加流量的频率可以任意设定，也可以是与降低压力相同的频率。但是，为了增加空气流量，要求增加压缩机41的驱动动力，所以从燃料电池系统的能量效率的观点，增加流量的频率优选的是设定得较低。
空气流量的增加，不一定需要周期性地进行。例如，也可以是越是判断只靠降低压力的排水效果，不能抑制液泛时，就只在蓄积水量的变化率较大时增加空气流量。增加流量的频率和期间，也可以相应蓄积水量的变化率而改变。另外，也可以是不增加空气流量，只靠降低压力来进行排水。
根据上面说明的本实施例的燃料电池系统，通过适用间歇式地降低出口压力这种排水控制，既能够避免能量效率的极端降低，又能够抑制液泛。另外，通过间歇式地进行排水控制，能够保持燃料电池的运转所需要的湿度。
D.变形例实施例中的出口压力的降低，也可以通过以图1为例所表示的阀门27a、27b的开放来实现。
在实施例中，以根据蓄积水量的变化率来判断是否需要排水控制的情况为例进行了表示。是否需要排水控制，可以根据各种参数进行判断。例如，也可以用将实施例中所表示的变化率进行时间积分所得到的生成水的蓄积量作为参数。另外，作为另外的参数，也可以使用所要求的发电量。一般而言，考虑到当所要求的发电量较低时，容易产生液泛，可以采用根据发电量和预定值的比较，来判断是否需要排水控制的方法。
以上，就本发明的各种实施例进行了说明，但本发明并不限于上述实施例，勿庸置疑，本发明在不脱离其宗旨的范围内，可采用各种构成。
工业实用性本发明可适用于车载式或固定式等各种燃料电池系统。
权利要求
1.一种燃料电池系统，具有燃料电池，通过供给到氢极的氢和供给到氧极的氧化气的电化学反应来发电；出口压力调节机构，对上述氧极的出口压力进行调节；和压力控制部，对上述出口压力调节机构进行控制，使上述出口压力从正常运转时应保持的标准压力间歇性地降低。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还具有流量调节机构，对供给到上述氧极的氧化气的流量进行调节；和流量控制部，对上述流量调节机构进行控制，在上述出口压力降低时，在预定的条件下，增加上述流量。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还具有推定部，对上述氧极内的水的蓄积量或其变动进行推定，上述压力控制部，当判断由上述推定部所推定的氧极内的水的蓄积量或其变动超过预定的容许值时，执行上述控制。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，上述压力控制部，先使上述出口压力从上述标准压力上升后，再降低到低于该标准压力。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，具有入口压力检测部，检测上述氧极的入口压力，上述压力控制部，在上述入口压力保持在预定值或预定值以上的前提下，执行上述控制。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，上述燃料电池具有从上述氧极进行排水的排水管，该排水管与用于从该氧极进行排气的排气管分别设置；和开关机构，设置在该排水管的中途，在正常运转时保持关闭状态，上述压力控制部，将上述开关机构作为上述出口压力调节机构，执行上述控制。
7.一种燃料电池的运转控制方法，该燃料电池通过供给到氢极的氢和供给到氧极的氧化气的电化学反应来发电，该燃料电池的运转控制方法具有正常运转过程，对调节上述氧极的出口压力的出口压力调节机构进行控制，将该出口压力保持在预定的标准压力；和排水过程，对上述出口压力调节机构进行控制，使上述出口压力从上述标准压力间歇性地降低，进行上述氧极的排水。
8.根据权利要求7所述的运转控制方法，还具有流量控制过程，对流量调节机构进行控制，该流量调节机构用于对供给到上述氧极的氧化气的流量进行调节，上述流量控制过程包括对上述流量调节机构进行控制的过程，在上述压力降低时，在预定的条件下，增加上述流量。
9.根据权利要求7所述的运转控制方法，还具有对上述氧极内的水的蓄积量或其变动进行推定的过程，上述排水过程，在根据上述推定，判断上述蓄积量或其变动超过预定的容许值时被执行。
10.根据权利要求7所述的运转控制方法，上述排水过程包括对上述出口压力调节机构进行控制的过程，使上述出口压力先从上述标准压力上升后，再降低到低于该标准压力。
11.根据权利要求7所述的运转控制方法，还具有对上述氧极的入口压力进行检测的过程，上述排水过程包括对上述出口压力调节机构进行控制的过程，使上述入口压力保持在预定值或预定值以上。
12.根据权利要求7所述的运转控制方法，上述燃料电池具有从上述氧极进行排水的排水管，该排水管与用于从该氧极进行排气的排气管分别设置；和设置在该排水管中途的开关机构，上述正常运转过程，包括使上述开关机构保持关闭状态的过程，上述排水过程，包括对上述开关机构的开关状态进行控制的过程。
全文摘要
在燃料电池系统中，按下面的程序控制供给到阴极侧的空气的流量和压力。首先，将空气以发电所要求的流量和供给压力供给到阴极。在该状态下，根据要求的发电量、空气流量，推定在阴极蓄积的生成水的量的变化率。当生成水的蓄积量以大的变化率增加时，为了避免液泛，将阴极出口的调压阀间歇式地打开，降低出口压力。另外，以低于压力降低的频率，增加空气流量。如此一来，可以利用阴极的入口和出口的压力差、和空气流量，促进生成水的排水，而且能量损失小。
文档编号H01M8/06GK1791995SQ20048001347
公开日2006年6月21日 申请日期2004年4月16日 优先权日2003年5月16日
发明者弓田修, 水野圭造 申请人:丰田自动车株式会社