专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术：
现在，提出了具有接受反应气体(燃料气体和氧化气体)的供给而进行发电的燃 料电池的燃料电池系统，并且该燃料电池系统正被实用化。在所述燃料电池系统中设置有 燃料供给流路，该燃料供给流路用于使从氢罐等燃料供给源供给的燃料气体流向燃料电 池。近年来，提出了以下技术在燃料电池系统的燃料供给流路上配置喷射器，通过对 该喷射器的动作状态进行控制来对燃料供给流路内的燃料气体的压力进行调整(例如，参 照专利文献1)。喷射器是电磁驱动式的开闭阀，其能够通过利用电磁驱动力直接以规定的 驱动周期驱动阀芯远离阀座来对气体状态(气体流量和气体压力)进行调整。控制装置驱 动喷射器的阀芯而对燃料气体的喷射时期和喷射时间进行控制，由此能够控制燃料气体的 流量和压力。专利文献1 日本特开2007-165163号公报在如上述专利文献1所述那样的现有的燃料电池系统中，使用反馈校正值或前馈 校正值，计算出喷射器的喷射流量的指令值，根据该指令值对喷射器的动作进行控制。但是 在这样的现有的燃料电池系统中，由于在计算喷射流量的指令值时没有考虑“驱动周期”， 所以存在当驱动周期变动时调压误差变大(喷射器附近的检测压力值与规定的目标压力 值之间的偏差变大)的情况。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而作出的，其目的在于，在将喷射器等开闭阀配置于燃料 供给流路而构成的燃料电池系统中，减小在开闭阀的驱动周期变动时的调压误差，从而提 高响应性。为了达成上述目的，本发明所涉及的燃料电池系统，包括燃料电池；燃料供给流 路，其用于将从燃料供给源供给的燃料气体供给至燃料电池；开闭阀，其调整该燃料供给流 路的上游侧的气体状态而向下游侧供给该气体；以及控制单元，其对开闭阀进行驱动控制， 控制单元根据开闭阀的驱动周期计算出前馈校正流量，使用该前馈校正流量来对开闭阀的 气体喷射流量的指令值进行校正，根据该指令值对开闭阀进行驱动控制。当采用上述结构时，能够使用根据开闭阀的驱动周期计算出的前馈校正流量对来 自开闭阀的气体喷射流量的指令值进行校正，并根据该指令值对开闭阀进行驱动控制。因 此，即使在开闭阀的驱动周期发生了变动的情况下，也能够考虑该变动后的驱动周期来对 气体喷射流量的指令值进行校正，因此能够减小调压误差(减小开闭阀附近的检测压力值 与规定的目标压力值之间的偏差)，能够提高响应性。另外，所谓“气体状态”，是指由流量、 压力、温度、摩尔浓度等表示的气体状态，特别是含有气体流量和气体压力中的至少一方。
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在上述燃料电池系统中，可以具有燃料循环系统，该燃料循环系统具有用于使从 燃料电池排出的气体返回至燃料供给流路的循环流路。在上述情况下，可以采用根据开闭 阀的驱动周期、燃料循环系统的容积以及燃料循环系统内的气体温度计算出前馈校正流量 的控制单元。另外，所谓“燃料循环系统”，是指由燃料供给流路的一部分(从与循环流路的 汇合点起下游侧的部分)、燃料电池内的燃料气体流路以及循环流路构成的空间。此外，在上述燃料电池系统中，可以采用喷射器作为开闭阀。根据本发明，在将喷射器等开闭阀配置于燃料供给流路而构成的燃料电池系统 中，能够减小在开闭阀的驱动周期变动时的调压误差，提高响应性。
图1是本发明的实施方式所涉及的燃料电池系统的结构图。图2是用于对图1所示的燃料电池系统的控制装置的控制方式进行说明的控制方 框图。图3是用于对图1所示的燃料电池系统的运转方法进行说明的流程图。标号说明1:燃料电池系统；4:控制装置(控制单元)；10:燃料电池；30:氢罐(燃料供给 源)；31 氢供给流路(燃料供给流路)；32 循环流路；35 喷射器(开闭阀)。
具体实施例方式下面，参照附图，对本发明的实施方式所涉及的燃料电池系统1进行说明。在本实 施方式中，对在燃料电池车辆的车载发电系统中应用本发明的示例进行说明。首先，利用图1和图2，对本发明的实施方式所涉及的燃料电池系统1的结构进行 说明。如图1所示，本实施方式所涉及的燃料电池系统1具有接受反应气体(氧化气体 和燃料气体)的供给而产生电力的燃料电池10，并且还具有向燃料电池10供给作为氧化 气体的空气的氧化气体配管系统2 ；向燃料电池10供给作为燃料气体的氢气的氢气配管系 统3 ；以及对控制装置整体进行集中控制的控制装置4等。燃料电池10具有层积所需数量的单体电池而构成的堆叠构造，所述单体电池接 受反应气体的供给而进行发电。由燃料电池10产生的电力被供给至P⑶(Power Control Unit 功率控制单元)11。P⑶11具有配置在燃料电池10和牵引电动机12之间的变换器 和DC-DC转换器等。此外，在燃料电池10上安装有对发电中的电流进行检测的电流传感器 13。氧化气体配管系统2具有空气供给流路21，其将利用加湿器20加湿后的氧化气 体(空气)供给至燃料电池10 ；空气排出流路22，其将从燃料电池10排出的氧化废气引导 至加湿器20 ；以及排气流路23，其用于将氧化废气从加湿器21引导至外部。在空气供给流 路21上设置有将大气中的氧化气体取入并压送至加湿器20的压缩机24。氢气配管系统3具有作为燃料供给源的氢罐30，其贮存有高压(例如70MPa)的 氢气；作为燃料供给流路的氢供给流路31，其用于将氢罐30中的氢气供给至燃料电池10 ； 以及循环流路32，其用于使从燃料电池10排出的氢废气返回至氢供给流路31。另外，也可以采用改性器和高压气体罐来代替氢罐30作为燃料供给源，所述改性器从烃类燃料生成富氢的改性气体，所述高压气体罐使在该改性器中生成的改性气体成为高压状态而蓄压。 此外，也可以采用具有贮氢合金的罐作为燃料供给源。在氢供给流路31上设置有截止阀33，其截止或者允许来自氢罐30的氢气的供 给；调节器34，其对氢气的压力进行调整；以及喷射器35。此外，在喷射器35的上游侧设置 有对氢供给流路31内的氢气的压力和温度进行检测的一次侧压力传感器41和温度传感器 42。此外，在喷射器35的下游侧、氢供给流路31和循环流路32的汇合部的上游侧，设置有 对氢供给流路31内的氢气的压力进行检测的二次侧压力传感器43。调节器34是将其上游侧压力(一次压力)调压为预先设定的二次压力的装置。在 本实施方式中，采用了对一次压力进行减压的机械式减压阀作为调节器34。作为机械式减 压阀的结构，可以采用如下所述的公知的结构该结构具有隔着隔膜而形成有背压室和调 压室的壳体，利用背压室内的背压在调压室内将一次压力减压至规定的压力而作为二次压 力。在本实施方式中，如图1所示，通过在喷射器35的上游侧配置两个调节器34，能够使喷 射器35的上游侧压力显著降低。因此，能够提高喷射器35的机械性构造(阀芯、壳体、流 路、驱动装置等)的设计自由度。此外，由于能够降低喷射器35的上游侧压力，所以能够抑 制喷射器35的阀芯由于喷射器35的上游侧压力与下游侧压力的压差增大而难以移动的情 况。因此，能够使喷射器35的下游侧压力的可变调压宽度变宽，并且能够抑制喷射器35的 响应性的降低。喷射器35是电磁驱动式的开闭阀，其能够利用电磁驱动力直接以规定的驱动周 期驱动阀芯远离阀座，从而对气体流量、气体压力进行调整。喷射器35具备阀座，所述阀座 具有喷射氢气等气体燃料的喷射孔，并且所述喷射器35具备喷嘴体，其将该气体燃料供 给引导至喷射孔；以及阀芯，其被收纳保持成能够相对于该喷嘴体在轴线方向(气体流动 方向)上移动，并且开闭喷射孔。喷射器35的阀芯例如通过螺线管而被驱动，并且能够通 过被供电至该螺线管的脉冲状励磁电流的打开/关闭而二级或多级地切换喷射孔的开口 面积。通过利用从控制装置4输出的控制信号对喷射器35的气体喷射时间和气体喷射时 期进行控制，高精度地控制氢气的流量和压力。喷射器35利用电磁驱动力直接开闭驱动阀 (阀芯和阀座)，喷射器的驱动周期能够控制在高响应的区域内，所以具有高响应性。另外，在本实施方式中，如图1所示，在氢供给流路31与循环流路32的汇合部Al 的上游侧配置喷射器35。此外，如图1中虚线所示，在采用多个氢罐30作为燃料供给源的 情况下，在从各氢罐30供给的氢气汇合的部分(氢气汇合部A2)的下游侧配置喷射器35。在循环流路32上经由气液分离器36和排气排水阀37连接有排出流路38。气液 分离器36是从氢废气中回收水分的装置。排气排水阀37根据来自控制装置4的指令而动 作，由此将在气液分离器36回收的水分以及循环流路32内的含有杂质的氢废气排出到外 部。此外，在循环流路32上设置有对循环流路32内的氢废气加压而向氢供给流路31侧送 出的氢泵39。经由排气排水阀37和排出流路38排出的氢废气被稀释器40稀释而与排气 流路23内的氧化废气汇合。另外，通过氢供给流路31的从汇合点Al起下游侧的部分、在燃 料电池10的隔板上形成的燃料气体流路以及循环流路32构成本发明中的燃料循环系统。控制装置4对设置在车辆上的加速操作部件(油门等)的操作量进行检测，并接 受加速要求值(例如来自牵引电动机12等负载装置的要求发电量)等控制信息，对系统内的各种设备的动作进行控制。另外，所谓负载装置是如下装置的总称除了牵引电动机12 以外，还包括为了使燃料电池10动作所必需的辅机装置(例如压缩机24的电动机、氢泵39 的电动机等)、在参与车辆的行驶的各种装置(变速器、车轮控制装置、转向装置、悬架装置 等)中使用的致动器、及含有乘员空间的空调装置(空调机)、照明、音响等的电力消耗装置。 控制装置4由未图示的计算机系统构成。所述计算机系统具有CPU、R0M、RAM、HDD、 输入输出接口以及显示器等，通过CPU读入记录在ROM中的各种控制程序并执行这些程序， 从而实现各种控制动作。具体来说，如图2所示，控制装置4根据燃料电池10的运转状态(由电流传感器 13检测出的燃料电池10的发电时的电流值)，计算出在燃料电池10中被消耗的氢气的量 (以下称为“氢消耗量”)(燃料消耗量计算功能B1)。在本实施方式中，使用表示燃料电池 10的电流值与氢消耗量之间的关系的特定的运算式，针对控制装置4的每个运算周期计算 出氢消耗量并进行更新。此外，控制装置4根据燃料电池10的运转状态(由电流传感器13检测出的燃料 电池10的发电时的电流值)，计算出处于喷射器35下游位置的氢气的目标压力值(向燃料 电池10的目标气体供给压力)(目标压力值计算功能B2)。在本实施方式中，使用表示燃 料电池10的电流值与目标压力值之间的关系的特定映射，针对控制装置4的每个运算周期 计算出配置有二次侧压力传感器43的位置的目标压力值并进行更新。此外，控制装置4根据计算出的目标压力值与由二次侧压力传感器43检测出的喷 射器35下游位置的压力值(检测压力值)之间的偏差，计算出反馈校正流量(反馈校正流 量计算功能B3)。反馈校正流量是为了减小目标压力值与检测压力值之间的偏差而加到氢 消耗量上的氢气流量。在本实施方式中，使用PI型反馈控制法则，针对控制装置4的每个 运算周期计算出反馈校正流量并进行更新。此外，控制装置4根据计算出的氢消耗量和由一次侧压力传感器41检测出的一次 侧压力值(喷射器35的上游侧的氢气压力)，计算出喷射器35的驱动周期(第一驱动周 期计算功能B4)。此处，所谓驱动周期，是指表示喷射器35的喷射孔的开闭状态的阶梯状 (打开/关闭)波形的周期。在本实施方式中，使用表示氢消耗量、一次侧压力值和驱动周 期的关系的特定映射，针对控制装置4的每个运算周期计算出驱动周期并进行更新。另外， 此处计算出的驱动周期是仅用于计算前馈校正流量的临时值。此外，控制装置4根据计算出的驱动周期和压力偏差(目标压力值与检测压力值 之间的偏差)等，计算出前馈校正流量(前馈校正流量计算功能B5)。在本实施方式中，使 用以下关系式计算出与驱动周期等对应的前馈增益Gff，通过在该前馈增益Gff上乘以压力 偏差，计算出前馈校正流量。控制装置4作为本发明的控制单元发挥作用。[数学式1]<formula>formula see original document page 6</formula>其中，在上述关系式中，k( = 1/101.3)表示单位变换系数。此外，在上述关系式 中，V(L)表示燃料循环系统体积(由氢供给流路31的从汇合点Al起下游侧的部分、在燃 料电池10的隔板上形成的燃料气体流路以及循环流路32构成的空间的体积)。此外，在上述关系式中，T(°c )表示氢供给流路31的喷射器35下游侧的氢气的温度推定值。在本实施方式中，根据由温度传感器42检测出的氢气的温度，推定喷射器35下游侧的氢气的温 度。此外，在上述关系式中，TcycleOiis)表示计算出的喷射器35的驱动周期。通过采用根 据上述关系式计算出的前馈Gff，能够在喷射器35的一个驱动周期内使检测压力值接近目 标压力值。此外，控制装置4根据喷射器35上游的气体状态(由一次侧压力传感器41检测 出的氢气压力以及由温度传感器42检测出的氢气温度)，计算出喷射器35上游的静态流量 (静态流量计算功能B6)。在本实施方式中，使用表示喷射器35上游侧的氢气压力及温度 和静态流量的关系的特定运算式，针对控制装置4的每个运算周期计算出静态流量并进行 更新。此外，控制装置4根据喷射器35上游的气体状态(氢气的压力和温度)以及附加 电压，计算出喷射器35的无效喷射时间(无效喷射时间计算功能B7)。此处，所谓无效喷 射时间，是指喷射器35从接受来自控制装置4的控制信号到实际开始喷射为止所需要的时 间。在本实施方式中，使用表示喷射器35上游侧的氢气的压力、温度、附加电压以及无效喷 射时间的关系的特定映射，针对控制装置4的每个运算周期计算出无效喷射时间并进行更 新。此外，控制装置4通过将氢消耗量、反馈校正流量和前馈校正流量相加，计算出喷 射器35的喷射流量(喷射流量计算功能B8)。此外，控制装置4根据喷射器35的喷射流 量和由一次侧压力传感器41检测出的一次侧压力值，计算出喷射器35的驱动周期(第二 次驱动周期计算功能B9)。在本实施方式中，使用表示喷射器35的喷射流量、一次侧压力 值和驱动周期的关系的特定映射，针对控制装置4的每个运算周期计算出驱动周期并进行 更新。此外，控制装置4通过将喷射器35的喷射流量除以静态流量而得到的值乘以喷射 器35的驱动周期，从而计算出喷射器35的基本喷射时间，并且将该基本喷射时间与无效喷 射时间相加，从而计算出喷射器35的总喷射时间(总喷射时间计算功能B10)。然后，控制 装置4通过输出用于实现经上述顺序计算出的喷射器35的总喷射时间的控制信号，来对喷 射器35的气体喷射时间和气体喷射时期进行控制，从而对供给至燃料电池10的氢气的流 量和压力进行调整。接下来，利用图3的流程图，对本实施方式所涉及的燃料电池系统1的运转方法进 行说明。在燃料电池系统1的通常运转时，将氢气从氢罐30经由氢供给流路31供给至燃 料电池10的燃料极，并且将加湿调整后的空气经由空气供给流路21供给至燃料电池10的 氧化剂，从而进行发电。此时，在控制装置4计算应从燃料电池10取出的电力(要求电力)， 将与该发电量相对应的量的氢气和空气供给至燃料电池10内。在本实施方式中，在这样的 通常运转时，对供给至燃料电池10的氢气的压力高精度地进行控制。S卩，首先，燃料电池系统1的控制装置4使用电流传感器13对燃料电池10的发电 时的电流值进行检测(电流检测工序Si)。接着，控制装置4根据由电流传感器13检测出 的电流值，计算出在燃料电池10中被消耗的氢气的量(氢消耗量)(燃料消耗量计算工序 S2)。
接着，控制装置4根据由电流传感器13检测出的电流值，计算出喷射器35下流位 置的氢气的目标压力值(目标压力值计算工序S3)。此外，控制装置4利用二次侧压力传 感器43对喷射器35下游位置的压力值进行检测(压力值检测工序S4)。然后，控制装置 4根据在目标压力值计算工序S3中计算出的目标压力值和在压力值检测工序S4中检测出 的压力值(检测压力值)之间的偏差(压力偏差)，计算出反馈校正流量(反馈校正流量计 算工序S5)。此外，控制装置4根据在燃料消耗量计算工序S2中计算出的氢消耗量和由一次侧压力传感器41检测出的一次侧压力值(喷射器35的上游的氢气压力)，计算出喷射器35 的驱动周期(临时值)，并且根据该计算出的驱动周期和压力偏差等，计算出前馈校正流量 (前馈校正流量计算工序S6)。接着，控制装置4将在燃料消耗流量计算工序S2中计算出的氢消耗量、在反馈校 正流量计算工序S5中计算出的反馈校正流量和在前馈校正流量计算工序S6中计算出的前 馈校正流量相加，从而计算出喷射器35的喷射流量(喷射流量计算工序S7)。接着，控制装置4根据由一次侧压力传感器41检测出的一次侧压力和由温度传感 器42检测出的喷射器35的上游的氢气的温度，计算出喷射器35的上游的静态流量(静态 流量计算工序S8)。此外，控制装置4根据在喷射流量计算工序S7中计算出的喷射器35 的喷射流量和由一次侧压力传感器41检测出的一次侧压力值，计算出喷射器35的驱动周 期(驱动周期计算工序S9)。然后，控制装置4通过将喷射器35的喷射流量除以静态流量 而得到的值乘以喷射器35的驱动周期，从而计算出喷射器35的基本喷射时间(基本喷射 时间计算工序S10)。接着，控制装置4根据由一次侧压力传感器41检测出的喷射器35的上游的氢气 的压力、由温度传感器42检测出的喷射器35的上游的氢气的温度以及附加电压，计算出喷 射器35的无效喷射时间(无效喷射时间计算工序Sll)。然后，控制装置4通过将在基本 喷射时间计算工序SlO中计算出的喷射器35的基本喷射时间与在无效喷射时间计算工序 Sll中计算出的无效喷射时间相加，从而计算出喷射器35的总喷射时间(总喷射时间计算 工序S12)。此后，控制装置4通过输出与在总喷射时间计算工序S12中计算出的喷射器35的 总喷射时间相关的控制信号，对喷射器35的气体喷射时间和气体喷射时期进行控制，从而 对供给至燃料电池10的氢气的流量和压力进行调整。在以上说明的实施方式所涉及的燃料电池系统1中，能够根据基于喷射器35的驱 动周期计算出的前馈校正流量对来自喷射器35的气体喷射流量的指令值进行校正，并根 据该指令值对喷射器35进行驱动控制。因此，即使在喷射器35的驱动周期发生了变动的 情况下，也能够考虑该变动后的驱动周期而对气体喷射流量的指令值进行校正，因此能够 减小调压误差(减小喷射器35下游侧的检测压力值与规定的目标压力值之间的偏差)，能 够提高响应性。另外，在以上实施方式中，示出了在燃料电池系统1的氢气配管系统3中设置有循 环流路32的例子，但是也可以将排出流路38与燃料电池10直接连接而废除循环流路32。 即使在采用了上述结构(死端(dead end)方式)的情况下，通过利用控制装置4与上述实 施方式相同地对应于喷射器35的驱动周期而计算出前馈校正流量，也能够获得与上述实施方式相同的作用效果。此外，在以上实施方式中，示出了在循环流路32上设置有氢泵39的例子，但是也 可以采用喷射器来代替氢泵39。此外，在以上实施方式中，示出了在氢供给流路31上设置 有截止阀33和调节器34的例子，但是由于喷射器35既能够发挥作为可变调压阀的功能， 又能够发挥作为截止氢气供给的截止阀的功能，所以也可以不必设置截止阀33和调节器 34。因此，由于在采用喷射器35时可以省略截止阀33和调节器34，所以能够实现系统的小 型化和低廉化。此外，在上述实施方式中，示出了利用PI型反馈控制法则计算出反馈校正流量的 例子，但是也可以利用其它的目标跟踪型控制法则(例如PID型反馈控制法则)来计算反 馈校正流量。产业上的可利用性如以上的实施方式所示，本发明所涉及的燃料电池系统能够搭载于燃料电池车辆 上，此外，也能够搭载于除燃料电池车辆以外的各种移动体(机器人、船舶、飞机等)上。此夕卜，也可以将本发明所涉及的燃料电池系统应用在作为建筑物(住宅、大厦等)用的发电设 备来使用的定置用发电系统中。
权利要求
一种燃料电池系统，包括燃料电池；燃料供给流路，用于将从燃料供给源供给的燃料气体供给至上述燃料电池；开闭阀，调整该燃料供给流路的上游侧的气体状态而向下游侧供给；以及控制单元，对上述开闭阀进行驱动控制，其中，上述控制单元根据上述开闭阀的驱动周期计算出前馈校正流量，使用该前馈校正流量来对上述开闭阀的气体喷射流量的指令值进行校正，根据该指令值对上述开闭阀进行驱动控制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，上述燃料电池系统具有燃料循环系统，该燃料循环系统具有用于使从上述燃料电池排 出的气体返回至上述燃料供给流路的循环流路，上述控制单元根据上述开闭阀的驱动周期、上述燃料循环系统的容积以及上述燃料循 环系统内的气体温度计算出上述前馈校正流量。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，上述开闭阀是喷射器。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统，其将喷射器等开闭阀配置于燃料供给流路上而构成，其能够减小在开闭阀的驱动周期变动时的调压误差，提高响应性。上述燃料电池系统包括燃料电池；燃料供给流路，其用于将从燃料供给源供给的燃料气体供给至燃料电池；开闭阀，其调整燃料供给流路的上游侧的气体状态而向下游侧供给；以及控制单元，其对开闭阀进行驱动控制，控制单元根据开闭阀的驱动周期计算出前馈校正流量，使用该前馈校正流量对开闭阀的气体喷射流量的指令值进行校正，根据该指令值对开闭阀进行驱动控制。
文档编号H01M8/04GK101803090SQ20088010632
公开日2010年8月11日 申请日期2008年10月29日 优先权日2007年11月16日
发明者石河统将 申请人:丰田自动车株式会社