专利名称：燃料电池系统和反应气体的供给量控制方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统和反应气体的供给量控制方法。
背景技术：
燃料电池系统使用燃料电池作为能量源，该燃料电池通过作为反应气体的燃料气 体和氧化气体之间的电化学反应而进行发电。为了使燃料电池有效率地运转，需要对供给 至燃料电池的反应气体的供给量适合于各种状况地进行控制。作为对反应气体的供给量进 行控制的方法，例如有以下方法在将反应气体供给至燃料电池的配管上设置压力传感器， 根据该压力传感器的检测值来控制反应气体的供给量(例如，参照下述专利文献1)。专利文献1 日本特开2004-342475号公报但是，作为压力传感器使用的绝对压力传感器在制造上很费事。因此，通过使用比 绝对压力传感器更容易制造的表压传感器作为压力传感器，能够减少作业量。但是，在使用 表压传感器的情况下，需要将由传感器检测出的表压与大气压相加而转换成绝对压力。因 此，在该情况下还另外需要用于测定大气压的大气压传感器。此处，在大气压传感器由于断线或短路等而发生了故障的情况下，利用大气压传 感器的检测值而计算出的绝对压力值就会与实际的绝对压力值不同。即，在该情况下无法 高效率地控制反应气体对燃料电池的供给量。
发明内容
本发明是为了消除上述现有技术的问题点而作出的，其目的在于提供一种能够减 轻劳动力并高效率地控制反应气体供给量的燃料电池系统和反应气体的供给量控制方法。为了解决上述问题，本发明所涉及的燃料电池系统具有接受反应气体的供给而通 过该反应气体的电化学反应来产生电力的燃料电池，其特征在于，上述燃料电池系统包括 给排机构，供给或排出反应气体；压力传感器，检测给排机构中的反应气体的压力；大气压 传感器，检测大气压；校正单元，对由大气压传感器检测出的检测值进行校正；以及控制单 元，利用由压力传感器检测出的检测值与由校正单元校正后的校正值来控制反应气体对燃 料电池的供给量。本发明所涉及的反应气体的供给量控制方法是控制反应气体对燃料电池的供给 量的方法，所述燃料电池接受反应气体的供给而通过该反应气体的电化学反应来产生电 力，其特征在于，上述反应气体的供给量控制方法包括压力检测工序，对供给或排出反应 气体的给排机构中的反应气体的压力进行检测；大气压检测工序，检测大气压；校正工序， 对在大气压检测工序中检测出的检测值进行校正；以及控制工序，利用在压力检测工序中 检测出的检测值与在校正工序中校正后的校正值来控制反应气体对燃料电池的供给量。 根据这些发明，能够通过校正单元对由大气压传感器检测出的值进行校正，并利 用该校正值和给排机构中的反应气体的压力值来控制反应气体对燃料电池的供给量。由 此，能够使用表压传感器作为压力传感器，此外即使在大气压传感器由于故障等而输出了与实际大气压不同的值的情况下，也能够对该值进行校正。因此，能够减轻劳动力并高效率 地控制反应气体的供给量。在上述燃料电池系统中，上述校正单元可以使由大气压传感器检测出的检测值通 过低通滤波器而进行校正。这样，即使例如在检测值由于大气压传感器的故障等而急剧变化的情况下，也能 够缓和该变化的程度，因此能够抑制反应气体的供给量的急剧变化。此外，在上述燃料电池系统中，上述校正单元可以对上述校正值设置上限和下限。
这样，即使例如在大气压传感器发生故障等而输出了无法作为实际的大气压的值 的情况下，也能够在设定好的上限和下限的范围内进行校正。此外，在上述燃料电池系统中，上述校正单元可以在由大气压传感器检测出的检 测值不处于规定范围内的情况下，通过将检测值置换成预先设定的代替值来进行校正。这样，由于例如在大气压传感器发生故障等而检测值不处在规定范围内的情况下 能够置换成代替值，所以即使在因大气压传感器的故障等而输出了偏离实际大气压的值的 情况下，也能够置换成表示标准大气压的代替值。此外，在上述燃料电池系统中，上述校正单元可以在由大气压传感器检测出的检 测值不处于规定范围内的状态持续了规定时间的情况下，开始检测值向代替值的置换。这样，例如在大气压传感器由于除故障以外的原因而暂时输出了不处在规定范围 内的检测值的情况下，能够限制成不置换为代替值。此外，在上述燃料电池系统中，上述校正单元可以在开始了检测值向代替值的置 换后、由大气压传感器检测出的检测值持续规定时间处于规定范围内的情况下，结束检测 值向代替值的置换。这样，即使在一旦已开始检测值向代替值的置换的情况下，也能够在大气压传感 器恢复了正常状态的情况下再次使用压力传感器的检测值来进行控制。发明效果根据本发明，能够减轻劳动力并高效率地控制反应气体的供给量。
图1是示意性地表示实施方式中的燃料电池系统的结构图。图2是表示大气压检测值与大气压校正值之间的关系的图。图3是用于说明图1所示的燃料电池系统中的对向燃料电池供给的反应气体的供 给量进行控制处理的流程图。标号说明1 燃料电池系统；2 燃料电池；3 氧化气体配管系统；4 氢气配管系统；5 控制 部；30 过滤器；31 压缩机；32 空气供给流路；33 空气排出流路；34 背压调整阀；35 力口 湿器；40 氢罐；41 氢供给流路；42 循环流路；43 主截止阀；44、45 调节器；46、47 截止 阀；48 氢泵；49 气液分离器；50 排气排水阀；51 排出流路；52 稀释器；PU P2 压力传 感器；P3 大气压传感器。
具体实施例方式下面，参照附图，对本发明所涉及的燃料电池系统和反应气体的供给量控制方法的优选实施方式进行说明。在本实施方式中，对将本发明所涉及的燃料电池系统作为燃料 电池车辆(FCHV;Fuel Cell HyblidVehicle)的车载发电系统的情况进行说明。本实施方式中的燃料电池系统通过表压传感器对供给或排出反应气体的给排流 路中的反应气体的压力进行检测，利用该表压传感器的检测值以及对大气压传感器的检测 值进行校正而得到的值来计算出绝对压力，根据该绝对压力来控制反应气体向燃料电池的 供给量。首先，参照图1，对本实施方式中的燃料电池系统的结构进行说明。图1是示意性 地表示本实施方式中的燃料电池系统的结构图。如图1所示，燃料电池系统1具有燃料电池2，其通过作为反应气体的氧化气体 和燃料气体的电化学反应而产生电力；氧化气体配管系统3(给排机构)，其向燃料电池2 供给作为氧化气体的空气；氢气配管系统4(给排机构)，其向燃料电池2供给作为燃料气 体的氢；以及控制部5，其集中控制系统整体。燃料电池2由层积有多个单体电池的堆叠结构构成，所述单体电池接受反应气体 的供给而进行发电。在燃料电池2发电而得的直流电力的一部分通过DC/DC转换器(未图 示)而被降压，并且被充电到作为蓄电池的二次电池(未图示)中。氧化气体配管系统3具有压缩机31 (氧化气体供给源)，其压缩经由过滤器30 取入的空气，并且送出作为氧化气体的压缩空气；空气供给流路32，其用于将氧化气体供 给至燃料电池2 ；以及空气排出流路33，其用于将从燃料电池2排出的氧化废气排出。在空 气供给流路32和空气排出流路33上设置有加湿器35，该加湿器35利用从燃料电池2经 由背压调整阀34排出的氧化废气对从压缩机31压送来的氧化气体进行加湿。在该加湿器 35中进行了水分交换等的氧化废气最终作为废气被排出至系统外的大气中。此外，在背压 调整阀34的上游侧设置有用于对氧化气体配管系统3中的氧化气体的压力进行检测的压 力传感器P1。该压力传感器Pl是表压传感器。表压传感器是比绝对压力传感器更容易制 造的压力传感器。氢气配管系统4具有作为燃料供给源的氢罐40，其内贮存有高压(例如70MPa) 的氢气；氢供给流路41，其作为用于将氢罐40的氢气供给至燃料电池2的燃料供给流路； 以及循环流路42，其用于使从燃料电池2排出的氢废气返回至氢供给流路41。另外，氢气 配管系统4是本发明中的燃料供给系统的一个实施方式。例如，也可以采用改性器和高压 气体罐作为燃料供给源来代替本实施方式中的氢罐40，所述改性器利用水蒸气将烃类燃料 改性成富氢的燃料气体，所述高压气体罐使在该改性器中改性的燃料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41上设置有主截止阀43，其截止或者允许来自氢罐40的氢气的 供给；调节器44、45，其将氢气的压力调压为预先设定好的二次压力；以及截止阀46，其截 止或者允许氢气从氢供给流路41向燃料电池2的供给。此外，在调节器45的下游侧设置 有对氢气配管系统4中的氢气的压力进行检测的压力传感器P2。该压力传感器P2是表压 传感器。在循环流路42上设置有截止阀47，其截止或者允许氢废气从燃料电池2向循环流路42流出；以及氢泵48，其对循环流路42内的氢废气加压而向氢供给流路41侧送出。 此外，在循环流路42上经由气液分离器49和排气排水阀50连接有排出流路51。气液分离 器49从氢废气中回收水分。排气排水阀50根据来自控制部5的指令，将在气液分离器49 回收的水分以及循环流路42内的含有杂质的氢废气排出。从排气排水阀50排出的氢废气 被稀释器52稀释而与空气排出流路33内的氧化废气汇合。 控制部5对设置于燃料电池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等电力消耗装置的要求发电量)等控制信息， 从而对系统内的各种设备的动作进行控制。另外，在电力消耗装置中，除了牵引电动机以 夕卜，例如还包括为了使燃料电池2动作所必需的辅机装置(例如压缩机31、氢泵48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、乘员空间的空调装置(空调机)、照明、音响等。控制部5根据由用于测定大气压的大气压传感器P3检测出的值(以下，称为大气 压检测值)，输出校正值(以下，称为大气压校正值)。控制部5通过将该大气压校正值与将 由压力传感器P1、P2检测出的值(以下，称为压力检测值)转换成表压而得的值(以下，称 为表压值)相加，从而计算出绝对压力值。控制部5利用该绝对压力值，对供给至燃料电池 2的氧化气体或氢气的供给量进行控制。此外，大气压传感器P3例如配置在发动机室内。参照图2，对大气压检测值与大气压校正值之间的关系进行具体说明。控制部5将 由大气压传感器P3检测出的大气压检测值[V]转换成大气压值[kPa. abs]，然后使该大气 压值通过低通滤波器，从而输出大气压校正值[kPa.abs]。图2所示的A表示大气压检测 值，B表示大气压校正值。控制部5对大气压检测值A不处在第一阈值 第二阈值(例如，0. 6V 4. 48V)的 范围内的状态是否持续例如50ms以上进行判定，并在持续了 50ms以上的情况下，开始进行 代替值输出处理。所谓代替值输出处理，是指将标准大气压即101.3kPa. abs作为大气压校 正值B的代替值而输出的处理。图2所示的Ts表示从大气压检测值A变为不到0. 6V直到 经过了 50ms为止的期间，在经过了该期间Ts后，输出101. 3kPa. abs作为大气压校正值B。控制部5在开始进行代替值输出处理后，对大气压检测值A处在第一阈值 第二 阈值(例如，0. 6V 4. 48V)的范围内的状态是否持续例如6000ms以上进行判定，在持续了 6000ms以上的情况下，终止代替值输出处理，并输出通常的大气压校正值B。图2所示的Te 表示从大气压检测值A处于0. 6V 4. 48V的范围内直到经过了 6000ms为止的期间。在经 过了该期间Te后，输出通常的大气压校正值作为大气压校正值B，所述通常的大气压校正值 是将大气压检测值A转换成大气压值后使该大气压值通过低通滤波器，从而被计算出来。此处，控制部5在物理方面例如具有CPU ；ROM、HDD,其对在CPU中被处理的控制 程序、控制数据进行存储；RAM，其主要作为用于控制处理的各种作业区域来使用；以及输 入输出接口。这些要素经由总线相互连接。在输入输出接口连接有压力传感器P1、P2以及 大气压传感器P3等各种传感器，并且连接有用于驱动压缩机31、主截止阀43、截止阀46、 47、氢泵48以及排气排水阀50等的各种驱动器。 CPU按照存储在ROM中的控制程序，经由输入输出接口接受压力传感器PI、P2和 大气压传感器P3中的检测结果，并且使用RAM内的各种数据等进行处理，由此来控制反应 气体对燃料电池2的供给量。此外，CPU经由输入输出接口向各种驱动器输出控制信号，从而控制燃料电池系统1整体。接下来，使用图3所示的流程图，说明本实施方式中的对向燃料电池供给的反应 气体的供给量进行控制处理。该反应气体的供给量控制处理是在燃料电池2从起动直到停 止或由于间歇运转而停顿为止的期间内重复进行的处理。首先，当燃料电池2起动时，控制部5从各个传感器读入由压力传感器P1、P2检测出的各压力检测值[V]和由大气压传感器P3检测出的大气压检测值[V](步骤Si)。接着，控制部5根据在上述步骤Sl中被读入的大气压检测值，对大气压检测值不 处在0. 6V 4. 48V的范围内的状态是否持续50ms以上进行判定(步骤S2)。在该判定为 “否”的情况下(步骤S2 ；否)，控制部5将大气压检测值[V]转换成大气压值[kPa. abs]， 然后使该大气压值通过低通滤波器，从而输出大气压校正值[kPa. abs](步骤S3)。接着，控制部5将在步骤Sl中读入的各压力检测值[V]分别转换成表压值[kPa. G]，并将各表压值分别与大气压校正值[kPa. abs]相加，由此计算出氧化气体配管系统3和 氢气配管系统4中的反应气体的绝对压力[kPa. abs]。然后，根据这些绝对压力来控制反应 气体对燃料电池2的供给量(步骤S4)。此后，将处理转移到上述步骤Si。另一方面，当在上述步骤S2的判定中判定为上述状态持续了 50ms以上的情况下 (步骤S2 ；是)，控制部5将作为代替值的101. 3kPa. abs作为大气压校正值输出(步骤S5)。接着，控制部5将从各传感器读入的各压力检测值[V]分别转换成表压值[kPa. G]，并将各表压值分别与为大气压校正值的101. 3kPa. abs相加，由此计算出氧化气体配管 系统3和氢气配管系统4中的绝对压力[kPa. abs]。然后，根据这些绝对压力来控制反应气 体对燃料电池2的供给量(步骤S6)。接着，控制部5从各传感器读入由压力传感器PI、P2检测出的各压力检测值[V] 和由大气压传感器P3检测出的大气压检测值[V](步骤S7)。接着，控制部5根据在上述步骤S7中读入的大气压检测值，对大气压检测值处在 0. 6V 4. 48V的范围内的状态是否持续6000ms以上进行判定(步骤S8)。在该判定为否 的情况下(步骤S8 ；否)，将处理转移到上述步骤S5。另一方面，当在上述步骤S8的判定中判定为上述状态持续了 6000ms以上的情况 下(步骤S8 ；是)，将处理转移到上述步骤S3。如上所述，根据本实施方式中的燃料电池系统1，能够对由大气压传感器P3检测 出的大气压检测值进行校正，并利用校正后的大气压校正值和给排机构即氧化气体配管系 统3及氢气配管系统4中的反应气体的压力值来控制反应气体对燃料电池2的供给量。由 此，能够使用比绝对压力传感器更容易制造的表压传感器PI、P2作为压力传感器，此外即 使在大气压传感器P3由于故障等而输出了与实际大气压不同的值的情况下，也能够对该 值进行校正。因此，能够减轻劳动力并高效率地控制反应气体的供给量。此外，根据本实施方式中的燃料电池系统1，在由大气压传感器P3检测出的大气 压检测值不处在规定范围(例如，0.6V 4.48V的范围)内的情况下，能够将大气压校正值 置换成代替值(例如，101.3kPa.abs)。由此，即使在大气压传感器P3故障等而输出了偏离 实际大气压的值的情况下，也能够置换成表示标准大气压的代替值。此外，根据本实施方式中的燃料电池系统1，只有在由大气压传感器P3检测出的 大气压检测值不处在规定范围(例如，0. 6V 4. 48V的范围)内的状态持续了规定时间(例如，50ms)的情况下，才能够置换成代替值。由此，在大气压传感器P3由于除故障以外的原因而暂时输出了不处在规定范围内的检测值的情况下，能够限制成不置换为代替值。此外，根据本实施方式中的燃料电池系统1，在大气压检测值向代替值的置换开始 后，当由大气压传感器P3检测出的大气压检测值持续了规定时间(例如，6000ms)以上并处 在规定范围(例如，0.6V 4.48V的范围)内的情况下，能够终止大气压检测值向代替值的 置换。由此，在大气压传感器P3恢复到正常状态的情况下，能够使用压力传感器P3的检测 值来进行控制。另外，在上述实施方式中，在计算大气压校正值时，使从大气压检测值转换来的大 气压值通过低通滤波器，但不是必须要通过低通滤波器。但是，通过使大气压值通过低通滤 波器，能够除去包含在大气压检测值中的噪声，并且即使在大气压检测值由于大气压传感 器的故障等而急剧变化的情况下，也能够缓和该变化的程度。由此，能够抑制反应气体的供 给量急剧变化的情形，能够进一步提高反应气体的供给量控制的效率。此外，在使大气压值 通过低通滤波器的情况下，优选将低通滤波器的截止频率设定得较低。例如，在大气压校正 值的运算周期为8. 192ms的情况下，可以将频率基准时间为1998. 848ms (8. 192X244)的频 率设定为截止频率。通过将截止频率设定得较低，能够进一步缓和大气压检测值的急剧变 化。此外，也可以对上述实施方式中的大气压校正值设置上限和下限。该上限和下限 优选设定在能够作为大气压而获取的值的上限和下限附近。例如，可以设定IlOkPa. abs作 为上限，设定65kPa. abs作为下限。由此，即使在大气压传感器P3发生故障等而输出了无 法作为大气压的值的情况下，也能够使大气压校正值处于能够作为大气压而获取的值的范 围内。此外，在上述实施方式中，在使代替值输出处理开始时或使代替值输出处理终止 时，设置有规定的持续时间(50ms或6000ms)，但是该持续时间可以任意设定，例如也可以 是0ms。此外，作为使代替值输出处理开始时或使代替值输出处理终止时的条件之一，将大 气压检测值的范围设定为0. 6V 4. 48V，但是大气压检测值的范围并不限定于此，可以任 意设定。该大气压检测值的范围优选设定为能够作为大气压而获取的值的范围。此外，在上述实施方式中，对将本发明所涉及的燃料电池系统搭载于燃料电池车 辆上的情况进行了说明，但是也可以将本发明所涉及的燃料电池系统应用在除燃料电池车 辆以外的各种移动体(机器人、船舶、飞机等)上。此外，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。产业上的可利用性本发明所涉及的燃料电池系统和反应气体的供给量控制方法适于高效率地控制 反应气体对燃料电池的供给量。
权利要求
一种燃料电池系统，具有接受反应气体的供给而通过该反应气体的电化学反应来产生电力的燃料电池，其特征在于，上述燃料电池系统包括给排机构，供给或排出反应气体；压力传感器，检测上述给排机构中的上述反应气体的压力；大气压传感器，检测大气压；校正单元，对由上述大气压传感器检测出的检测值进行校正；以及控制单元，利用由上述压力传感器检测出的检测值与由上述校正单元校正后的校正值来控制反应气体对上述燃料电池的供给量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，上述校正单元使由上述大气压传感器检测出的检测值通过低通滤波器而进行校正。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述校正单元对上述校正值设置上限和下限。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，上述校正单元在由上述大气压传感器检测出的检测值不处于规定范围内的情况下，通 过将上述检测值置换成预先设定的代替值来进行校正。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，上述校正单元在由上述大气压传感器检测出的检测值不处于规定范围内的状态持续 了规定时间的情况下，开始上述检测值向上述代替值的置换。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，上述校正单元在开始了上述检测值向上述代替值的置换后、由上述大气压传感器检 测出的检测值持续规定时间处于规定范围内的情况下，结束上述检测值向上述代替值的置换。
7.一种反应气体的供给量控制方法，是控制反应气体对燃料电池的供给量的方法，所 述燃料电池接受反应气体的供给而通过该反应气体的电化学反应来产生电力，其特征在 于，上述反应气体的供给量控制方法包括压力检测工序，对供给或排出反应气体的上述给排机构中的上述反应气体的压力进行 检测；大气压检测工序，检测大气压；校正工序，对在上述大气压检测工序中检测出的检测值进行校正；以及 控制工序，利用在上述压力检测工序中检测出的检测值与在上述校正工序中校正后的 校正值来控制反应气体对上述燃料电池的供给量。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统和反应气体的供给量控制方法，能够减轻劳动力并高效率地控制反应气体的供给量。控制部对由大气压传感器检测出的大气压检测值不处在0.6V～4.48V的范围内的状态是否持续了50ms以上进行判定，在没有持续50ms以上的情况下，将大气压检测值转换成大气压值后使该大气压值通过低通滤波器，从而输出大气压校正值。另一方面，在上述状态持续了50ms以上的情况下，将代替值即101.3kPa.abs作为大气压校正值输出。然后，将由压力传感器检测出的各压力检测值分别转换成表压值，并将各表压值分别与上述大气压校正值相加，由此计算出氧化气体配管系统和氢气配管系统中的反应气体的绝对压力，根据这些绝对压力来控制反应气体对燃料电池的供给量。
文档编号H01M8/04GK101803093SQ20088010702
公开日2010年8月11日 申请日期2008年9月3日 优先权日2007年9月19日
发明者石河统将 申请人:丰田自动车株式会社