专利名称：燃料电池系统的气体燃料供给装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于向燃料电池堆供给气体燃料的系统的一部分。
背景技术：
在日本专利厅2007年发行的JP 2007-188857A中公开了一种利用电磁式喷射器向燃料电池堆供给储存在高压氢气罐中的氢气的气体燃料供给装置。上述的气体燃料供给装置包括将开度维持在规定开度而改变时间的喷射器，由此，调整供给到燃料电池堆的氢气的流量，从而控制燃料电池堆内的氢气压力。然而，在上述喷射器中产生如下问题当喷射器的上游侧的氢气压力发生变化时，导致相同开时间的氢气量改变。此外，在气体燃料供给装置中，也可以考虑使用电磁式的调压阀代替喷射器。调压阀通过改变开口面积来调整供给到燃料电池堆的氢气的流量而控制燃料电池堆内的氢气压力。然而，在上述的调压阀中，也产生如下问题当调压阀的上游侧的氢气压力发生变化时，导致相同开口面积的氢气流量改变。由以上的理由可知，在上游侧氢气压力因发电时的氢气消耗而发生变化的燃料电池系统中，在利用喷射器、调压阀调整氢气流量的情况下，为了稳定供给氢气而需要减压阀，该减压阀用于将上游侧氢气压力减压而使该上游侧氢气处于恒定压力。其结果，气体燃料供给装置的结构不可避免地变得复杂。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种不使用减压阀就能够稳定供给气体燃料的气体燃料供给装置。本发明提供一种用于向利用气体燃料和氧化剂进行发电的燃料电池堆供给气体燃料的气体燃料供给装置。气体燃料供给装置包括燃料罐，其用于储存气体燃料；气体燃料通路，其用于连接燃料罐和燃料电池堆；控制阀，其设在气体燃料通路中，用于控制气体燃料的供给量；上游侧压力传感器，其用于检测气体燃料的比控制阀靠上游侧的上游侧压力；下游侧压力传感器，其用于检测气体燃料的比控制阀靠下游侧的下游侧压力；可编程控制器。可编程控制器基于燃料电池堆的目标气体燃料压力和检测出的下游侧压力而计算出控制阀的需求开度，基于需求开度和检测出的上游侧压力计算出控制阀的开时间和闭时间，或者基于燃料电池堆的目标气体燃料压力及检测出的下游侧压力计算出控制阀的开时间和闭时间，基于开时间和检测出的上游侧压力计算出控制阀的需求开度，利用计算出的需求开度、开时间和闭时间控制控制阀。本发明的详细内容与其它的特征及优点一同在说明书的后述记载中进行说明，并且表示在后附的附图中。
图1是本发明的第1实施方式的燃料电池系统的概略结构图。图2是表示本发明的第1实施方式的控制器所执行的氢气供给控制阀的控制程序的流程图。图3是表示控制器所存储的目标氢气压力图的特性的图表。图4是表示控制器所存储的氢气供给控制阀的开度图的特性的图表。图5是表示控制器所存储的氢气流量图的特性的图表。图6是用于说明氢气供给控制阀的开时间比率ω的图表。图7是表示执行控制程序时的氢气供给控制阀的开度和氢气流量的变化的时序图。图8是表示氢气流量及下游侧氢气压力的变化的时序图。图9是表示本发明的第2实施方式的控制器所执行的氢气供给控制阀的控制程序的流程图。图10是表示本发明的第2实施方式的控制器所存储的氢气供给控制阀的开时间比率图的特性的图表。图11是表示本发明的第2实施方式的控制器所储存的氢气流量图的特性的图表。图12是表示本发明的第3实施方式的控制器所执行的氢气供给控制阀的控制子程序的流程图。图13是表示执行子程序时的氢气供给控制阀的开度和氢气流量的变化的时序图。图14是本发明的第4实施方式的燃料电池系统的概略结构图。图15是表示本发明的第4实施方式的控制器所执行的氢气供给控制阀的控制程序的流程图。图16是表示本发明的第4实施方式的控制器所存储的氢气供给控制阀的第2开度图的特性的图表。图17是表示本发明的第4实施方式的控制器所执行的控制程序的执行结果的时序图。图18是表示氢气流量及下游侧氢气压力的变化的时序图。图19是表示燃料电池堆的怠速运转时的氢气供给控制阀的控制的时序图。图20是说明上游侧氢气压力和能够供给的最大流量的关系的图表。图21是说明关于各实施方式能够采用的最大可能供给流量的选项的图表。
具体实施例方式参照图1 图8对本发明的第1实施方式进行说明。图1是搭载在电动车辆上的燃料电池系统100的概略结构图。燃料电池系统100包括燃料电池堆10和氢气供给机构20。由固体高分子型的单电池多层层叠而构成燃料电池堆10，该单电池利用通过氢气供给机构20供给的、作为气体燃料的氢气和通过未图示的空气供给机构供给的、作为氧化剂气体的空气进行发电。燃料电池堆10发电以产生驱动电动车辆所必需的电力。作为向燃料电池堆10供给氢气的装置，氢气供给机构20包括高压氢气罐21、氢气供给通路22、氢气供给控制阀23和控制器30。在氢气供给通路22的上游侧设有两个高压氢气罐21。用于向燃料电池堆10供给的氢气例如以70MPa的高压状态储存在高压氢气罐21中。在高压氢气罐21上设有用于控制高压氢气罐21与氢气供给通路22的连通状态的开闭阀21A。开闭阀21A是电磁阀，用于在切断电源时阻断高压氢气罐21与氢气供给通路22的连通。氢气供给通路22是供向燃料电池堆10供给的氢气流动的通路。氢气供给通路22 的上游侧分支为两条通路，经由开闭阀21A与各高压氢气罐21相连接。氢气供给通路22的下游侧与燃料电池堆10的氢气供给歧管相连接。在氢气供给通路22的集合部22k和燃料电池堆10之间的氢气供给通路22上设有用于控制氢气流量的氢气供给控制阀23。此外， 氢气供给通路22的比氢气供给控制阀23靠上游侧的部分由高压配管形成，氢气供给通路 22的比氢气供给控制阀23靠下游侧的部分由低压配管形成。氢气供给控制阀23通过调整从高压氢气罐21向燃料电池堆10供给的氢气的流量，从而控制单电池的燃料电极中的氢气压力。控制器30是综合控制燃料电池系统100的装置，由包括中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)及输入输出接口(I/O接口)的微计算机构成上述控制器 30。来自上游侧压力传感器31和下游侧压力传感器32的信号输入到控制器30中。上游侧压力传感器31设置在氢气供给通路22的集合部22A上。上游侧压力传感器31用于检测氢气控制通路22内的比氢气供给控制阀23靠上游侧的氢气压力，也就是用于检测上游侧氢气压力。在氢气供给机构20中，由于不在氢气供给控制阀23的上游侧设置减压阀，因此利用上游侧压力传感器31也能够同时检测高压氢气罐21内的压力。下游侧压力传感器32设置在氢气供给通路22的下游端附近。下游侧压力传感器 32用于检测氢气供给通路22内的比氢气供给控制阀23靠下游侧的的氢气压力，也就是用于检测下游侧氢气压力。下游侧氢气压力代表单电池的燃料电极中的氢气压力。控制器30基于来自上游侧压力传感器31、下游侧压力传感器32等的信号来控制开闭阀2IA和氢气供给控制阀23。然而，以往方法的燃料电池系统的氢气供给机构如下构成利用减压阀将储存在高压氢气罐中的高压状态的氢气减压到规定压力，利用喷射器、调压阀将被减压后的氢气控制在目标氢气压力范围内。这样，由于包括减压阀，相应地就产生了氢气供给机构的结构变得复杂的问题。与此相对，燃料电池系统100的氢气供给机构20具有不使用减压阀的简单的结构。通过同时控制氢气供给控制阀23的开度、开时间及闭时间，从而调整供给到燃料电池堆10的氢气的流量且将氢气压力控制在目标氢气压力范围内。参照图2，对控制器30所执行的氢气供给控制阀23的控制程序(routine)进行说明。该程序是在燃料电池堆10的发电运转中以规定的控制周期T连续执行的。在考虑氢气供给控制阀23的响应性的情况下将控制周期T设定为尽可能短的时间，例如10毫秒。在步骤SlOl中，控制器30基于从车辆具有的加速踏板踏入量等求得的燃料电池堆10的目标输出值，计算出燃料电池堆10内的目标氢气压力Pt和将要被燃料电池堆10消耗的消耗氢气量。控制器30参照预先存储在ROM中的具有图3所示特性的目标氢气压力图，将目标氢气压力Pt设定在由上限压力和下限压力决定的目标氢气压力范围内。在本实施方式中， 考虑压力过调节(overshoot)等的影响，基于输出值和下限压力决定目标氢气压力Ρτ。回到图2，在步骤S102中，控制器30基于目标氢气压力Pt与利用下游侧压力传感器32检测出的下游侧氢气压力&的偏差以及消耗氢气量计算出在控制周期T内需要供给到燃料电池堆10的总氢气量，由总氢气量和控制周期T计算出作为平均氢气流量的需求氢气流量Q。此外，在步骤S102中，虽然基于目标氢气压力Pt与下游侧氢气压力Pl的偏差及消耗氢气量计算出需求氢气流量Q，但是也可以只基于目标氢气压力Pt与下游侧氢气压力& 的偏差计算出需求氢气流量Q。此外，也可以基于被供给的氢气的温度修正计算出的需求氢气流量Q。也就是说，能够基于包含目标氢气压力Pt和下游侧氢气压力&的各种物理量计算出需求氢气流量Q。在步骤S103中，控制器30计算出在假定上游侧氢气压力Ph为IMPa的情况下的氢气供给控制阀23的与需求氢气流量Q相对应的需求开度η。也就是说，设定氢气供给控制阀23的需求开度η，使得在上游侧氢气压力Ph为IMPa时通过氢气供给控制阀23的氢气的流量为需求氢气流量Q。此外，在步骤S103中，虽然假定上游侧氢气压力Ph为IMpa， 但是上述上游侧氢气压力Ph并不限定为IMPa，也可以是0. lMPa、0. 8MPa及1. 5MPa等，上述上游侧氢气压力Ph能够为任意的压力。控制器30参照预先存储在ROM中的具有图4所示特性的开度图，将氢气供给控制阀23的需求开度η设定在最小开度和最大开度的范围内。在该图中，假设上游侧氢气压力为IMPa。此外，能够控制氢气供给控制阀23，使其从闭阀状态变为开度大于最大开度的全开状态。返回图2，在步骤S104中，控制器30基于在需求开度η的状态下利用上游侧压力
传感器31检测出的上游侧氢气压力ΡΗ，计算出氢气供给控制阀23开阀时的推定氢气流量 q。控制器30参照预先存储在ROM中的具有图5所示特性的氢气流量图计算出推定氢气流量q。与氢气供给控制阀23的每个需求开度η相对应地准备不同的氢气流量图。返回图2，在步骤S105中，控制器30由推定氢气流量q和需求氢气流量Q计算出开时间比率ω。控制器30将需求氢气流量Q与推定氢气流量q的比作为开时间比率ω。在步骤S106中，控制器30用控制周期T乘以开时间比率ω而计算出氢气供给控制阀23的开时间Τ。，并且用控制周期T乘以l-ω而计算出氢气供给控制阀23的闭时间Τ。。在步骤S107中，控制阀30控制氢气供给控制阀23，使得该氢气供给控制阀23在控制周期T中的开时间Ttj期间内以需求开度Il开阀，在闭时间Tc期间内闭阀。如图6所示，控制器30使氢气供给控制阀23只在控制周期T内的开时间Tq中以需求开度n开阀而除此之外闭阀，因此间歇地向燃料电池堆 ο供给氢气。通过以上述方式间歇地供给氢气，如图7的虚线所示，能够将控制周期τ内的平均氢气流量调整到需求氢气流量Q。此外，如图8所示，能够将下游侧氢气压力1\控制在目标氢气压力范围内。此夕卜，如图3所示，下游侧氢气压力h的目标氢气压力范围与燃料电池堆10的输出值相对应地变化。综上所述，在燃料电池堆100的氢气供给机构20中能够获得下述的效果。
在氢气供给机构20中，基于燃料电池堆10的目标氢气压力和下游侧氢气压力设定氢气供给控制阀23的需求开度，基于需求开度和上游侧氢气压力设定氢气供给控制阀 23的开时间和闭时间，间歇地向燃料电池堆10供给氢气。由此，即使上游侧氢气压力因发电的氢气消耗等而改变，也能够将控制周期内的平均氢气流量调整为需求氢气流量，从而能够将下游侧氢气压力控制在目标氢气压力范围内。因此，氢气供给机构20不需要在氢气供给通路22的比氢气供给控制阀23靠上游侧处设置减压阀，能够以简单的结构稳定供给氢气。在氢气供给机构20中，利用氢气供给控制阀23将从高压氢气罐21输出的氢气在一个阶段中控制为目标氢气压力范围内，因此，与设置减压阀的以往方法相比较能够降低在氢气供给通路22中的压力损失。因此，能够减少高压氢气罐21内的氢气的无效余量，延长车辆的续航距离。上游侧氢气压力越高推定氢气流量越大，因此将开时间比率ω设定为较小。因此，在上游侧氢气压力处于高压状态的情况下，氢气供给控制阀23的闭时间变长而能够抑制在氢气供给控制阀23处的消耗电力，氢气供给控制阀23的开时间缩短而能够抑制对燃料电池堆10的燃料电极施加过大的压力。接下来，参照图9 图11，对本发明的第2实施方式进行说明。第2实施方式的燃料电池系统100具有与第1实施方式大致相同的结构，但是上述的燃料电池系统在氢气供给控制阀23的需求开度η、开时间Ttj及闭时间Τ。的决定方法中存在差异。参照图9，对第2实施方式的燃料电池系统100的控制器30所执行的氢气供给控制阀23的控制程序进行说明。图9的步骤S101、S102及S107的内容和图2的步骤S101、 S102及S107的内容相同，因此省略详细的说明。控制器30在步骤S102中计算出需求氢气流量Q后执行步骤S108的处理。在步骤S108中，控制器30假定上游侧氢气压力I3h减压到IMPa且氢气供给控制阀23的开度为最大开度ηΜΧ，计算出开时间比率ω，使得在控制周期T内的氢气的平均流
量为需求氢气流量Q。如图10所示，控制器30参照预先存储于ROM中的上游侧氢气压力为IMPa且氢气供给控制阀23的开度为最大开度ηΜΧ时的开时间比率图，计算出开时间比率ω。返回图9，在步骤S109中，控制器30用控制周期T乘以开时间比率ω而计算出氢气供给控制阀23的开时间Τ。，并且用控制周期T乘以l-ω而计算出氢气供给控制阀23 的闭时间Te。在步骤SllO中，控制器30计算出在最大开度nmx、开时间比率ω的情况下的与上游侧氢气压力I3h相对应的推定氢气流量q。如图11所示，控制器30参照预先存储于ROM中的氢气供给控制阀23的开度为最大开度Hmax、开时间比率ω时的氢气流量图，计算出推定氢气流量q。与氢气供给控制阀 23的每个开时间比率ω相对应地准备氢气流量图。返回图9，在步骤Slll中，控制器30由推定氢气流量q和需求氢气流量Q计算出开度比率λ。控制器30将需求氢气流量Q与推定氢气流量q的比作为开度比率入。在步骤S112中，控制器30用最大开度JImax乘以开度比率λ而计算出氢气供给
8、
控制阀23的需求开度η。然后，在步骤S107中，利用控制器30控制氢气供给控制阀23，使得该氢气供给控制阀23在控制周期T中的开时间Ttj期间内以需求开度η开阀且在闭时间Tc期间内闭阀。综上所述，在燃料电池系统100的氢气供给机构20中能够获得下述效果。在氢气供给机构20中，基于燃料电池10的目标氢气压力和下游侧氢气压力设定氢气供给控制阀23的开时间和闭时间，基于氢气供给控制阀23的开时间和上游侧氢气压力设定氢气供给控制阀23的需求开度，间歇地向燃料电池堆10供给氢气。从而，氢气供给机构20与第1实施方式相同地不需要在氢气供给通路22的比氢气供给控制阀23靠上游侧处设置减压阀，从而能够以简单的结构稳定供给氢气。在氢气供给机构20中，利用氢气供给控制阀23在一个阶段内将从高压氢气罐21 输出的氢气控制在目标氢气压力范围内，因此，与具有减压阀的以往方法相比较，能够降低在氢气供给通路22处的压力损失。因此，能够减少高压氢气罐21内的氢气的无效余量，能够延长车辆的续航距离。上游侧氢气压力越大推定氢气流量越大，因此将开度比率设定为较小。因此，在上游侧氢气压力处于高压状态的情况下，氢气供给控制阀23的需求开度变小，从而能够抑制对燃料电池堆10的燃料电极施加过大的压力。接下来，参照图12及图13对本发明的第3实施方式进行说明。虽然第3实施方式的燃料电池系统100具有与第1实施方式及第2实施方式大致相同的结构，但是在与车辆运转状态等相对应地修正氢气供给控制阀23的需求开度η、开时间Ttj及闭时间Tc这点上存在差异。参照图12，对第3实施方式的控制器30所执行的氢气供给控制阀23的控制子程序进行说明。在第1实施方式或者第2实施方式的步骤S107中执行该子程序。在步骤S201中，控制器30基于目标氢气压力Pt和下游侧氢气压力Pl的偏差，判断车辆是否处于加速中。在目标氢气压力Pt和下游侧氢气压力Pl的偏差较大的情况下，控制器30判断车辆处于加速中，从而执行步骤S203的处理。与此相对，在目标氢气压力&和下游侧氢气压力&的偏差较小的情况下，控制器30判断车辆不处于过渡状态，从而执行步骤S202的处理。在步骤S202中，控制器30判断在燃料电池堆10处是否发生液泛(flooding)。液泛是指生成水积存在燃料电池堆10的气体燃料流路中而阻碍氢气扩散的现象。控制器30基于燃料电池堆10内的氢气的含水量判断液泛的发生。在含水量大于规定值的情况下，控制器30判断发生了液泛，从而执行步骤S203的处理。与此相对，在含水量小于规定值的情况下，控制器30判断未发生液泛，从而终止处理。此外，也可以不基于氢气的含水量判断液泛的发生，例如，检测燃料电池堆10的各单电池电压，在存在当时的运转状态的平均单电池电压的80%以下的单电池电压的情况下，判断发生了液泛。在步骤S203中，控制器30以使控制周期T内的需求氢气流量Q不变化的方式减少氢气供给控制阀23的开时间Ttj且增大闭时间T。，并且增大氢气供给控制阀23的需求开度η。通过以上述方式修正氢气供给控制阀23的开闭特性，能够使氢气供给控制阀23开阀时的氢气流量相对于通常时的氢气流量增大。参照图13，对车辆加速时的氢气供给控制阀23的修正控制的作用进行说明。车辆在时刻tl加速的情况下，控制器30对氢气供给控制阀23的开时间Ttj进行减少修正，对闭时间Tc进行增大修正，对需求开度η进行增大修正。通过如上所述地修正氢气供给控制阀23的开闭特性，能够维持需求氢气流量Q且能够暂时增加氢气供给控制阀 23开阀时的氢气流量。因此，即使燃料电池堆输出在车辆加速时等短时间内改变的情况下， 也能够使下游侧氢气压力&迅速地追随改变至目标氢气压力范围内。综上所述，在燃料电池堆100的氢气供给机构20中，能够获得下述的效果。在车辆加速时对氢气供给控制阀23的开时间进行减少修正，对闭时间进行增大修正，对需求开度进行增大修正，因此能够增加氢气供给控制阀23开阀时的氢气流量，能够缩短下游侧氢气压力到达目标氢气压力范围所需时间。此外，在发生液泛时也进行与上述相同的修正控制，增大氢气供给控制阀23开阀时的氢气流量，因此能够有效地排出滞留在燃料电池堆10的气体燃料流路内的生成水。特别地，能够在使燃料电池堆10的输出在长时间范围内维持低输出的交通拥堵时等，根据需要排出生成水。接下来，参照图14 图18说明本发明的第4实施方式。与第1实施方式 第3实施方式的燃料电池系统相比，第4实施方式的燃料电池系统100的系统结构及氢气供给控制阀23的控制方法不同。如图14所示，本实施方式的燃料电池系统100的氢气供给机构20从一个高压氢气罐21向燃料电池堆10供给氢气。高压氢气罐21经由氢气供给通路22与燃料电池堆10 相连接。用于控制高压氢气罐21和氢气供给通路22的连通状态的开闭阀21A设于高压氢气罐21的内部。开闭阀21A设于高压氢气罐21内，因此即使在车辆撞击等异常状态时，也能够抑制在开闭阀21处发生故障，能够在发生异常时可靠地阻断高压氢气罐21A和氢气供给通路22的连通。在高压氢气罐21的端部设置有框体M，在框体M内的氢气供给通路22中设置氢气供给控制阀23。将氢气供给控制阀23设在高压氢气罐21的附近，将比氢气供给控制阀23靠上游侧的高压配管部配置在框体M内，因此即使在车辆冲撞等的异常状态时也能够可靠地防止高压配管部的断裂。此外，也可以将氢气供给控制阀23设置在高压氢气罐21 内。此外，在框体M中设置有用于检测氢气供给通路22内的比氢气供给控制阀23靠上游侧的氢气压力的上游侧压力传感器31。参照图15，对第4实施方式的燃料电池系统100的控制器30所执行的氢气供给控制阀23的控制程序进行说明。图15的步骤SlOl S107的内容与第1实施方式中的图2 的步骤SlOl S107相同，因此省略详细说明。控制器30在步骤S102处计算出了需求氢气流量Q后，执行步骤S113的处理。在步骤Sl 13中，控制器30基于利用目标氢气压力Pt和下游侧氢气压力Pl的偏差计算出的需求氢气流量Q及上游侧氢气压力IV计算出氢气供给控制阀23的第2开度。控制器30参照预先存储在ROM中的具有图16所示特性的开度图，基于需求氢气流量Q和上游侧氢气压力I3h计算出第2开度。在步骤S114中，控制器30判断计算出的第2开度是否大于最小开度。在上游侧氢气压力是高压的情况下，在将氢气流量设定为低流量时需要对氢气供给控制阀23的开度进行精密地控制，特别地在图16的斜线区域处氢气供给控制阀23的流量控制性恶化。如上所述将氢气供给控制阀23的流量控制性开始恶化的开度设定为最小开度。在图15的步骤S114中，在第2开度大于最小开度的情况下，控制器30执行步骤 Sl 15的处理。在步骤S115中，控制器30将第2开度设定为需求开度η，将开时间比率ω设定为1。由此，将氢气供给控制阀23的开时间Ttj设定为与控制周期T相同，将闭时间Τ。设定为0。在处理过程从步骤S114经由步骤S115而进行到步骤S107的情况下，氢气供给控制阀23在控制周期T的期间以需求开度η始终开阀，向燃料电池堆10连续供给氢气。从而，在步骤S113中计算出的第2开度大于最小开度的情况下，如图17所示，向燃料电池堆 10连续供给氢气，只利用氢气供给控制阀23的开度调整氢气流量。另一方面，在图15的步骤114中作出第2开度小于最小开度的判断的情况下，控制器30执行步骤S103的处理。在步骤S103中，控制器30计算出在假定上游侧氢气压力 Ph为IMPa的情况下的、氢气供给控制阀23的与需求氢气流量Q相对应的第1开度，将第1 开度设定为需求开度Π。此外，作为不小于最小开度的开度计算出第1开度。在步骤S104 步骤S106中，控制器30基于需求开度η和上游侧氢气压力IV计算出开时间Ttj和闭时间Tc。在处理过程从步骤S114经由步骤S113 步骤S106而进行到步骤S107的情况下，使氢气供给控制阀23只在控制周期T中的开时间Ttj以需求开度η开阀，除此之外使其闭阀，因此，如图17所示向燃料电池堆10间歇地供给氢气。通过如上所述地间歇地供给氢气，如图18所示，能够将控制周期T内的平均氢气流量调整至需求氢气流量Q，能够将下游侧氢气压力Pl控制在目标氢气压力范围内。此外，也可以代替图15所示的控制程序的步骤S103 步骤S106的处理而执行图 9所示的步骤S108 步骤S112的处理。在上述情况下，基于燃料电池堆10的目标氢气压力和下游侧氢气压力计算出氢气供给控制阀23的开时间及闭时间，基于开时间和上游侧氢气压力计算出不小于最小开度的第1开度，将第1开度设定为需求开度n。综上所述，在燃料电池系统100的氢气供给机构20中能够获得下述效果。在氢气供给机构20中，在基于目标氢气压力、下游侧氢气压力及上游侧氢气压力计算出的第2开度大于最小开度的情况下，将氢气供给控制阀23的第2开度设定为需求开度且将闭时间设定为0，从而连续地供给氢气，在第2开度小于最小开度的情况下，将不小于最小开度的第1开度设定为需求开度，对氢气供给控制阀23进行开闭控制，从而间歇地供给氢气。由此，在氢气供给机构20中没有必要在氢气供给通路22的比氢气供给控制阀 23靠上游侧处设置减压阀，能够以简单的结构稳定供给氢气。在氢气供给机构20中，降低了间歇控制氢气供给控制阀23的频率，因此能够谋求氢气供给控制阀23的长寿命化。此外，能够抑制因氢气供给控制阀23的间歇控制引起的下游侧氢气压力的波动的发生，能够抑制燃料电池堆10中的电解质膜的劣化。在氢气供给机构20中，从连续供给氢气的状态切换为间歇供给氢气的状态，下游侧氢气压力发生波动，从而能够使燃料电池堆10内的氢气扩散。由此，能够使燃料电池堆 10的气体燃料流路内的氢气浓度的不均勻实现均勻化，能够排出滞留在气体燃料流路中的生成水及来自空气供给机构的透过电解质膜进入的氮气等气体杂质。综上所述，通过几种特定的实施方式说明本发明，但是本发明并不限定为上述的各实施方式。对于本领域的技术人员，能够基于权利要求书的技术方案对上述实施方式进行各种修改或者变更。以下说明的需求开度η相当于第4实施方式中由第1开度求得的需求开度。在目标氢气压力Pt小于20kPa而燃料电池堆10处于怠速(idle)运转状态的情况下，如图19所示，也可以使氢气供给控制阀23的需求开度η维持为预先设定的最小开度， 增减开时间Tq及闭时间Tc，使得下游侧氢气压力&为目标氢气压力Ρτ。由此，也能够进行基于氢气供给控制阀23的不大于最小流量的低流量控制。此外，燃料电池堆10处于怠速运转状态的情况下，也可以使开时间Ttj维持为预先设定的最小时间，增减氢气供给控制阀 23的需求开度η，使得下游侧氢气压力Pl为目标氢气压力Ρτ。此外，当消耗高压氢气罐21内的氢气而使上游侧氢气压力Ph处于IMPa以下的第1 低压状态时，由上游侧氢气压力变化引起的在氢气供给控制阀23处的氢气流量变化减小。 当上游侧氢气压力Ph处于第1低压状态时，即使将氢气供给控制阀23的需求开度η设为最大开度，也变得不能根据车辆运转状态供给最大流量的氢气。在上游侧氢气压力Ph处于低压状态的情况下，也可以不使氢气供给控制阀23的需求开度η、开时间Ttj及闭时间Tc分别变化，而是如下地进行控制不管上游侧氢气压力Ph的状态如何而将闭时间Τ。设定为0， 将开时间Ttj设定为控制周期T而使氢气供给控制阀23始终开阀，增减氢气供给控制阀23 的需求开度n以使下游侧氢气压力1\为目标氢气压力Ρτ。由此，能够使氢气供给控制阀 23的控制变得容易。此外，也可以不使氢气供给控制阀23始终开阀且不增减需求开度η， 而是将氢气供给控制阀23的需求开度η设为最大开度，增减开时间Ttj及闭时间Τ。以使下游侧氢气压力Pl为目标氢气压力Ρτ。此外，当上游侧氢气压力Ph处于小于IMPa例如不大于0. 4MPa的第2低压状态时， 如图20所示，即使氢气供给控制阀23的需求开度η处于最大开度，也变得不能根据车辆运转状态等供给需求氢气流量Q。因此，在上游侧氢气压力Ph处于低压的情况下，基于车辆的运转状态和上游侧氢气压力Ph使目标氢气压力Pt降低，从而限制燃料电池堆10的输出。 如图21所示与每一个上游侧氢气压力相对应地存储有低压状态下的氢气供给控制阀23的最大开度的最大流量，从而能够使高压氢气罐21内的氢气的无效余量基本为零。对于以上的说明，在这里以引用方式将申请日为2009年6月22日的日本特愿 2009-147731号的内容纳入本说明书。工业实用性本发明在应用于燃料电池系统的气体燃料供给装置的情况下能够产生特别令人满意的效果。本发明的实施方式所包含的排他性特性或者优点如下所述地表述在权利要求书中。
1权利要求
1.一种燃料电池系统的气体燃料供给装置，其用于向利用气体燃料和氧化剂气体进行发电的燃料电池堆供给气体燃料，其特征在于，该气体燃料供给装置包括燃料罐，其用于储存气体燃料；气体燃料通路，其用于连接燃料罐和燃料电池堆；控制阀，其设在气体燃料通路中，用于控制气体燃料的供给量；上游侧压力传感器，其用于检测气体燃料的比控制阀靠上游侧的上游侧压力；下游侧压力传感器，其用于检测气体燃料的比控制阀靠近下游侧的下游侧压力；可编程控制器，其以如下方式被程序化，可编程控制器基于燃料电池堆的目标气体燃料压力和检测出的下游侧压力计算出控制阀的需求开度，基于需求开度和检测出的上游侧压力计算出控制阀的开时间和闭时间，或者，可编程控制器基于燃料电池堆的目标气体燃料压力和检测出的下游侧压力计算出控制阀的开时间和闭时间，基于开时间和检测出的上游侧压力计算出控制阀的需求开度，可编程控制器利用计算出的需求开度、开时间及闭时间控制控制阀。
2.根据权利要求1所述的气体燃料供给装置，其中，可编程控制器基于燃料电池堆的目标气体燃料压力、下游侧压力及上游侧压力计算出控制阀的第2开度，在第2开度大于规定的最小开度的情况下，以如下方式控制控制阀将第2开度设定为需求开度，将闭时间设定为0，以需求开度始终开阀，在第2开度小于最小开度的情况下，基于目标气体燃料压力和检测出的下游侧压力计算出不小于最小开度的第1开度，将该第1开度作为需求开度，基于需求开度和检测出的上游侧压力计算出控制阀的开时间和闭时间，或者，基于燃料电池堆的目标气体燃料压力和检测出的下游侧压力计算出控制阀的开时间和闭时间，基于开时间和检测出的上游侧压力计算出不小于最小开度的第1开度，将该第1开度作为需求开度。
3.根据权利要求1或2所述的气体燃料供给装置，其中，可编程控制器基于目标气体燃料压力与下游侧压力的偏差判断车辆是否处于加速状态，在车辆处于加速状态时对需求开度进行增大修正，对开时间进行减少修正，对闭时间进行增大修正。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体燃料供给装置，其中，可编程控制器判断燃料电池堆内是否发生液泛，在发生液泛时，对需求开度进行增大修正，对开时间进行减少修正，对闭时间进行增大修正。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体燃料供给装置，其中，在燃料电池堆进行怠速运转时，可编程控制器将需求开度维持于规定开度，且以使下游侧压力成为目标气体燃料压力的方式控制开时间和闭时间。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的气体燃料供给装置，其中，在燃料电池堆进行怠速运转时，可编程控制器将开时间维持为规定时间，且以使下游侧压力成为目标气体燃料压力的方式控制需求开度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的气体燃料供给装置，其中，在上游侧压力处于第1低压状态的情况下，可编程控制器将需求开度设为最大开度， 且以使下游侧压力成为目标气体燃料压力的方式调整开时间和上述闭时间。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的气体燃料供给装置，其中，在上游侧压力处于第1低压状态的情况下，可编程控制器使控制阀始终开阀，且以使下游侧压力成为目标气体燃料压力的方式控制需求开度。
9.根据权利要求7或8所述的气体燃料供给装置，其中，在上游侧压力处于低于第1低压状态的第2低压状态的情况下，可编程控制器基于车辆运转状态和上游侧压力使目标气体燃料压力下降，限制燃料电池堆的输出。
全文摘要
本发明提供一种用于向燃料电池堆供给气体燃料的燃料电池系统的气体燃料供给装置，包括设在用于连接燃料罐和燃料电池堆的气体燃料通路上的控制阀、用于检测上游侧压力的上游侧压力传感器、用于检测下游侧压力的下游侧压力传感器及可编程控制器。可编程控制器基于目标气体燃料压力和下游侧压力计算出需求开度，基于需求开度和上游侧压力计算出开时间和闭时间，或者基于目标气体燃料压力和下游侧压力计算出开时间和闭时间，基于开时间和上游侧压力计算出需求开度，利用计算出的需求开度、开时间及闭时间控制控制阀。
文档编号H01M8/00GK102460804SQ20108002728
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月22日 优先权日2009年6月22日
发明者井上亮, 佐藤圭介, 宇佐美孝忠, 小田岛真人, 春山理浩, 森山明信, 河野贤太郎 申请人:日产自动车株式会社