燃料電池系統和發電控制裝置的製作方法

2023-05-27 05:46:51 3

專利名稱：燃料電池系統和發電控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池系統和發電控制裝置。
技術背景在燃料電池系統中，以氫氣為代表的燃料氣體和以空氣為代表的氧化 劑氣體被供給至燃料電池，通過燃料氣體和氧化劑氣體的生成反應(水生 成反應)產生電力。作為燃料電池，開發了各種燃料電池。其中，不存在電解質散逸或者保留問題的聚合物電解質燃料電池(PEFC)具有如下優 點，在室溫下啟動並且加熱時間極短，其吸引了特別注意。為獲得高電壓， 在可移動物體例如汽車中採用層疊PEFC。在該聚合物電解質燃料電池中，聚合物電解質層在燃料氣體和氧化劑 氣體之間的反應中傳導質子。因此，為有效維持生成反應，有必要監控聚 合物電解質層的潤溼條件或者溫度條件，並控制其處於合適狀態。為進行這樣的控制，例如專利文獻1提出了一種燃料電池系統和方法， 其用於測量流入燃料電池的氣體以及從燃料電池排出的氣體的溫度、溼度、 和流量以計算燃料電池的水平衡，以從燃料電池的電力計算的生成水量進 行比較以控制流入氣體的流量，以及控制留在燃料電池中的水量處於聚合 物電解質層的適當水平。[專利文獻1日本專利申請早期公開No.加O4 - l92973。發明內容同時，在燃料電池系統的工作期間，燃料電池不僅包括作為蒸汽即氣 體成分排出的水，而且包括特別是當出現過飽和的狀態時成為例如微小水滴並以液體成分存在的水。因此，為確實獲得燃料電池的水平衡以精確獲 得剩餘的水，有必要考慮這樣作為液體成分被帶至燃料電池系統外部的水量。但是，在上述常規燃料電池系統中，在計算水平衡時不考慮以液體成 分存在且排出的水，因此難以精確獲得燃料電池中的水量和潤溼條件。因此，考慮到這些情況構造本發明。因此本發明的目標在於提供一種 能夠更精確獲得燃料電池中水量、更精確和準確確定燃料電池中潤溼M 的燃料電池系統。本發明的另一個目標在於提供一種運行控制裝置，其能 夠通過採用數據表格簡單進行燃料電池的有效運行控制，在該數據表格中 作為本發明燃料電池系統的運行結果獲得的生成量與燃料氣體和氧化劑氣 體的最佳供給量相關。為實現上述目標，根據本發明一方面，提供了一種燃料電池系統，包 括潤溼條件確定單元，其從流入燃料電池的水量以及從燃料電池排出的水 量以及其中生成的水量確定所述燃料電池中的水平衡以及確定所述燃料電 池的潤溼條件，其中所述潤溼條件確定單元基於流入燃料電池氣體的物理 量、從燃料電池排出氣體的物理量、以及燃料電池的狀態量計算流入水量、 所述排出的水量、以及生成的水量，所述排出的水量為從燃料電池作為氣 體成分排出的水量和從燃料電池作為液體成分排出的水量。在具有上述配置的燃料電池系統中，潤溼條件確定單元計算流至燃料 電池的水量、從燃料電池排出的水量、以及所生成水的量、然後基於這些 量確定燃料電池中的水平衡。因此，獲得了燃料電池中剩餘的水量，並確 定燃料電池中的潤溼條件。這種情況下，因為不僅作為氣體成分排出的水 量而且作為液體成分排出的水量都被額外認為是排出的水量，所以精確獲 得了燃料電池中的水平衡。特別是，潤溼條件確定單元優選通過以流量、氣壓、和溼度或露點溫 度作為流入氣體的物理量計算流入水量，通過以流量、氣壓、和溼度或露 點溫度或溫度作為排出氣體的物理量計算作為氣體成分排出的水量，以及 從作為燃料電池的狀態量的生成的電流計算所生成的水量。這種情況下，從流入氣體的流量和氣壓以及作為氣體成分進入燃料電 池的水量計算單位時間內的流入氣體體積，即從流入氣體的體積和溼度(可 以是相對溼度或者絕對溼度)或者露點溫度獲得流入水量，即流入氣體的 作為氣體成分的水的含量比率。另外，相似地從排出氣體的流量、氣壓和 溼度或者露點溫度獲得作為氣體成分從燃料電池排出的水量。而且，因為 所生成的電流對應燃料電池中流入氣體(燃料氣體和氧化劑氣體)的反應 量，所以從所生成的電流獲得單位時間內通過反應生成的水量。這裡，如果燃料電池中的水平衡為正(正號)，即流入燃料電池的水 量和所生成的水量(增加的水量)的總和大於排出的水量(減少的水量)， 則通常燃料電池為過飽和。因此， 一些水可成為例如霧狀的微小水滴從而 可作為液體成分存在。因此，還可基於流入水量的平衡為正或者負(正號 或者負號)、如上所述計算的作為氣體成分排出的水量、以及所生成的水 量確定是否存在可作為液體成分排出的水。另外，當燃料電池運行時，通常，燃料電池中的氣體和排出氣體過飽和。因此，替代排出氣體的溼度或者露點溫度，可採用從溫度唯一確定的 飽和蒸汽量計算作為氣體成分從燃料電池排出的水量。這一點4吏得不必實 際測量溼度和露點溫度。另外，優選，潤溼條件確定單元從生成的電流計算在燃料電池內消耗 的流入氣體的消耗流量，並從該消耗流量和流入氣體的流量計算排出氣體 的流量。如上所述，因為所生成的電流對應反應量，即燃料電池中流入氣體(燃 料氣體和氧化劑氣體)的消耗量，從而簡單地計算出流入氣體的消耗流量。 因此，這使得不必實際測量排出氣體的流量。另外，優選，潤溼條件確定單元基於在燃料電池實際運行之前預先獲 得的"作為液體成分從燃料電池中排出的水量與排出氣體的流量之間的關 系"、以及燃料電池在實際運行時排出氣體的流量，計算燃料電池在實際 運行時作為液體成分排出的水量。此外，可通過燃料電池發電量、排出氣 體溫度、和排出氣體流量的至少任意一個計算作為液體成分從燃料電池排出的水量。另外，因為作為液體成分例如燃料電池內的微小水滴排出的水可與排 出氣體一起,皮排到燃料電池外部，所以還可僅僅捕獲排出氣體中的水滴， 或者對排出氣體採樣以測量或者評估作為液體成分排出的水量。如果燃料電池的排出氣體處於過飽和狀態，則通過從排出氣體的溫度 確定的飽和水蒸汽氣壓確定排出氣體中可能存在的氣體成分的水和液體成 分的水的比例，但是排出氣體的流量大大影響通過排出氣體排至燃料電池 外的作為液體成分的水量。另外，排出氣體的流量傾向於和工作狀態的燃 料電池發電量(輸出功率，發電電流)相關。因此，例如燃料電池的發電負荷和/或排出氣體的流量的參數可與作為 液體成分從燃料電池排出的水量相關。因此，可通過提前獲得目標燃料電 池的相關性以及比較該相關性與參數的實際測量值，簡單而精確地計算作 為液體成分排出的水量。另外，特別優選當燃料電池或排出氣體的溫度低於預定溫度時，所述 潤溼條件確定單元計算作為液體成分排出的水量。因為飽和水蒸汽氣壓還隨著排出氣體溫度下降而降低，所以排出氣體 中可能存在的作為液體成分的水量增加，從而作為液體成分從燃料電池中 排出的水量也增加。因此，特別是當燃料電池處於低溫條件以及排出氣體 溫度低於預定溫度時，通過計算作為液體成分排出的水量以確定水平衡而 更精確地獲得在該溫度運行期間的燃料電池中剩餘的水量。更特別是，有用的是流入氣體和排出氣體為燃料氣體和/或氧化劑氣體。通常，在燃料電池中，當發電時，在氧電極(陰極)的一側生成水， 其中對所述氧電極供給氧化劑氣體。該水可通過冷凝液化，並且可通過結 露等在氣流通道中滯留。因此，如果水不能排出該系統，則容易發生所謂 的溢流狀態，其中容易發生阻塞氧化劑氣體的流動通道。這將阻礙發電並 降低燃料電池輸出。另外，因為所生成的水可通過電解質膜流出甚至流向 燃料電極(陽極)，會阻塞燃料氣體的流動通道，從而可相似地發生溢流。因此，優選，從有助於用於防止該溢流的控制方面考慮，計算燃料氣體和 氧化劑氣體的作為液體成分排出的水量，當對燃料氣體或者氧化劑氣體進 行該計算時，優選對氧化劑氣體進行該計算。根據本發明的該燃料電池系統，因為通過不僅考慮作為氣體成分從燃 料電池排出的水量而且考慮作為液體成分排出的水量確定燃料電池中的7jC 平衡，所以可更精確獲得燃料電池中的水量，從而可更精確和準確地確定 燃料電池中的潤溼條件。另外，根據本發明的發電控制裝置包括存儲單元，其存儲數據表格， 在該數據表格中所述燃料電池中的發電量與獲得該發電量所需要的燃料氣 體和氧化劑氣體的供給流量相關，所述發電量基於根據本發明燃料電池系置；以及控制單元，其執行對向該燃料電池或者除該燃料電池之外的多個 燃料電池供給燃料氣體和氧化劑氣體的運行控制，從而可基於數據表格在 所述燃料電池或者其它燃料電池中獲得期望的發電量。


圖l是圖示根據本發明的燃料電池系統一個實施例的框圖；圖2是示出從燃料電池排出的空氣流量與從燃料電池排出的氫氣流量、以及作為液體成分排出的水量之間關係的示圖；以及圖3是示出燃料電池發電量和作為液體成分排出的全部水量之間關係的示圖。
具體實施方式
下面將詳細描述本發明的實施例。此外，對相同的元件採用相同的附 圖標記，並省略重複的描述。另外，位置關係例如上、下、右和左應當基 於附圖中所示出的位置關係，除非另外限定。另外，附圖的尺寸比例將不 限於圖示的比例。如上所述，圖l是圖示根據本發明的燃料電池系統一個實施例的框圖。燃料電池系統1包括固體聚合物電解質型燃料電池2，其具有其中層疊多 個電池的層疊結構。向燃料電池2供給作為氧化劑氣體的空氣和作為燃料 氣體的氫氣(H2)以發電。空氣供給系統3被連至燃料電池系統1，所述空氣供給系統3具有向 燃料電池2供給空氣(流入氣體)的供給管11和將從燃料電池2排出的空 氣廢氣(排出氣體)排至外部的排出管12。經過濾器13吸入空氣的壓縮 機14和潤溼由壓縮機14強制供給的空氣的加溼器15被設置在供給管11 中。另外，將流量計FIO、氣壓計P10和溼度計H10提供在燃料電池2和 加溼器15之間的供給管ll部分中。另外，將加溼器15提供為還設置在排出管12上，從而在待強制供給 空氣和空氣廢氣之間進行水交換。經過水交換的空氣經供給管11被輸送至 燃料電池2，並用於在燃料電池2中發電。調節燃料電池2中空氣氣壓的 背壓調節閥16被安裝至加溼器15和燃料電池2之間的排出管12的部分。 在提供流經排出管12的空氣廢氣以通過背壓調節閥16在加溼器15中進行 水交換後，其最終被排至系統外部的大氣。而且，在燃料電池2和背壓調 節閥16之間的排出管12的部分中提供氣壓計P11和溫度計T11。另外，氫氣供給系統4被連至燃料電池系統1。該氫氣供給系統包括 用作氫氣供給源的高壓罐21，其存儲高壓氫氣(流入氣體)；供給管22， 其向燃料電池2供給高壓罐21的氫氣；循環管23，其將從燃料電池2排 出的氫氣廢氣(未反應的氫氣；排出氣體)返回供給管22;氫氣泵24，其 使循環管23的氫氣廢氣流回供給管22;以及排出管25，其分接至循環管 23，並具有連至空氣供給系統3的排出管12的下遊端。調節來自高壓罐21的新的氫氣的氣壓的調節閥27被插入供給管22 的上遊側，並且循環管23被連至調節閥27下遊側上的接合點A。由在接 合點A被混合在一起的新的氫氣和氫氣廢氣組成的混合氣體被供給至燃料 電池2。另外，在燃料電池2和接合點A之間的供給管22的部分中提供流 量計F20、氣壓計P20和溼度計H20。用於將水與流經循環管23的氬氣廢氣隔開的氣液隔離器30插入循環管23的氫氣泵24的上遊側。流經循環管23的液體包括從燃料電池2排出 的氫氣廢氣以及由燃料電池2中電化學反應生成的水。在氣液隔離器30 中，作為生成水的水與氫氣廢氣隔開。由氣液隔離器30隔開的氬氣廢氣4皮 氫氣泵24送達接合點A，而被氣液隔離器30隔開的水經排水閥31從液體 管32排至空氣供給系統3的排出管12。液體管32具有連至氣液隔離器30的排水閥31的上遊端並具有連至空 氣供給系統3的排出管12的下遊端，並且用作使氣液隔離器30隔開的水 流入排出管12的管道。此外，在燃料電池2和氣液隔離器30之間的循環 管23的部分中提供氣壓計P21和溫度計T21。在排出管25中提供排氣閥33，其用作打開和關閉排出管25的截止閥。 當在燃料電池系統1運行期間適當打開排氣閥33時，氫氣廢氣中的雜質隨 著氫氣廢氣通過排出管25 ^皮排至氧氣系統的排出管12。通過提供排出管 25，氫氣廢氣中雜質濃度下降，可以提高待循環供給的氫氣廢氣中氫氣的 濃度。儘管提供了氣液隔離器30，但是流經排出管25的流體除了包括這 種雜質以外，還包括水。即排出管25用作液體管，其4吏得包括流經排出管 25的水的流體流入空氣供給系統3的排出管12。另外，包括DC-DC變換器和蓄電器(兩者都未示出)的輸出系統5 經供電插頭(未示出)連至燃料電池2。此外，燃料電池系統1包括具有 CPU或者MPU以及存儲器的算法處理和存儲單元91、和輸入/輸出界面 92，並且，系統1具有連至空氣供給系統3的控制單元9 (潤溼條件確定 單元)、氫氣供給系統4、和經輸"輸出界面92的輸出系統5。此外，在 算法處理和存儲單元91中，如下文所述進行各種運算，並且將運行的計算 結果順序存儲在存儲器中。另外，上述流量計F10和F20，氣壓計PIO、 Pll、 P20和P21，溼度 計H10和H20,和溫度計Tll和T21經輸入/輸出界面92被連至控制單元 9。在如此配置的燃料電磁系統l中，如果開始將空氣和氫氣供給至燃料 電池2並且燃料電池2開始運行，則流入燃料電池2的空氣的流量f (流入空氣)、氣壓P (流入空氣)、和溼度h (流入空氣)由提供在空氣供給管11中的流量計F10、氣壓計PIO、和溼度計H10實際測量。另外，由提 供在空氣排出管12中的氣壓計Pll和溫度計Tll實際測量從燃料電池2 排出的空氣的氣壓p(排出空氣)和溫度t(排出空氣)。相似，流入燃料電池2的氫氣的流量f (流入氬氣)、氣壓p (流入氬 氣)、和溼度h (流入氫氣)由提供在氫氣供給管22中的流量計F20、氣 壓計P20、和溼度計H20實際測量。另外，由提供在氫氣循環管23中的 氣壓計P21和溫度計T21實際測量從燃料電池2排出氫氣的氣壓p (排出 氫氣)和溫度t (排出氫氣)。將關於空氣和氫氣的物理量的實際測量信號以預定時間間隔連續或者 間歇地輸出至控制單元9。另外，在輸出系統5中，測量通過燃料電池2 的發電獲得的發電電流I，並將其實際測量信號輸出至控制單元9。控制單元9基於實際測量信號進行各種操作。即，從空氣的流入流量 f(流入空氣)和流入氣壓p (流入空氣)獲得單位時間內流入燃料電池2 的空氣體積(量)，並從空氣體積和溼度h (流入空氣)計算通過空氣在 單位時間內送入(流入)燃料電池2的水量W (流入空氣)。另外，從氫 氣的流入流量f (流入氫氣)和流入氣壓p (流入氫氣)獲得單位時間內流 入燃料電池2的氫氣體積(量)，並從氫氣的體積和溼度h (流入空氣) 計算通過氫氣在單位時間內送入(流入)燃料電池2的水量W(流入氫氣)。另外，因為發電電流I與燃料電池2內單位時間所消耗空氣中所包含 的氧氣量和氫氣量相關，所以從發電電流I計算燃料電池2內所消耗的空 氣流量和氫氣流量(均以流量消耗)。而且，將每個該消耗流量和流入燃 料電池2的空氣流入流量f (流入空氣)或者氫氣流入流量f (流入氫氣) 計算為從燃料電池2排出的空氣流量f (排出空氣)或者排出的氫氣流量f (排出氫氣)。另外，從如此獲得的空氣排出流量f (排出空氣)和實際測量的排出氣 壓p (排出空氣)獲得從燃料電池2單位時間排出的空氣體積(量)。然 後，從某溫度t (排出空氣)下的空氣體積和飽和水蒸汽氣壓(飽和蒸汽量)計算由空氣單位時間內從燃料電池2帶出(排出)的作為氣體成分的水量 Wv (排出空氣)。相似地，從如上獲得的氫氣的排出流量f (排出氫氣)和實際測量的排 出氣壓p (排出氫氣)獲得從燃料電池2單位時間排出的空氣體積(量)。 然後，從某溫度t (排出氫氣)下的空氣體積和飽和水蒸汽氣壓(飽和蒸汽 量)計算由氫氣單位時間內從燃料電池2帶出(排出)的作為氣體成分的 水量Wv (排出氫氣)。另外，因為如上所述發電電流I與燃料電池2內單位時間所消耗空氣 中包含的氧氣量和氫氣量相關，從發電電流I化學計量地計算在燃料電池 2中所生成的水量Wg。然後，將以此方法計算的量W (流入空氣)、W (流入氫氣)和Wg 相加在一起，從而計算燃料電池2中單位時間內增加的水量。另外，將量 Wv (排出空氣)、Wv (排出氫氣)相加在一起，從而計算燃料電池2中 單位時間內減少的水量(這裡，指作為氣體成分排出的水量)。然後，如 果必要，通過從如上所述獲得的增加水量減去減少的量而確定燃料電池2 中的水平衡為正還是負。如果水平衡為負(負號)，則表明作為氣體成分從燃料電池2排出的 水量大於流入燃料電池2和在燃料電池內所生成的全部水量。因此，通常 燃料電池2內的空氣和氫氣不會過飽和，因此水通過冷凝變為水滴並作為 液體成分存在的可能性較低。相反，如果水平衡為正(正號)，則燃料電池2內的空氣和/或氫氣過 飽和，因此水通過冷凝變為水滴並作為液體成分存在的可能性較高。這種 情況下，如上所述作為液體成分存在的水可由從燃料電池2排出的空氣和 氫氣排至燃料電池2的外部。因此，如果水平衡為正(正號)，則基於如上所述計算的待排出空氣 的排出流量f (排出空氣)以及待排出的氫氣排出流量f (排出氫氣)或者 燃料電池2的發電電流I，計算由空氣從燃料電池2作為液體成分排出的 水量Wl (排出空氣)以及由氫氣排出的作為液體成分的水量W1 (排出氫氣)或者其總和。這種情況下，特別是在燃料電池系統l運行之前，首先不同地改變空 氣的排出流量f (排出空氣)和氫氣的排出流量f (排出氫氣)或者燃料電池2的發電電流I,然後測量作為液體成分從燃料電池2排出的水量，以 及預先獲得其之間的關係。然後通過將所獲得的關係作為例如表格數據或 者公式數據存儲在控制單元9，以及通過將基於在燃料電池1實際運行時 的實際測量值計算的空氣的排出流量f(排出空氣)和氫氣的排出流量f(排 出氫氣)或者實際測量的發電電流I應用至所存儲數據，可計算水量Wl (排出空氣)和水量W1 (排出氫氣)或者其總和。這裡，圖2為示出從燃料電池2排出的空氣流量f(排出空氣)和排出 的氫氣流量(排出氫氣)(其單位例如為L/分鐘)與由每種氣體排出的作 為液體成分的水量Wl (排出空氣)和Wl (排出氫氣)(其單位例如為 g/分鐘)之間關係的示圖。在圖中，曲線C1和C2分別代表空氣和氫氣的 關係。另外，圖3為示出燃料電池2所發電電流I和作為液體成分排出的 水的總量(即Wl (排出空氣)+\￥1(排出氫氣))之間關係的示圖。在控制單元9中，將以該方法計算的作為液體成分排出的量Wl (排 出空氣)和Wl (排出氫氣)或者其總量與燃料電池2中的上述減少的水 量相加，並進一步確定水平衡。基於該結果確定燃料電池2中的潤溼條件。根據該燃料電池系統1，作為從燃料電池2排出的水量，不僅考慮作 為氣體成分排出的水量Wv (排出空氣)和Wv (排出氫氣)而且考慮作為 液體成分排出的水量W1 (排出空氣)和W1 (排出氫氣)。因此，可更精 確地獲得燃料電池2內的水平衡。因此，可更精確地確定燃料電池2內的 潤溼條件(氣相溼度和固體聚合物電解質層的溼度係數)。另外，如果如在常規方法中不考慮作為液體成分排出的水量，則可能 過分確定和評估燃料電池內的水量。相反，根據本發明的燃料電池系統l， 可適當確定和評估燃料電池2內的水量。因此，可抑制下面的情況，即由 於通過排出液體成分過量帶出水從而造成乾燥(dryout)，固體聚合物電 解質層的溼度係數會不利地下降。而且，可基於燃料電池2內水平衡的確定結果預測過量液體的水在燃 料電池2內滯留的可能性。如果預測到該情況，則還可預測通過露點冷凝 在燃料電池2內的空氣或者氫氣流路中發生溢流。因此，可增加流入燃料 電池2中的空氣和/或氫氣的流量或者流速，從而強迫排出燃料電池2內的 過量水。因此，可確保防止發生溢流，從而提高發電效率或者啟動性。另外，當燃料電池2的內部溫度(疊層溫度)或者待排出空氣和/或氫 氣溫度低於預定溫度，則控制單元9可計算作為液體成分排出水量以進行 上述對水平衡和潤溼條件的確定。根據本發明人的了解，當燃料電池2的疊層溫度為80n時，待排出的 空氣或者氫氣中存在的全部水的作為液滴存在的水比率(基於質量)為大 約5%。另一方面，當燃料電池2的疊層溫度為20'C時，待排出的空氣或 者氫氣中存在的全部水的作為液滴存在的水比率(基於質量)為大約95 % 。如上所述，因為和溫度較高的情況相比，當待排放的空氣或者氫氣溫 度低時包含的作為液體成分的水量更大，所以作為液體成分排至燃料電池 2外部的水量也傾向於增加。這種情況下，對燃料電池2水平衡的影響較 大。因此，如果當燃料電池2的溫度、待排出空氣(排出空氣)的溫度t、 或者待排出的氫氣(排出氫氣)的溫度t低於預定溫度時，計算上述作為 液體成分排出的水量W1 (排出空氣)和W1 (排出氫氣)，則可更精確地 確定該低溫下燃料電池2的水平衡和燃料電池2的潤溼條件。因此，進一 步改進了燃料電池系統1的工作特性。另外，控制單元9可基於如上確定的燃料電池2中的水平衡和其中的 潤溼條件調節和控制(優化)空氣的流入流量f (流入空氣)和氫氣的流入 流量f (流入氫氣)，從而可有效維持燃料電池2中的發電反應。另外，通過提取以這種方法優化的空氣流入流量f (流入空氣)和氫氣 的流入流量f (流入空氣)以及此時的發電量(輸出功率或者發電電流I)， 可獲得數據表格(資料庫，控制圖)，其中燃料電池2中的發電量與獲得 發電量所需要和最優的空氣供給流量和氫氣供給流量相關。而且， 一旦設置該數據表格，可簡單確定空氣和氫氣的最佳供給量以基於數據表格獲得期望的燃料電池2的發電量。因此可實現燃料電池2的 有效運行控制。另外，如果從燃料電池2的運行數據預先設置該數據表格並將該數據 表格存儲在裝置中例如算法處理和存儲單元91中，則即使每次運行燃料電 池2不進行上述對水平衡和潤溼條件的確定也可基於數據表格通過控制單 元9對燃料電池2的有效運行控制。而且，如果採用該數據表格，則也允 許有效而簡單地運行控制和燃料電池2相同種類或者相同類型的其它燃料 電池。此外，本發明不限於上述實施例，並且可修改為各種形式而不偏離其 實質和範圍。例如，可在排出管12和23中提供流量計和溼度計，並且可 基於流量計和溼度計的實際測量值以及氣壓的實際測量值計算空氣和氫氣 的排出流量。而且，取代溼度計H10和H20,可以提供露點計來測量空氣 和氫氣中的水量。而且，優選確定空氣供給系統3和氫氣供給系統4中考 慮作為液體成分排出的水量的水平衡。但是，可僅僅在空氣供給系統3或 者氫氣供給系統4中進行該確定。在該情況下，優選在較易發生由於生成 的水所引起的溢流的空氣供給系統3中進行該確定。另外，可不提供加溼器15。這種情況下，燃料電池系統l成為不加溼 空氣的系統。然後，和其中空氣#^口溼的情況相比，流入系統的空氣中所 包含的水量下降。這種情況下，如果和例如燃料電池2中所生成水量Wg 相比，單位時間內由空氣帶入燃料電池2的水量W (流入空氣)可忽略， 則可認為水量W (流入空氣)基本上為零，而計算水平衡。相似地，如果 和例如燃料電池2中所生成水量Wg相比，單位時間內由氫氣帶入燃料電 池2的水量W (流入氫氣)可忽略，則可認為水量W (流入氫氣)基本上 為零，而自然可以計算水平衡。因此，關於本發明中潤溼條件確定單元中水平衡的計算，如果在流入 水量、排出水量(作為氣體成分排出的水量和作為液體成分排出的水量)、 和生成水量中的除作為液體成分排出的水之外的水量對水平衡沒有影響， 則可通過認為上述水量基本上為零(通過將該量計算為零)而簡化計算。在本發明的"潤溼"條件確定單元中還包括進行該水平衡計算的單元。此外，本發明的燃料電池系統1還可組合進例如靜止應用中的具有燃料電池2的廢熱發電系統，而廢熱發電系統還可不僅用於商業還可用於家 庭，以及安裝至可移動物體例如車輛和可攜式裝置中。工業應用性根據本發明的燃料電池系統，可更精確地獲得燃料電池中的水量，從 而可更精確和準確地確定燃料電池中的潤溼條件。因此，該燃料電池可廣 泛應用於設施中，例如廢熱發電系統，其在靜止應用中用於利用燃料電池 的商業和家庭應用中、以及安裝至可移動物體例如車輛和可攜式裝置中。另外，本發明的發電控制裝置可通過採用數據表格簡單地對燃料電池 進行有效運行控制，該數據表格中作為本發明燃料電池系統運行結果獲得 的發電量與燃料氣體和氧化劑氣體的最佳供給量相關。因此，和上面相似， 該燃料電池可廣泛應用於設施中，例如廢熱發電系統，其在靜止應用中用 於利用燃料電池的商業和家庭應用中、以及安裝至可移動物體例如車輛和 可攜式裝置中。
權利要求
1.一種燃料電池系統，包括潤溼條件確定單元，其從流入燃料電池的水量以及從燃料電池排出的水量以及其中生成的水量確定所述燃料電池中的水平衡以及確定所述燃料電池的潤溼條件，其中所述潤溼條件確定單元基於流入燃料電池氣體的物理量、從燃料電池排出氣體的物理量、以及燃料電池的狀態量計算流入水量、所述排出的水量、以及生成的水量，所述排出的水量為從燃料電池作為氣體成分排出的水量和從燃料電池作為液體成分排出的水量。
2. 根據權利要求l的燃料電池系統，其中所述潤溼條件確定單元通過以流量、氣壓、和溼度或露點溫度作 為流入氣體的物理量計算流入水量，通過以流量、氣壓、和溼度或露點溫 度或溫度作為排出氣體的物理量計算作為氣體成分排出的水量，以及從作 為燃料電池的狀態量的生成的電流計算所生成的水量。
3. 根據權利要求1或2的燃料電池系統，其中所述潤溼條件確定單元從所述生成的電流計算在燃料電池內消耗 的流入氣體的消耗流量，並從所述消耗流量和流入氣體的流量計算排出氣 體的流量。
4. 根據權利要求1至3中任一項的燃料電池系統，其中所述潤溼條件確定單元基於在燃料電池實際運行前預先獲得的作 為液體成分從燃料電池中排出的水量與排出氣體流量之間的關係、以及燃 料電池在實際運行時排出氣體的流量，計算燃料電池在實際運行時作為液 體成分排出的水量。
5. 根據權利要求1至4中任一項的燃料電池系統，其中當燃料電池或排出氣體的溫度低於預定溫度時，所述潤溼條件確定單元計算作為液體成分排出的水量。
6. 根據權利要求1至5中任一項的燃料電池系統，其中所述流入氣體和排出氣體為燃料氣體和/或氧化劑氣體。
7. —種發電控制裝置，包括存儲單元，其存儲數據表格，在所述數據表格中所述燃料電池中的發 電量與獲得所述發電量所需要的燃料氣體和氧化劑氣體的供給流量相關， 所述發電量基於根據權利要求1至6中任一項的燃料電池系統中的燃料電 池的水平衡的確定結果和燃料電池潤溼條件的確定結果而設置；以及控制單元，其執行對向所述燃料電池或者除所述燃料電池之外的燃料 電池供給燃料氣體和氧化劑氣體的運行控制，從而可基於數據表格在所述 燃料電池或者其它燃料電池中獲得期望的發電量。
全文摘要
提供了一種能夠準確判斷燃料電池內潤溼狀態的燃料電池系統。該燃料電池系統包括具有層疊結構的固體聚合物電解質類型燃料電池。該燃料電池被連至空氣供給系統、氫氣供給系統、輸出系統、和控制單元。該控制單元接收至燃料電池的空氣和氫氣流量、其排出氣壓、以及所生成的電流測量信號。控制單元計算從燃料電池作為氣體成分和液體成分排出的水量並判斷燃料電池中的水平衡。
文檔編號H01M8/10GK101243570SQ20068002983
公開日2008年8月13日 申請日期2006年7月14日 優先權日2005年8月15日
發明者折橋信行 申請人:豐田自動車株式會社