燃料電池系統的氣體燃料供給裝置的製作方法
2023-05-01 04:52:21
專利名稱：燃料電池系統的氣體燃料供給裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於向燃料電池堆供給氣體燃料的系統的一部分。
背景技術：
在日本專利廳2007年發行的JP 2007-188857A中公開了一種利用電磁式噴射器向燃料電池堆供給儲存在高壓氫氣罐中的氫氣的氣體燃料供給裝置。上述的氣體燃料供給裝置包括將開度維持在規定開度而改變時間的噴射器，由此，調整供給到燃料電池堆的氫氣的流量，從而控制燃料電池堆內的氫氣壓力。然而，在上述噴射器中產生如下問題當噴射器的上遊側的氫氣壓力發生變化時，導致相同開時間的氫氣量改變。此外，在氣體燃料供給裝置中，也可以考慮使用電磁式的調壓閥代替噴射器。調壓閥通過改變開口面積來調整供給到燃料電池堆的氫氣的流量而控制燃料電池堆內的氫氣壓力。然而，在上述的調壓閥中，也產生如下問題當調壓閥的上遊側的氫氣壓力發生變化時，導致相同開口面積的氫氣流量改變。由以上的理由可知，在上遊側氫氣壓力因發電時的氫氣消耗而發生變化的燃料電池系統中，在利用噴射器、調壓閥調整氫氣流量的情況下，為了穩定供給氫氣而需要減壓閥，該減壓閥用於將上遊側氫氣壓力減壓而使該上遊側氫氣處於恆定壓力。其結果，氣體燃料供給裝置的結構不可避免地變得複雜。
發明內容
因此，本發明的目的在於，提供一種不使用減壓閥就能夠穩定供給氣體燃料的氣體燃料供給裝置。本發明提供一種用於向利用氣體燃料和氧化劑進行發電的燃料電池堆供給氣體燃料的氣體燃料供給裝置。氣體燃料供給裝置包括燃料罐，其用於儲存氣體燃料；氣體燃料通路，其用於連接燃料罐和燃料電池堆；控制閥，其設在氣體燃料通路中，用於控制氣體燃料的供給量；上遊側壓力傳感器，其用於檢測氣體燃料的比控制閥靠上遊側的上遊側壓力；下遊側壓力傳感器，其用於檢測氣體燃料的比控制閥靠下遊側的下遊側壓力；可編程控制器。可編程控制器基於燃料電池堆的目標氣體燃料壓力和檢測出的下遊側壓力而計算出控制閥的需求開度，基於需求開度和檢測出的上遊側壓力計算出控制閥的開時間和閉時間，或者基於燃料電池堆的目標氣體燃料壓力及檢測出的下遊側壓力計算出控制閥的開時間和閉時間，基於開時間和檢測出的上遊側壓力計算出控制閥的需求開度，利用計算出的需求開度、開時間和閉時間控制控制閥。本發明的詳細內容與其它的特徵及優點一同在說明書的後述記載中進行說明，並且表示在後附的附圖中。
圖1是本發明的第1實施方式的燃料電池系統的概略結構圖。圖2是表示本發明的第1實施方式的控制器所執行的氫氣供給控制閥的控制程序的流程圖。圖3是表示控制器所存儲的目標氫氣壓力圖的特性的圖表。圖4是表示控制器所存儲的氫氣供給控制閥的開度圖的特性的圖表。圖5是表示控制器所存儲的氫氣流量圖的特性的圖表。圖6是用於說明氫氣供給控制閥的開時間比率ω的圖表。圖7是表示執行控制程序時的氫氣供給控制閥的開度和氫氣流量的變化的時序圖。圖8是表示氫氣流量及下遊側氫氣壓力的變化的時序圖。圖9是表示本發明的第2實施方式的控制器所執行的氫氣供給控制閥的控制程序的流程圖。圖10是表示本發明的第2實施方式的控制器所存儲的氫氣供給控制閥的開時間比率圖的特性的圖表。圖11是表示本發明的第2實施方式的控制器所儲存的氫氣流量圖的特性的圖表。圖12是表示本發明的第3實施方式的控制器所執行的氫氣供給控制閥的控制子程序的流程圖。圖13是表示執行子程序時的氫氣供給控制閥的開度和氫氣流量的變化的時序圖。圖14是本發明的第4實施方式的燃料電池系統的概略結構圖。圖15是表示本發明的第4實施方式的控制器所執行的氫氣供給控制閥的控制程序的流程圖。圖16是表示本發明的第4實施方式的控制器所存儲的氫氣供給控制閥的第2開度圖的特性的圖表。圖17是表示本發明的第4實施方式的控制器所執行的控制程序的執行結果的時序圖。圖18是表示氫氣流量及下遊側氫氣壓力的變化的時序圖。圖19是表示燃料電池堆的怠速運轉時的氫氣供給控制閥的控制的時序圖。圖20是說明上遊側氫氣壓力和能夠供給的最大流量的關係的圖表。圖21是說明關於各實施方式能夠採用的最大可能供給流量的選項的圖表。
具體實施例方式參照圖1 圖8對本發明的第1實施方式進行說明。圖1是搭載在電動車輛上的燃料電池系統100的概略結構圖。燃料電池系統100包括燃料電池堆10和氫氣供給機構20。由固體高分子型的單電池多層層疊而構成燃料電池堆10，該單電池利用通過氫氣供給機構20供給的、作為氣體燃料的氫氣和通過未圖示的空氣供給機構供給的、作為氧化劑氣體的空氣進行發電。燃料電池堆10發電以產生驅動電動車輛所必需的電力。作為向燃料電池堆10供給氫氣的裝置，氫氣供給機構20包括高壓氫氣罐21、氫氣供給通路22、氫氣供給控制閥23和控制器30。在氫氣供給通路22的上遊側設有兩個高壓氫氣罐21。用於向燃料電池堆10供給的氫氣例如以70MPa的高壓狀態儲存在高壓氫氣罐21中。在高壓氫氣罐21上設有用於控制高壓氫氣罐21與氫氣供給通路22的連通狀態的開閉閥21A。開閉閥21A是電磁閥，用於在切斷電源時阻斷高壓氫氣罐21與氫氣供給通路22的連通。氫氣供給通路22是供向燃料電池堆10供給的氫氣流動的通路。氫氣供給通路22 的上遊側分支為兩條通路，經由開閉閥21A與各高壓氫氣罐21相連接。氫氣供給通路22的下遊側與燃料電池堆10的氫氣供給歧管相連接。在氫氣供給通路22的集合部22k和燃料電池堆10之間的氫氣供給通路22上設有用於控制氫氣流量的氫氣供給控制閥23。此外， 氫氣供給通路22的比氫氣供給控制閥23靠上遊側的部分由高壓配管形成，氫氣供給通路 22的比氫氣供給控制閥23靠下遊側的部分由低壓配管形成。氫氣供給控制閥23通過調整從高壓氫氣罐21向燃料電池堆10供給的氫氣的流量，從而控制單電池的燃料電極中的氫氣壓力。控制器30是綜合控制燃料電池系統100的裝置，由包括中央運算裝置(CPU)、只讀存儲器(ROM)、隨機存儲器(RAM)及輸入輸出接口(I/O接口)的微計算機構成上述控制器 30。來自上遊側壓力傳感器31和下遊側壓力傳感器32的信號輸入到控制器30中。上遊側壓力傳感器31設置在氫氣供給通路22的集合部22A上。上遊側壓力傳感器31用於檢測氫氣控制通路22內的比氫氣供給控制閥23靠上遊側的氫氣壓力，也就是用於檢測上遊側氫氣壓力。在氫氣供給機構20中，由於不在氫氣供給控制閥23的上遊側設置減壓閥，因此利用上遊側壓力傳感器31也能夠同時檢測高壓氫氣罐21內的壓力。下遊側壓力傳感器32設置在氫氣供給通路22的下遊端附近。下遊側壓力傳感器 32用於檢測氫氣供給通路22內的比氫氣供給控制閥23靠下遊側的的氫氣壓力，也就是用於檢測下遊側氫氣壓力。下遊側氫氣壓力代表單電池的燃料電極中的氫氣壓力。控制器30基於來自上遊側壓力傳感器31、下遊側壓力傳感器32等的信號來控制開閉閥2IA和氫氣供給控制閥23。然而，以往方法的燃料電池系統的氫氣供給機構如下構成利用減壓閥將儲存在高壓氫氣罐中的高壓狀態的氫氣減壓到規定壓力，利用噴射器、調壓閥將被減壓後的氫氣控制在目標氫氣壓力範圍內。這樣，由於包括減壓閥，相應地就產生了氫氣供給機構的結構變得複雜的問題。與此相對，燃料電池系統100的氫氣供給機構20具有不使用減壓閥的簡單的結構。通過同時控制氫氣供給控制閥23的開度、開時間及閉時間，從而調整供給到燃料電池堆10的氫氣的流量且將氫氣壓力控制在目標氫氣壓力範圍內。參照圖2，對控制器30所執行的氫氣供給控制閥23的控制程序(routine)進行說明。該程序是在燃料電池堆10的發電運轉中以規定的控制周期T連續執行的。在考慮氫氣供給控制閥23的響應性的情況下將控制周期T設定為儘可能短的時間，例如10毫秒。在步驟SlOl中，控制器30基於從車輛具有的加速踏板踏入量等求得的燃料電池堆10的目標輸出值，計算出燃料電池堆10內的目標氫氣壓力Pt和將要被燃料電池堆10消耗的消耗氫氣量。控制器30參照預先存儲在ROM中的具有圖3所示特性的目標氫氣壓力圖，將目標氫氣壓力Pt設定在由上限壓力和下限壓力決定的目標氫氣壓力範圍內。在本實施方式中， 考慮壓力過調節(overshoot)等的影響，基於輸出值和下限壓力決定目標氫氣壓力Ρτ。回到圖2，在步驟S102中，控制器30基於目標氫氣壓力Pt與利用下遊側壓力傳感器32檢測出的下遊側氫氣壓力&的偏差以及消耗氫氣量計算出在控制周期T內需要供給到燃料電池堆10的總氫氣量，由總氫氣量和控制周期T計算出作為平均氫氣流量的需求氫氣流量Q。此外，在步驟S102中，雖然基於目標氫氣壓力Pt與下遊側氫氣壓力Pl的偏差及消耗氫氣量計算出需求氫氣流量Q，但是也可以只基於目標氫氣壓力Pt與下遊側氫氣壓力& 的偏差計算出需求氫氣流量Q。此外，也可以基於被供給的氫氣的溫度修正計算出的需求氫氣流量Q。也就是說，能夠基於包含目標氫氣壓力Pt和下遊側氫氣壓力&的各種物理量計算出需求氫氣流量Q。在步驟S103中，控制器30計算出在假定上遊側氫氣壓力Ph為IMPa的情況下的氫氣供給控制閥23的與需求氫氣流量Q相對應的需求開度η。也就是說，設定氫氣供給控制閥23的需求開度η，使得在上遊側氫氣壓力Ph為IMPa時通過氫氣供給控制閥23的氫氣的流量為需求氫氣流量Q。此外，在步驟S103中，雖然假定上遊側氫氣壓力Ph為IMpa， 但是上述上遊側氫氣壓力Ph並不限定為IMPa，也可以是0. lMPa、0. 8MPa及1. 5MPa等，上述上遊側氫氣壓力Ph能夠為任意的壓力。控制器30參照預先存儲在ROM中的具有圖4所示特性的開度圖，將氫氣供給控制閥23的需求開度η設定在最小開度和最大開度的範圍內。在該圖中，假設上遊側氫氣壓力為IMPa。此外，能夠控制氫氣供給控制閥23，使其從閉閥狀態變為開度大於最大開度的全開狀態。返回圖2，在步驟S104中，控制器30基於在需求開度η的狀態下利用上遊側壓力
傳感器31檢測出的上遊側氫氣壓力ΡΗ，計算出氫氣供給控制閥23開閥時的推定氫氣流量 q。控制器30參照預先存儲在ROM中的具有圖5所示特性的氫氣流量圖計算出推定氫氣流量q。與氫氣供給控制閥23的每個需求開度η相對應地準備不同的氫氣流量圖。返回圖2，在步驟S105中，控制器30由推定氫氣流量q和需求氫氣流量Q計算出開時間比率ω。控制器30將需求氫氣流量Q與推定氫氣流量q的比作為開時間比率ω。在步驟S106中，控制器30用控制周期T乘以開時間比率ω而計算出氫氣供給控制閥23的開時間Τ。，並且用控制周期T乘以l-ω而計算出氫氣供給控制閥23的閉時間Τ。。在步驟S107中，控制閥30控制氫氣供給控制閥23，使得該氫氣供給控制閥23在控制周期T中的開時間Ttj期間內以需求開度Il開閥，在閉時間Tc期間內閉閥。如圖6所示，控制器30使氫氣供給控制閥23隻在控制周期T內的開時間Tq中以需求開度n開閥而除此之外閉閥，因此間歇地向燃料電池堆 ο供給氫氣。通過以上述方式間歇地供給氫氣，如圖7的虛線所示，能夠將控制周期τ內的平均氫氣流量調整到需求氫氣流量Q。此外，如圖8所示，能夠將下遊側氫氣壓力1\控制在目標氫氣壓力範圍內。此夕卜，如圖3所示，下遊側氫氣壓力h的目標氫氣壓力範圍與燃料電池堆10的輸出值相對應地變化。綜上所述，在燃料電池堆100的氫氣供給機構20中能夠獲得下述的效果。
在氫氣供給機構20中，基於燃料電池堆10的目標氫氣壓力和下遊側氫氣壓力設定氫氣供給控制閥23的需求開度，基於需求開度和上遊側氫氣壓力設定氫氣供給控制閥 23的開時間和閉時間，間歇地向燃料電池堆10供給氫氣。由此，即使上遊側氫氣壓力因發電的氫氣消耗等而改變，也能夠將控制周期內的平均氫氣流量調整為需求氫氣流量，從而能夠將下遊側氫氣壓力控制在目標氫氣壓力範圍內。因此，氫氣供給機構20不需要在氫氣供給通路22的比氫氣供給控制閥23靠上遊側處設置減壓閥，能夠以簡單的結構穩定供給氫氣。在氫氣供給機構20中，利用氫氣供給控制閥23將從高壓氫氣罐21輸出的氫氣在一個階段中控制為目標氫氣壓力範圍內，因此，與設置減壓閥的以往方法相比較能夠降低在氫氣供給通路22中的壓力損失。因此，能夠減少高壓氫氣罐21內的氫氣的無效餘量，延長車輛的續航距離。上遊側氫氣壓力越高推定氫氣流量越大，因此將開時間比率ω設定為較小。因此，在上遊側氫氣壓力處於高壓狀態的情況下，氫氣供給控制閥23的閉時間變長而能夠抑制在氫氣供給控制閥23處的消耗電力，氫氣供給控制閥23的開時間縮短而能夠抑制對燃料電池堆10的燃料電極施加過大的壓力。接下來，參照圖9 圖11，對本發明的第2實施方式進行說明。第2實施方式的燃料電池系統100具有與第1實施方式大致相同的結構，但是上述的燃料電池系統在氫氣供給控制閥23的需求開度η、開時間Ttj及閉時間Τ。的決定方法中存在差異。參照圖9，對第2實施方式的燃料電池系統100的控制器30所執行的氫氣供給控制閥23的控制程序進行說明。圖9的步驟S101、S102及S107的內容和圖2的步驟S101、 S102及S107的內容相同，因此省略詳細的說明。控制器30在步驟S102中計算出需求氫氣流量Q後執行步驟S108的處理。在步驟S108中，控制器30假定上遊側氫氣壓力I3h減壓到IMPa且氫氣供給控制閥23的開度為最大開度ηΜΧ，計算出開時間比率ω，使得在控制周期T內的氫氣的平均流
量為需求氫氣流量Q。如圖10所示，控制器30參照預先存儲於ROM中的上遊側氫氣壓力為IMPa且氫氣供給控制閥23的開度為最大開度ηΜΧ時的開時間比率圖，計算出開時間比率ω。返回圖9，在步驟S109中，控制器30用控制周期T乘以開時間比率ω而計算出氫氣供給控制閥23的開時間Τ。，並且用控制周期T乘以l-ω而計算出氫氣供給控制閥23 的閉時間Te。在步驟SllO中，控制器30計算出在最大開度nmx、開時間比率ω的情況下的與上遊側氫氣壓力I3h相對應的推定氫氣流量q。如圖11所示，控制器30參照預先存儲於ROM中的氫氣供給控制閥23的開度為最大開度Hmax、開時間比率ω時的氫氣流量圖，計算出推定氫氣流量q。與氫氣供給控制閥 23的每個開時間比率ω相對應地準備氫氣流量圖。返回圖9，在步驟Slll中，控制器30由推定氫氣流量q和需求氫氣流量Q計算出開度比率λ。控制器30將需求氫氣流量Q與推定氫氣流量q的比作為開度比率入。在步驟S112中，控制器30用最大開度JImax乘以開度比率λ而計算出氫氣供給
8、
控制閥23的需求開度η。然後，在步驟S107中，利用控制器30控制氫氣供給控制閥23，使得該氫氣供給控制閥23在控制周期T中的開時間Ttj期間內以需求開度η開閥且在閉時間Tc期間內閉閥。綜上所述，在燃料電池系統100的氫氣供給機構20中能夠獲得下述效果。在氫氣供給機構20中，基於燃料電池10的目標氫氣壓力和下遊側氫氣壓力設定氫氣供給控制閥23的開時間和閉時間，基於氫氣供給控制閥23的開時間和上遊側氫氣壓力設定氫氣供給控制閥23的需求開度，間歇地向燃料電池堆10供給氫氣。從而，氫氣供給機構20與第1實施方式相同地不需要在氫氣供給通路22的比氫氣供給控制閥23靠上遊側處設置減壓閥，從而能夠以簡單的結構穩定供給氫氣。在氫氣供給機構20中，利用氫氣供給控制閥23在一個階段內將從高壓氫氣罐21 輸出的氫氣控制在目標氫氣壓力範圍內，因此，與具有減壓閥的以往方法相比較，能夠降低在氫氣供給通路22處的壓力損失。因此，能夠減少高壓氫氣罐21內的氫氣的無效餘量，能夠延長車輛的續航距離。上遊側氫氣壓力越大推定氫氣流量越大，因此將開度比率設定為較小。因此，在上遊側氫氣壓力處於高壓狀態的情況下，氫氣供給控制閥23的需求開度變小，從而能夠抑制對燃料電池堆10的燃料電極施加過大的壓力。接下來，參照圖12及圖13對本發明的第3實施方式進行說明。雖然第3實施方式的燃料電池系統100具有與第1實施方式及第2實施方式大致相同的結構，但是在與車輛運轉狀態等相對應地修正氫氣供給控制閥23的需求開度η、開時間Ttj及閉時間Tc這點上存在差異。參照圖12，對第3實施方式的控制器30所執行的氫氣供給控制閥23的控制子程序進行說明。在第1實施方式或者第2實施方式的步驟S107中執行該子程序。在步驟S201中，控制器30基於目標氫氣壓力Pt和下遊側氫氣壓力Pl的偏差，判斷車輛是否處於加速中。在目標氫氣壓力Pt和下遊側氫氣壓力Pl的偏差較大的情況下，控制器30判斷車輛處於加速中，從而執行步驟S203的處理。與此相對，在目標氫氣壓力&和下遊側氫氣壓力&的偏差較小的情況下，控制器30判斷車輛不處於過渡狀態，從而執行步驟S202的處理。在步驟S202中，控制器30判斷在燃料電池堆10處是否發生液泛(flooding)。液泛是指生成水積存在燃料電池堆10的氣體燃料流路中而阻礙氫氣擴散的現象。控制器30基於燃料電池堆10內的氫氣的含水量判斷液泛的發生。在含水量大於規定值的情況下，控制器30判斷發生了液泛，從而執行步驟S203的處理。與此相對，在含水量小於規定值的情況下，控制器30判斷未發生液泛，從而終止處理。此外，也可以不基於氫氣的含水量判斷液泛的發生，例如，檢測燃料電池堆10的各單電池電壓，在存在當時的運轉狀態的平均單電池電壓的80%以下的單電池電壓的情況下，判斷發生了液泛。在步驟S203中，控制器30以使控制周期T內的需求氫氣流量Q不變化的方式減少氫氣供給控制閥23的開時間Ttj且增大閉時間T。，並且增大氫氣供給控制閥23的需求開度η。通過以上述方式修正氫氣供給控制閥23的開閉特性，能夠使氫氣供給控制閥23開閥時的氫氣流量相對於通常時的氫氣流量增大。參照圖13，對車輛加速時的氫氣供給控制閥23的修正控制的作用進行說明。車輛在時刻tl加速的情況下，控制器30對氫氣供給控制閥23的開時間Ttj進行減少修正，對閉時間Tc進行增大修正，對需求開度η進行增大修正。通過如上所述地修正氫氣供給控制閥23的開閉特性，能夠維持需求氫氣流量Q且能夠暫時增加氫氣供給控制閥 23開閥時的氫氣流量。因此，即使燃料電池堆輸出在車輛加速時等短時間內改變的情況下， 也能夠使下遊側氫氣壓力&迅速地追隨改變至目標氫氣壓力範圍內。綜上所述，在燃料電池堆100的氫氣供給機構20中，能夠獲得下述的效果。在車輛加速時對氫氣供給控制閥23的開時間進行減少修正，對閉時間進行增大修正，對需求開度進行增大修正，因此能夠增加氫氣供給控制閥23開閥時的氫氣流量，能夠縮短下遊側氫氣壓力到達目標氫氣壓力範圍所需時間。此外，在發生液泛時也進行與上述相同的修正控制，增大氫氣供給控制閥23開閥時的氫氣流量，因此能夠有效地排出滯留在燃料電池堆10的氣體燃料流路內的生成水。特別地，能夠在使燃料電池堆10的輸出在長時間範圍內維持低輸出的交通擁堵時等，根據需要排出生成水。接下來，參照圖14 圖18說明本發明的第4實施方式。與第1實施方式 第3實施方式的燃料電池系統相比，第4實施方式的燃料電池系統100的系統結構及氫氣供給控制閥23的控制方法不同。如圖14所示，本實施方式的燃料電池系統100的氫氣供給機構20從一個高壓氫氣罐21向燃料電池堆10供給氫氣。高壓氫氣罐21經由氫氣供給通路22與燃料電池堆10 相連接。用於控制高壓氫氣罐21和氫氣供給通路22的連通狀態的開閉閥21A設於高壓氫氣罐21的內部。開閉閥21A設於高壓氫氣罐21內，因此即使在車輛撞擊等異常狀態時，也能夠抑制在開閉閥21處發生故障，能夠在發生異常時可靠地阻斷高壓氫氣罐21A和氫氣供給通路22的連通。在高壓氫氣罐21的端部設置有框體M，在框體M內的氫氣供給通路22中設置氫氣供給控制閥23。將氫氣供給控制閥23設在高壓氫氣罐21的附近，將比氫氣供給控制閥23靠上遊側的高壓配管部配置在框體M內，因此即使在車輛衝撞等的異常狀態時也能夠可靠地防止高壓配管部的斷裂。此外，也可以將氫氣供給控制閥23設置在高壓氫氣罐21 內。此外，在框體M中設置有用於檢測氫氣供給通路22內的比氫氣供給控制閥23靠上遊側的氫氣壓力的上遊側壓力傳感器31。參照圖15，對第4實施方式的燃料電池系統100的控制器30所執行的氫氣供給控制閥23的控制程序進行說明。圖15的步驟SlOl S107的內容與第1實施方式中的圖2 的步驟SlOl S107相同，因此省略詳細說明。控制器30在步驟S102處計算出了需求氫氣流量Q後，執行步驟S113的處理。在步驟Sl 13中，控制器30基於利用目標氫氣壓力Pt和下遊側氫氣壓力Pl的偏差計算出的需求氫氣流量Q及上遊側氫氣壓力IV計算出氫氣供給控制閥23的第2開度。控制器30參照預先存儲在ROM中的具有圖16所示特性的開度圖，基於需求氫氣流量Q和上遊側氫氣壓力I3h計算出第2開度。在步驟S114中，控制器30判斷計算出的第2開度是否大於最小開度。在上遊側氫氣壓力是高壓的情況下，在將氫氣流量設定為低流量時需要對氫氣供給控制閥23的開度進行精密地控制，特別地在圖16的斜線區域處氫氣供給控制閥23的流量控制性惡化。如上所述將氫氣供給控制閥23的流量控制性開始惡化的開度設定為最小開度。在圖15的步驟S114中，在第2開度大於最小開度的情況下，控制器30執行步驟 Sl 15的處理。在步驟S115中，控制器30將第2開度設定為需求開度η，將開時間比率ω設定為1。由此，將氫氣供給控制閥23的開時間Ttj設定為與控制周期T相同，將閉時間Τ。設定為0。在處理過程從步驟S114經由步驟S115而進行到步驟S107的情況下，氫氣供給控制閥23在控制周期T的期間以需求開度η始終開閥，向燃料電池堆10連續供給氫氣。從而，在步驟S113中計算出的第2開度大於最小開度的情況下，如圖17所示，向燃料電池堆 10連續供給氫氣，只利用氫氣供給控制閥23的開度調整氫氣流量。另一方面，在圖15的步驟114中作出第2開度小於最小開度的判斷的情況下，控制器30執行步驟S103的處理。在步驟S103中，控制器30計算出在假定上遊側氫氣壓力 Ph為IMPa的情況下的、氫氣供給控制閥23的與需求氫氣流量Q相對應的第1開度，將第1 開度設定為需求開度Π。此外，作為不小於最小開度的開度計算出第1開度。在步驟S104 步驟S106中，控制器30基於需求開度η和上遊側氫氣壓力IV計算出開時間Ttj和閉時間Tc。在處理過程從步驟S114經由步驟S113 步驟S106而進行到步驟S107的情況下，使氫氣供給控制閥23隻在控制周期T中的開時間Ttj以需求開度η開閥，除此之外使其閉閥，因此，如圖17所示向燃料電池堆10間歇地供給氫氣。通過如上所述地間歇地供給氫氣，如圖18所示，能夠將控制周期T內的平均氫氣流量調整至需求氫氣流量Q，能夠將下遊側氫氣壓力Pl控制在目標氫氣壓力範圍內。此外，也可以代替圖15所示的控制程序的步驟S103 步驟S106的處理而執行圖 9所示的步驟S108 步驟S112的處理。在上述情況下，基於燃料電池堆10的目標氫氣壓力和下遊側氫氣壓力計算出氫氣供給控制閥23的開時間及閉時間，基於開時間和上遊側氫氣壓力計算出不小於最小開度的第1開度，將第1開度設定為需求開度n。綜上所述，在燃料電池系統100的氫氣供給機構20中能夠獲得下述效果。在氫氣供給機構20中，在基於目標氫氣壓力、下遊側氫氣壓力及上遊側氫氣壓力計算出的第2開度大於最小開度的情況下，將氫氣供給控制閥23的第2開度設定為需求開度且將閉時間設定為0，從而連續地供給氫氣，在第2開度小於最小開度的情況下，將不小於最小開度的第1開度設定為需求開度，對氫氣供給控制閥23進行開閉控制，從而間歇地供給氫氣。由此，在氫氣供給機構20中沒有必要在氫氣供給通路22的比氫氣供給控制閥 23靠上遊側處設置減壓閥，能夠以簡單的結構穩定供給氫氣。在氫氣供給機構20中，降低了間歇控制氫氣供給控制閥23的頻率，因此能夠謀求氫氣供給控制閥23的長壽命化。此外，能夠抑制因氫氣供給控制閥23的間歇控制引起的下遊側氫氣壓力的波動的發生，能夠抑制燃料電池堆10中的電解質膜的劣化。在氫氣供給機構20中，從連續供給氫氣的狀態切換為間歇供給氫氣的狀態，下遊側氫氣壓力發生波動，從而能夠使燃料電池堆10內的氫氣擴散。由此，能夠使燃料電池堆 10的氣體燃料流路內的氫氣濃度的不均勻實現均勻化，能夠排出滯留在氣體燃料流路中的生成水及來自空氣供給機構的透過電解質膜進入的氮氣等氣體雜質。綜上所述，通過幾種特定的實施方式說明本發明，但是本發明並不限定為上述的各實施方式。對於本領域的技術人員，能夠基於權利要求書的技術方案對上述實施方式進行各種修改或者變更。以下說明的需求開度η相當於第4實施方式中由第1開度求得的需求開度。在目標氫氣壓力Pt小於20kPa而燃料電池堆10處於怠速(idle)運轉狀態的情況下，如圖19所示，也可以使氫氣供給控制閥23的需求開度η維持為預先設定的最小開度， 增減開時間Tq及閉時間Tc，使得下遊側氫氣壓力&為目標氫氣壓力Ρτ。由此，也能夠進行基於氫氣供給控制閥23的不大於最小流量的低流量控制。此外，燃料電池堆10處於怠速運轉狀態的情況下，也可以使開時間Ttj維持為預先設定的最小時間，增減氫氣供給控制閥 23的需求開度η，使得下遊側氫氣壓力Pl為目標氫氣壓力Ρτ。此外，當消耗高壓氫氣罐21內的氫氣而使上遊側氫氣壓力Ph處於IMPa以下的第1 低壓狀態時，由上遊側氫氣壓力變化引起的在氫氣供給控制閥23處的氫氣流量變化減小。 當上遊側氫氣壓力Ph處於第1低壓狀態時，即使將氫氣供給控制閥23的需求開度η設為最大開度，也變得不能根據車輛運轉狀態供給最大流量的氫氣。在上遊側氫氣壓力Ph處於低壓狀態的情況下，也可以不使氫氣供給控制閥23的需求開度η、開時間Ttj及閉時間Tc分別變化，而是如下地進行控制不管上遊側氫氣壓力Ph的狀態如何而將閉時間Τ。設定為0， 將開時間Ttj設定為控制周期T而使氫氣供給控制閥23始終開閥，增減氫氣供給控制閥23 的需求開度n以使下遊側氫氣壓力1\為目標氫氣壓力Ρτ。由此，能夠使氫氣供給控制閥 23的控制變得容易。此外，也可以不使氫氣供給控制閥23始終開閥且不增減需求開度η， 而是將氫氣供給控制閥23的需求開度η設為最大開度，增減開時間Ttj及閉時間Τ。以使下遊側氫氣壓力Pl為目標氫氣壓力Ρτ。此外，當上遊側氫氣壓力Ph處於小於IMPa例如不大於0. 4MPa的第2低壓狀態時， 如圖20所示，即使氫氣供給控制閥23的需求開度η處於最大開度，也變得不能根據車輛運轉狀態等供給需求氫氣流量Q。因此，在上遊側氫氣壓力Ph處於低壓的情況下，基於車輛的運轉狀態和上遊側氫氣壓力Ph使目標氫氣壓力Pt降低，從而限制燃料電池堆10的輸出。 如圖21所示與每一個上遊側氫氣壓力相對應地存儲有低壓狀態下的氫氣供給控制閥23的最大開度的最大流量，從而能夠使高壓氫氣罐21內的氫氣的無效餘量基本為零。對於以上的說明，在這裡以引用方式將申請日為2009年6月22日的日本特願 2009-147731號的內容納入本說明書。工業實用性本發明在應用於燃料電池系統的氣體燃料供給裝置的情況下能夠產生特別令人滿意的效果。本發明的實施方式所包含的排他性特性或者優點如下所述地表述在權利要求書中。
1權利要求
1.一種燃料電池系統的氣體燃料供給裝置，其用於向利用氣體燃料和氧化劑氣體進行發電的燃料電池堆供給氣體燃料，其特徵在於，該氣體燃料供給裝置包括燃料罐，其用於儲存氣體燃料；氣體燃料通路，其用於連接燃料罐和燃料電池堆；控制閥，其設在氣體燃料通路中，用於控制氣體燃料的供給量；上遊側壓力傳感器，其用於檢測氣體燃料的比控制閥靠上遊側的上遊側壓力；下遊側壓力傳感器，其用於檢測氣體燃料的比控制閥靠近下遊側的下遊側壓力；可編程控制器，其以如下方式被程序化，可編程控制器基於燃料電池堆的目標氣體燃料壓力和檢測出的下遊側壓力計算出控制閥的需求開度，基於需求開度和檢測出的上遊側壓力計算出控制閥的開時間和閉時間，或者，可編程控制器基於燃料電池堆的目標氣體燃料壓力和檢測出的下遊側壓力計算出控制閥的開時間和閉時間，基於開時間和檢測出的上遊側壓力計算出控制閥的需求開度，可編程控制器利用計算出的需求開度、開時間及閉時間控制控制閥。
2.根據權利要求1所述的氣體燃料供給裝置，其中，可編程控制器基於燃料電池堆的目標氣體燃料壓力、下遊側壓力及上遊側壓力計算出控制閥的第2開度，在第2開度大於規定的最小開度的情況下，以如下方式控制控制閥將第2開度設定為需求開度，將閉時間設定為0，以需求開度始終開閥，在第2開度小於最小開度的情況下，基於目標氣體燃料壓力和檢測出的下遊側壓力計算出不小於最小開度的第1開度，將該第1開度作為需求開度，基於需求開度和檢測出的上遊側壓力計算出控制閥的開時間和閉時間，或者，基於燃料電池堆的目標氣體燃料壓力和檢測出的下遊側壓力計算出控制閥的開時間和閉時間，基於開時間和檢測出的上遊側壓力計算出不小於最小開度的第1開度，將該第1開度作為需求開度。
3.根據權利要求1或2所述的氣體燃料供給裝置，其中，可編程控制器基於目標氣體燃料壓力與下遊側壓力的偏差判斷車輛是否處於加速狀態，在車輛處於加速狀態時對需求開度進行增大修正，對開時間進行減少修正，對閉時間進行增大修正。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的氣體燃料供給裝置，其中，可編程控制器判斷燃料電池堆內是否發生液泛，在發生液泛時，對需求開度進行增大修正，對開時間進行減少修正，對閉時間進行增大修正。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的氣體燃料供給裝置，其中，在燃料電池堆進行怠速運轉時，可編程控制器將需求開度維持於規定開度，且以使下遊側壓力成為目標氣體燃料壓力的方式控制開時間和閉時間。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的氣體燃料供給裝置，其中，在燃料電池堆進行怠速運轉時，可編程控制器將開時間維持為規定時間，且以使下遊側壓力成為目標氣體燃料壓力的方式控制需求開度。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的氣體燃料供給裝置，其中，在上遊側壓力處於第1低壓狀態的情況下，可編程控制器將需求開度設為最大開度， 且以使下遊側壓力成為目標氣體燃料壓力的方式調整開時間和上述閉時間。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的氣體燃料供給裝置，其中，在上遊側壓力處於第1低壓狀態的情況下，可編程控制器使控制閥始終開閥，且以使下遊側壓力成為目標氣體燃料壓力的方式控制需求開度。
9.根據權利要求7或8所述的氣體燃料供給裝置，其中，在上遊側壓力處於低於第1低壓狀態的第2低壓狀態的情況下，可編程控制器基於車輛運轉狀態和上遊側壓力使目標氣體燃料壓力下降，限制燃料電池堆的輸出。
全文摘要
本發明提供一種用於向燃料電池堆供給氣體燃料的燃料電池系統的氣體燃料供給裝置，包括設在用於連接燃料罐和燃料電池堆的氣體燃料通路上的控制閥、用於檢測上遊側壓力的上遊側壓力傳感器、用於檢測下遊側壓力的下遊側壓力傳感器及可編程控制器。可編程控制器基於目標氣體燃料壓力和下遊側壓力計算出需求開度，基於需求開度和上遊側壓力計算出開時間和閉時間，或者基於目標氣體燃料壓力和下遊側壓力計算出開時間和閉時間，基於開時間和上遊側壓力計算出需求開度，利用計算出的需求開度、開時間及閉時間控制控制閥。
文檔編號H01M8/00GK102460804SQ20108002728
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月22日 優先權日2009年6月22日
發明者井上亮, 佐藤圭介, 宇佐美孝忠, 小田島真人, 春山理浩, 森山明信, 河野賢太郎 申請人:日產自動車株式會社