燃料電池系統和控制燃料電池系統的方法
2023-06-07 03:30:31 2
專利名稱：燃料電池系統和控制燃料電池系統的方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池。
背景技術：
燃料電池系統向燃料電池供應反應氣體以產生電力，並且輸出對應於來自外部負載的請求的電力。通常，在燃料電池系統中，陰極氣體的流量由諸如空氣流量計的流量計來測量，並且基於所測量的流量來控制被供應到燃料電池的陰極氣體的量(例如見日本專利申請公布No. 2007-220625( JP-A-2007-220625))。然而，流量計的準確度隨著時間降低，這可能在測量中引入誤差。當來自流量計的讀數是錯誤的時，不適當的量的陰極氣體可能被供應到燃料電池。
發明內容
本發明有助於適當控制供應到燃料電池的反應氣體的量。作為本發明的第一方面,一種根據來自外部負載的請求輸出電力的燃料電池系統包括燃料電池；陰極氣體供應部，該陰極氣體供應部向燃料電池供應陰極氣體；氣體供給量傳感器，該氣體供給量傳感器測量由陰極氣體供應部供給到燃料電池的陰極氣體的量； 陽極氣體供應部，該陽極氣體供應部向燃料電池供應陽極氣體；特徵值檢測部，該特徵值檢測部檢測作為與陽極氣體相關聯並且與實際上被供應到燃料電池的陰極氣體的量相關的值而預先選擇的特徵值；以及控制器，該控制器對被供應到燃料電池的陽極氣體的量和被供應到燃料電池的陰極氣體的量進行控制，以控制燃料電池的操作。當執行基準操作以在預設條件下操作燃料電池時陰極氣體的供應量和特徵值之間的相關性已經預先存儲了在控制器中。該控制器使得燃料電池執行基準操作、獲取由氣體供給量傳感器測量的值、檢測特徵值、使用該相關性來對所檢測的特徵值獲取陰極氣體的供應量作為供應量基準值，並且對在供應量基準值和由氣體供給量傳感器所測量的值之間的差進行計算並且作為由氣體供給量傳感器所測量的值的誤差。該控制器基於由氣體供給量傳感器測量的值，來調整由陰極氣體供應部供給的陰極氣體的量，以使得在向燃料電池供應陰極氣體時對誤差進行補償。根據本發明的第一方面，基於特徵值測量陰極氣體的供應量，該特徵值與供應的陰極氣體的實際量具有預先已知的相關性，並且參考陰極氣體的供應量的測量值來計算在氣體供給量傳感器中的測量誤差。然後，在基於由氣體供給量傳感器測量的值控制陰極氣體的供應量的控制處理中，供給的陰極氣體的量得到調整，使得對測量誤差進行了補償。因此，能夠適當地控制被供應到燃料電池的陰極氣體的量。在根據本發明的第一方面的燃料電池系統中，陽極氣體供應部可以配備有用於將陽極氣體供給到燃料電池的泵，並且特徵值檢測部可以檢測由泵消耗的電力作為特徵值，由泵消耗的電力隨著實際上被供應到燃料電池的陰極氣體的量的增加而降低。根據這種配置，能夠基於由供給陽極氣體的泵消耗的電力來測量陰極氣體的供應量，並且能夠參考陰極氣體的供應量的測量值，來計算在氣體供給量傳感器中的測量誤差。因此，能夠適當地控制被供應到燃料電池的陰極氣體的量。在根據本發明的第一方面的燃料電池系統中，特徵值檢測部可以檢測在燃料電池的陽極側的氣流通道中的壓力損失來作為特徵值，壓力損失隨著實際上被供應到燃料氣體的陰極氣體的量的增加而降低。根據這種配置，能夠基於在燃料電池的陽極側的氣流通道中的壓力損失來測量陰極氣體的供應量，並且參考陰極氣體的供應量的測量值，能夠計算在氣體供給量測量中的測量誤差。在根據本發明的第一方面的燃料電池系統中，特徵值檢測部可以檢測陽極廢氣的溼度來作為特徵值，陽極廢氣的溼度隨著實際上被供應到燃料電池的陰極氣體的量的增加而降低。根據這種配置，能夠基於陽極廢氣的溼度來測量陰極氣體的供應量，並且參考陰極氣體的供應量的測量值，能夠計算在氣體供給量傳感器中的測量誤差。在根據本發明的第一方面的燃料電池系統中，可以在被供應到燃料電池的陽極氣體的量和被供應到燃料電池的陰極氣體的量分別保持等於預設的恆定量、並且燃料電池的輸出保持等於預設的恆定輸出的情況下，來執行基準操作。根據這種配置，能夠容易地獲取·在執行基準操作期間的陰極氣體的供應量和特徵值之間的相關性。因此，能夠基於由特徵值檢測部所檢測到的特徵值，來更加準確地獲取陰極氣體的供應量。作為本發明的第二方面，一種控制具有氣體供給量傳感器的燃料電池系統的方法包括執行基準操作以在預設條件下操作燃料電池；測量被供給到燃料電池的陰極氣體的量；檢測作為與陽極氣體相關聯並且與實際上被供應到燃料電池的陰極氣體的量相關的值而預先選擇的特徵值；參考預先準備的、在執行基準操作期間陰極氣體的供應量和特徵值之間的相關性，對於特徵值來獲取陰極氣體的供應量，作為供應量基準值；以及，在對作為在測量的陰極氣體的量和獲取的供應量基準值之間的差而計算的誤差進行補償的同時，基於由氣體供給量傳感器所測量的值向燃料電池供應陰極氣體。作為本發明的第三方面，一種控制燃料電池系統的方法包括執行基準操作以在預設條件下操作燃料電池；測量被供給到燃料電池的陰極氣體的量；檢測作為與陽極氣體相關聯並且與實際上被供應到燃料電池的陰極氣體的量相關的值而預先選擇的特徵值；並且使用預先準備的、在執行基準操作期間陰極氣體的供應量和特徵值之間的相關性，對於特徵值來獲取陰極氣體的供應量。根據本發明的這個方面，能夠通過檢測特徵值來測量陰極氣體的供應量。使用這個測量值，能夠更加容易地並且更加適當地控制陰極氣體的供應量。應該指出，本發明能夠被以各種形式，例如以燃料電池系統、被應用於燃料電池系統的控制方法、用於實現該系統或者該方法的電腦程式、在其上記錄電腦程式的記錄介質、安裝有該燃料電池系統的車輛等的形式來實現。
將參考附圖在本發明的示例性實施例的以下詳細說明中描述本發明的特徵、優點，以及技術和工業重要性，在附圖中相同的附圖標記表示相同的元件，並且其中圖I是示出燃料電池系統的配置的概略視圖；圖2是示出燃料電池系統的電氣配置的概略視圖；圖3A和3B包括在燃料電池系統中控制被供應到燃料電池的陰極氣體的的量的過程的說明性視圖；圖4是示出對於空氣流量計中的測量誤差進行補償的測量誤差補償操作的過程的說明性視圖；圖5A和5B包括描繪在被供應到燃料電池的空氣的量和由氫氣循環泵消耗的電力之間的相關性的說明性視圖；圖6是描繪獲取空氣供應量基準值和校正值計算的過程的說明性視圖；圖7是示出根據本發明的第二實施例的燃料電池系統的配置的概略視圖；圖8A是在燃料電池系統中執行的校正值確定過程的流程圖；圖8B是用作在圖8A的步驟S30中使用的示例基準值確定映射的曲線圖；
圖9是示出根據本發明的第三實施例的燃料電池系統的配置的概略視圖；圖IOA是在根據本發明的第三實施例的燃料電池系統中執行的校正值確定過程的流程圖；圖IOB是在圖IOA的步驟S30中使用的基準值獲取映射的示例的曲線圖；圖11是示出根據本發明的第四實施例的燃料電池系統的配置的概略視圖；並且圖12A和12B包括描繪在本發明的第四實施例中控制供應的陰極氣體的量的過程的說明性視圖。
具體實施例方式圖I是根據本發明的一個實施例的燃料電池系統的配置的概略視圖。燃料電池系統100配備有燃料電池10、控制器20、陰極氣體供應部30、陰極氣體排放部40、陽極氣體供應部50、陽極氣體循環排放部50和冷卻介質供應部70。燃料電池10是使用氫氣(陽極氣體)和空氣(陰極氣體)作為反應氣體來產生電力的質子交換膜燃料電池。燃料電池10具有堆疊結構，其中也被稱作單體電池的多個發電機(未示出)在彼此之上層疊。每一個單體電池具有膜電極組件，膜電極組件在潮溼時呈現良好質子傳導性的電解質膜的兩側上分別有整體布置的電極。應該指出，燃料電池10不限於質子交換膜燃料電池，而是可以適當地採用其它類型的燃料電池作為燃料電池10。控制器20由配備有中央處理單元和主存儲單元的微型計算機構成。控制器20從外部負載200接收對於輸出電力的請求,並且根據該請求來對燃料電池系統100的相應的構成部分進行控制，以使得燃料電池10產生電力。陰極氣體供應部30包括陰極氣體管道31、空氣壓縮機32、空氣流量計33和打開/關閉閥34。陰極氣體管道31被連接到燃料電池10的陰極側。空氣壓縮機32經由陰極氣體管道31而被連接到燃料電池10。響應於來自控制器20的命令，空氣壓縮機32向燃料電池10供應通過引入外側空氣而被壓縮的空氣來作為陰極氣體。空氣流量計33測量在空氣壓縮機32上遊由空氣壓縮機32引入的周圍空氣的量，並且向控制器20發送測量的量。由這個空氣流量計33測量的空氣流量代表由空氣壓縮機
32供給的陰極氣體的量。控制器20基於測量的空氣流量來執行被供應到燃料電池10的陰極氣體的量的反饋控制，但是將在以後描述這個反饋控制的細節。打開/關閉閥34被提供在空氣壓縮機32和燃料電池10之間，並且根據陰極氣體通過陰極氣體管道31的流動而打開/關閉。更加具體地，打開/關閉閥34通常被關閉，並且當具有預定壓力的空氣被從空氣壓縮機32供應到陰極氣體管道31時打開。陰極氣體排放部40包括陰極廢氣管道41、壓力調節閥43和壓力傳感器44。陰極廢氣管道41被連接到燃料電池10的陰極側，並且向燃料電池系統100的外側排放陰極廢氣。陰極廢氣管道41被提供有壓力調節閥43，並且控制器20控制壓力調節閥43的開度。壓力傳感器44被提供在壓力調節閥43上遊的陰極廢氣管道41中。壓力傳感器44檢測在燃料電池10的陰極的出口側的壓力(背壓力)，並且向控制器20發送檢測的壓力。控制器20基於檢測的壓力來調整壓力調節閥43的開度，以控制燃料電池10的陰極中的壓力。陽極氣體供應部50包括陽極氣體管道51、氫氣罐52、打開/關閉閥53、調節器54和噴射器55。氫氣罐52經由陽極氣體管道51而被連接到燃料電池10的陽極側，並且從氫氣罐52向燃料電池10供應氫氣。或者，燃料電池系統100可以配備有從碳氫化合物燃料 產生氫氣的重整器作為氫氣供應源。陽極氣體管道51包括打開/關閉閥53、調節器54和噴射器55，它們從氫氣罐52側按照所述次序布置。打開/關閉閥53根據來自控制器20的指令而打開/關閉，並且控制氫氣從氫氣罐52到噴射器55的上遊側的流入。調節器54是調整在噴射器55上遊的氫氣壓力的壓力降低閥，並且調節器54的開度由控制器20控制。噴射器55是電磁操作的打開/關閉閥，其中閥體根據由控制器20設定的驅動循環或者閥打開時間而電磁地驅動。控制器20控制噴射器55的驅動循環和噴射器55的閥打開時間，以控制被供應到燃料電池10的氫氣的量。陽極氣體循環排放部60包括陽極廢氣管道61、氣體-液體分離器62、陽極氣體循環管道63、氫氣循環泵64、陽極排出管道65和排出閥66。陽極廢氣管道61將燃料電池10的陽極的出口連接到氣體-液體分離器62，並且將包含未反應氣體(氫氣、氮氣等)的陽極廢氣引入到氣體-液體分離器62。氣體-液體分離器62被連接到陽極氣體循環管道63和陽極排出管道65。氣體-液體分離器62從溼氣中分離在陽極廢氣中包含的氣體成分,將氣體成分引入到陽極氣體循環管道63，並且將溼氣引入到陽極排出管道65。陽極氣體循環管道63在噴射器55下遊的位置處被連接到陽極氣體管道51。氫氣循環泵64被提供在陽極氣體循環管道63中，並且使得在被氣體_液體分離器62分離的氣體成分中包含的氫氣循環到陽極氣體管道51。控制器20然後以恆定的預設電壓電平驅動氫氣循環泵64的驅動電機(未示出)。陽極排出管道65向燃料電池系統100外側排出被氣體-液體分離器62分離的溼氣。陽極排出管道65包括根據來自控制器20的命令打開/關閉的排出閥66。控制器20通常在燃料電池系統100的操作期間保持排出閥66關閉，並且以預定間隔打開排出閥66。此外，控制器20基於由燃料電池10產生的電力量的變化來檢測以循環方式供應到燃料電池10的氫氣的濃度。如果確定濃度低於閾值濃度，則控制器20打開排出閥66以排放陽極氣體中的非活性氣體。冷卻介質供應部70配備有冷卻介質管道71、散熱器72、冷卻介質循環泵73以及兩個冷卻介質溫度傳感器74和75。冷卻介質管道71耦合用於冷卻介質的入口歧管和用於冷卻介質的出口歧管，通過入口歧管和出口歧管來循環冷卻介質。循環冷卻介質來冷卻燃料電池10。冷卻介質管道71被提供有散熱器72，散熱器72在通過冷卻介質管道71流動的冷卻介質和外側空氣之間交換熱量，以使冷卻介質冷卻。冷卻介質管道71在散熱器72下遊的位置處(在燃料電池10的冷卻介質入口側)被提供有冷卻介質循環泵73。冷卻介質循環泵73向燃料電池10供給由散熱器72冷卻的冷卻介質。冷卻介質管道71在靠近燃料電池10的冷卻介質出口和靠近燃料電池10的冷卻介質入口處分別被提供有兩個冷卻介質溫度傳感器74和75。冷卻介質溫度傳感器74和75向控制器20發送檢測的溫度。控制器20基於在由這兩個冷卻介質溫度傳感器74和75測量的值之間的差，來確定燃料電池10的操作溫度，並且根據檢測的溫度來控制由冷卻介質循環泵73供給的冷卻介質的量，由此調整燃料電池10的操作溫度。圖2是燃料電池系統100的電氣配置的概略視圖。應該指出，由燃料電池10和二次電池81輸出的電力不僅被供應到外部負載200和氫氣循環泵64，而且還被供應到在燃料 電池系統100中的燃料電池系統100的其它輔助設備。然而，用於向輔助設備供應電力的管道未被示出或者描述。燃料電池系統100配備有二次電池81、DC/DC轉換器82、第一 DC/AC逆變器83和第二 DC/AC逆變器84。第一 DC/AC逆變器83被連接到外部負載200，並且第二 DC/AC逆變器84被連接到氫氣循環泵64的驅動電機(未示出)。第一 DC/AC逆變器83和第二 DC/AC逆變器84經由直流供電線路DCL而被相互並聯地連接到燃料電池10。第一 DC/AC逆變器83和第二 DC/AC逆變器84將由燃料電池10和二次電池81輸出的直流電力轉換成交流電力，並且分別地向外部負載200和氫氣循環泵64供應交流電力。應該指出，第二 DC/AC逆變器84包括電壓傳感器841和電流傳感器842。控制器20基於電壓傳感器841和電流傳感器842的讀數來測量由氫氣循環泵64消耗的電力。二次電池81經由DC/DC轉換器82而被連接到直流供電線路DCL。二次電池81起到用於燃料電池10的輔助電源的作用，並且能夠由例如可再充電鋰離子電池構成。DC/DC轉換器82具有作為控制二次電池81的充電/放電的充電/放電控制器的功能，並且根據來自控制器20的指令可變地調整直流供電線路DCL的電壓電平。當燃料電池10的輸出對於來自外部負載200的輸出請求而言不足時，控制器20指令DC/DC轉換器82從二次電池81放電，由此補償在輸出中的不足。應該指出，當外部負載200產生再生電力時，再生電力被第一 DC/AC逆變器83轉換成直流電力並且經由DC/DC轉換器82而被用於對二次電池81充電。圖3A和3B示出在燃料電池系統100中控制被供應到燃料電池10的陰極氣體的量的過程。在燃料電池系統100中，控制器20使用存儲在存儲部中的兩個映射21和22來控制空氣壓縮機32的旋轉速度。在控制被供應到燃料電池10的陰極氣體的量(在下文中還被稱作「空氣供應量」)時使用映射21和22。在圖3A中，通過曲線圖表達用於確定空氣供應量，即，被供應到燃料電池10的空氣的量(目標空氣供應量)的空氣供應量確定映射21的一個示例，在曲線圖中縱坐標代表燃料電池10的輸出電壓並且橫坐標代表空氣供應量。在空氣供應量確定映射21中，隨著燃料電池10的輸出電壓的增加，空氣供應量線性地增加。控制器20基於由外部負載200請求的電力的量來設定將由燃料電池10輸出的目標輸出電力WFC。使用空氣供應量確定映射21,控制器20然後對於目標輸出電力Wrc確定目標空氣供應量Qat (在曲線圖中由虛線箭頭指示)。在圖3B中，通過曲線圖表達用於確定空氣壓縮機32的旋轉速度的旋轉速度確定映射22的一個不例,在曲線圖中縱坐標代表空氣壓縮機32的旋轉速度並且橫坐標代表空氣供應量。在這個旋轉速度確定映射22中，空氣壓縮機32的旋轉速度隨著空氣供應量的增加而線性地增加。控制器20確定校正後目標空氣供應量CQat，校正後目標空氣供應量CQat是通過將目標空氣供應量Qat乘以校正值K並且向其加上反饋校正值AQf而獲得的(SP，CQat=K · Qat+Λ Qf)。這裡應該指出，「校正值K」補償空氣流量計33的測量誤差，並且是通過在以後描述的校正值確定過程確定的。此外，反饋校正值AQf是用於基於由空氣流量計33測量的空氣的量執行空氣供應量的反饋控制的空氣供應量。控制器20計算反饋校正值Λ Qf,這是在目標空氣供應量Qat和由空氣流量計33測量的空氣供應數量Qam之間的差 (A Qp-Qat-Qam ^ °使用旋轉速度確定映射22，控制器20對於校正後目標空氣供應量CQat確定空氣壓縮機的旋轉速度Rm (在下文中被稱作「命令旋轉速度RaJ)。控制器20然後以命令旋轉速度Rac驅動空氣壓縮機32以向燃料電池10供應適當量的陰極氣體。因此，在根據本發明的這個實施例的燃料電池系統100中，基於從空氣流量計33的讀數對空氣供應量進行反饋控制，以使得能夠適當地控制空氣供應量。在空氣流量計33中的測量誤差可能由於空氣流量計33的初始缺陷、空氣流量計
33的劣化等而發生。當在空氣流量計33中產生正側測量誤差時，空氣供應量降低至低於目標值，從而可能在燃料電池10中無法產生目標輸出。此外，當空氣供應量因此被控制為小值時，從燃料電池10排出的溼氣不足，從而可以發生在燃料電池10的發電性能上的劣化。相比之下，當在空氣流量計33中產生負側測量誤差時，空氣供應量超過目標值。如果被供應到燃料電池10的空氣的量等於或者超過目標值，則從燃料電池10排出的量增力口，電解質膜變得乾燥，並且燃料電池10的輸出可能降低。因此，在燃料電池系統100中，基於由氫氣循環泵64消耗的電力來計算在空氣流量計33中的測量誤差，並且用於補償測量誤差的校正值K得以確定。圖4是示出用於確定空氣流量計33中的測量誤差的校正值的校正值確定過程的步驟的流程圖。當燃料電池系統100的操作終止時，控制器20定期執行測量誤差補償過程。即，在燃料電池系統100重啟之後的操作中，校正在空氣流量計33中的測量誤差。在步驟SlO中，控制器20開始用於在預設條件下操作燃料電池10的基準操作。更加具體地，控制器20執行控制以開始反應氣體的供應，從而預設的恆定量的反應氣體被供應到燃料電池10。即，關於供應陰極氣體的控制，在預設的空氣供應量被設定為目標空氣供應量的情況下，驅動空氣壓縮機32，並且壓力調節閥43打開至預定開度。相比之下，關於供應陽極氣體的控制，以預設驅動循環驅動噴射器55，並且在預定電壓下驅動氫氣循環泵64。此外，控制器20指令DC/DC轉換器82控制燃料電池10輸出恆定電力。控制器20還控制冷卻介質循環泵73的旋轉速度以穩定燃料電池10的操作狀態，由此將燃料電池溫度維持在規定的操作溫度(例如，80°C)。應該指出，在基準操作中產生的燃料電池10的輸出電力可以被存儲在二次電池81中。
在步驟S20中，控制器20測量當燃料電池10執行基準操作時由氫氣循環泵64消耗的電力。更加具體地，控制器20可以計算在其間執行基準操作的特定時段中由氫氣循環泵64消耗的電力的時間平均值。應該指出，本發明的發明人已經發現，在由氫氣循環泵64消耗的電力和空氣供應量之間存在下文描述的相關性。圖5A和5B是用於示出在被供應到燃料電池的空氣的量和由氫氣循環泵64消耗的電力之間的相關性的說明性視圖。圖5A是在空氣供應量和燃料電池10的陽極側上的氣流通道中的壓力損失之間的相關性的概略視圖。在圖5A中，概略地示出了燃料電池10和氫氣循環泵64，並且箭頭指示反應氣體的流動和溼氣 的運動。燃料電池10具有電解質膜1，和被布置於電解質膜I的相對側上的陽極2和陰極
3。陽極2和陰極3由氣體可滲透的多孔導電構件構成。多孔導電構件還起到氣流通道的作用，反應氣體通過該氣流通道擴散以散布到整個電極。這裡假設被供應到陰極3的空氣的量在燃料電池10的操作期間逐漸地增加。在此情形中，隨著空氣供應量增加，陰極廢氣的量增加，並且從陰極3排出的溼氣量也增加。然後推進了溼氣經由電解質膜I從陽極2到陰極3的運動。即，隨著空氣供應量增加，在陽極2的細微孔中包含的溼氣的量降低，並且在陽極2中的壓力損失降低。當在陽極2中的壓力損失降低時，用於氫氣循環泵64的負載扭矩也降低。因此，由氫氣循環泵64消耗的電力也降低。圖5B是示出當燃料電池10執行基準操作時在空氣供應量和由氫氣循環泵64消耗的電力之間的相關性的曲線圖。如在燃料電池10執行基準操作的情形中，假設在恆定電壓下驅動氫氣循環泵64從而燃料電池10輸出恆定電力。在此情形中，隨著被供應到燃料電池10的空氣量的增加，在陽極2中的壓力損失線性地降低，並且由氫氣循環泵64消耗的電力也線性地降低。通過預先確定在空氣供應量和由氫氣循環泵64消耗的電力之間的相關性，可以基於測量的由氫氣循環泵64消耗的電力的量，來測量被供應到燃料電池10的空氣的量。因此，在隨後的過程中，燃料電池系統100對於測量的由氫氣循環泵64消耗的電力的量確定空氣供應量，並且根據空氣供應量計算在空氣流量計33中的測量誤差。應該指出，由空氣流量計33測量的空氣供應量在下文中將被稱作「測量的空氣供應量」。此外，基於由氫氣循環泵64消耗的電力獲取的空氣供應量將被稱作「基準空氣供應
_S*，，
裡ο圖6示出在步驟S30中確定基準空氣供應量的過程和在步驟S40中計算校正值K的過程。在圖6中，用於確定基準空氣供應量的基準值確定映射23的一個示例被示為曲線圖，其中縱坐標代表測量的由氫氣循環泵64消耗的電力的量並且橫坐標代表空氣供應量。在基準值確定映射23中設定了在由氫氣循環泵64消耗的電力和空氣供應量之間的相關性，如參考圖5B描述。使用基準值確定映射23，控制器20對於在步驟S20中獲取的、由氫氣循環泵64消耗的電力的給定測量值Php確定空氣供應量的基準值Qae (在曲線圖中由虛線箭頭指示)。在步驟S40中，計算在於步驟S30中確定的空氣供應量的基準值Qae和空氣流量計33的測量值之間的差AQ，作為在空氣流量計33中的測量誤差(表達式(I))。Δ Q=Qam-Qae (I)
根據以下表達式(2)計算用於補償測量誤差的校正值K。K= (Qam+AQ) /Qam (2)控制器20以非易失方式將校正值K存儲在存儲部(未示出)中。然後在燃料電池系統100重啟之後控制器20讀出校正值K，並且使用校正值K來控制空氣壓縮機32的驅動(圖 3B)。 如上所述，在燃料電池系統100中，在校正值確定過程中，檢測由氫氣循環泵64消耗的電力，作為與陽極氣體相關聯並且與供應的空氣的實際量相關的值。然後參考對於檢測的由氫氣循環泵64消耗的電力量獲取的空氣供應量，計算在空氣流量計33中的測量誤差，並且確定用於補償測量誤差的校正值。通過使用這個校正值基於空氣流量計33的測量值來執行反饋控制，補償了在空氣流量計33中的測量誤差。因此，能夠適當地控制供應陰極氣體。圖7是根據本發明的第二實施例的燃料電池系統100A的配置的概略視圖。除了·提供第一氫氣壓力傳感器58和第二氫氣傳感器68之外，圖7與圖I基本相同。陽極氣體管道51在與陽極氣體循環管道63的結合部分的下遊位置處被提供有第一氫氣壓力傳感器58。第一氫氣壓力傳感器58測量在燃料電池10的陽極入口附近供應的氫氣壓力。陽極廢氣管道61被提供有第二氫氣壓力傳感器68,第二氫氣壓力傳感器68測量在燃料電池10的陽極出口附近的廢氣壓力。應該指出，燃料電池系統100A在電氣配置方面與第一實施例的燃料電池系統100(圖2)相同。此外，在燃料電池系統100A中供應陰極氣體的控制採用與在燃料電池系統100(圖3)中相同的、基於由空氣流量計33測量的值的反饋控制。圖8A是在燃料電池系統100A中執行的校正值確定過程的流程圖。除了提供步驟S20A的過程替代步驟S20的過程之外，圖8A與圖4基本相同。在步驟S20A中，控制器20獲取由第一氫氣壓力傳感器58測量的壓力和由第二氫氣壓力傳感器68測量的壓力。控制器20基於在這些測量的壓力之間的差來確定在燃料電池10的陽極中的壓力損失。圖8B是用作在步驟S30中使用的基準值確定映射23A示例的曲線圖。在圖8B中，作為曲線圖示出了基準值確定映射23A，在曲線圖中縱坐標代表在燃料電池10的陽極中的壓力損失，並且橫坐標代表空氣供應量。這裡應該指出，如參考圖5A描述的，當執行燃料電池10的基準操作時，在燃料電池10的陽極中的壓力損失隨著空氣供應量的增加而線性地降低。在根據本發明的第二實施例的基準值確定映射23A中，設定了在執行基準操作期間在空氣供應量和在燃料電池10的陽極中的壓力損失之間的比例關係。使用基準值確定映射23A，控制器20對於在步驟20中獲取的、在燃料電池10的陽極中的壓力損失Λ F獲取空氣供應量，作為空氣供應量的基準值Qae (步驟S30)。然後在步驟S40中，控制器20使用表達式(I)和(2 )計算校正值K，如在本發明的第一實施例中所描述的。如上所述，在根據本發明的第二實施例的燃料電池系統100Α中，測量在燃料電池10的陽極側上的氣流通道中的壓力損失，作為與陽極氣體相關聯並且與供應的空氣的實際量相關的值。然後使用測量的值來執行校正值確定過程。因此，在供應陰極氣體的控制中，能夠適當地補償在空氣流量計33中的測量誤差。圖9是根據本發明的第三實施例的燃料電池系統100Β的配置的概略視圖。除了提供溼度傳感器69替代第一氫氣壓力傳感器58和第二氫氣壓力傳感器68之外，圖9與圖7基本相同。陽極廢氣管道61被提供有溼度傳感器69，溼度傳感器69測量陽極廢氣的溼度並且向控制器20發送測量的溼度。應該指出，根據本發明的第三實施例的燃料電池系統100B在電氣配置方面與根據本發明的第二實施例的燃料電池系統100A(圖2)相同。此外，關於在燃料電池系統100B中供應陰極氣體的控制，執行與在燃料電池系統100A (圖3)中相同的、基於由空氣流量計33測量的值的反饋控制。圖IOA是在根據本發明的第三實施例的燃料電池系統100B中執行的校正值確定過程的流程圖。除了提供步驟S20B的過程替代步驟S20A的過程之外，圖IOA與圖8A基本相同。在步驟S20B中，控制器20獲取由溼度傳感器69測量的溼度。圖IOB是在步驟S30中使用的基準值獲取映射23B的示例的曲線圖。在圖IOB中，作為曲線圖示出了基準值確定映射23B，在曲線圖中縱坐標代表陽極廢氣的溼度並且橫坐 標代表空氣供應量。應該指出，如參考圖5A描述的，隨著被供應到燃料電池10的空氣量的增加，在燃料電池10的陽極2中的溼氣經由電解質膜I朝向陰極3側移動。特別地，當執行燃料電池10的基準操作時，隨著空氣供應量的增加，朝向陰極3側移動的溼氣的量線性地增加。因此，陽極廢氣的溼度線性地降低。在根據本發明的第三實施例的基準值確定映射23B中，在執行基準操作期間，空氣供應量與陽極廢氣的溼度成比例。使用基準值確定映射23B，控制器20對於在步驟20中獲取的、燃料電池10的陽極廢氣的溼度He確定空氣供應量，作為空氣供應量的基準值Qae(步驟S30 )。然後在步驟S40中，控制器20使用在本發明的第一實施例中描述的表達式(I)和(2)計算校正值K。如上所述，在根據本發明的第三實施例的燃料電池系統100B中，檢測陽極廢氣的溼度，作為與陽極氣體相關聯並且與供應的空氣的實際量相關的值。然後使用從檢測的溼度確定的基準空氣供應量和空氣供應量的測量值，來計算在空氣流量計33中的測量誤差，並且對陰極氣體供應量進行控制以補償該測量誤差。因此，更加適當地控制陰極氣體供應量。圖11是根據本發明的第四實施例的燃料電池系統100C的配置的概略視圖。除了省略了空氣流量計33之外，圖11與圖I基本相同。應該指出，燃料電池系統100C的電氣配置與在本發明的第一實施例中描述的配置(圖2)基本相同。在這個燃料電池系統100C中，控制燃料電池10在正常操作中、在與在本發明的第一實施例中描述的基準操作相同的條件下產生電力，以向外部負載200輸出請求的電力。即，控制器20向燃料電池10供應恆定的反應氣體目標供應量，並且控制燃料電池10輸出恆定電平的電力。應該指出，二次電池81為外部負載200補償來自燃料電池10的電力中的任何短缺。圖12A和12B示出在燃料電池系統100C中控制陰極氣體供應量的過程。圖12A
是用於基於由氫氣循環泵64消耗的電力來確定實際測量的空氣供應量的空氣供應量測量映射24。空氣供應量測量映射24是類似於在本發明的第一實施例中描述的空氣供應量基準值確定映射23 (圖6)的映射。控制器20測量由氫氣循環泵64消耗的電力，並且使用空氣供應量測量映射24獲取空氣供應量的實際測量值QAM、對於測量值Php的空氣供應量。控制器20基於空氣供應量的測量值Qam校正空氣壓縮機32的旋轉速度，由此執行空氣供應量的反饋控制。在圖12B中，通過曲線圖表達旋轉速度校正值確定映射25的示例，控制器20使用旋轉速度校正值確定映射25來確定對於空氣壓縮機32的旋轉速度的校正值，在曲線圖中縱坐標代表校正值並且橫坐標代表空氣供應量。在圖12B的曲線圖中，橫坐標對應於圖12A的曲線圖的橫坐標。基於可以預先試驗獲得的、在校正值和空氣供應量之間的相關性，設定這個旋轉速度校正值確定映射25。在本發明的第四實施例中，在旋轉速度校正值確定映射25中，空氣壓縮機32的旋轉速度的校正值隨著空氣供應量的增加而線性地降低。應該指出，初始設定值Qas被設定為空氣供應量的目標值，以使得燃料電池10輸出特定電力。在旋轉速度校 正值確定映射25中，如果測量的空氣供應量超過初始設定值Qas，則獲得負側校正值，並且如果空氣供應量的測量值低於初始設定值Qas則獲得正側校正值。使用旋轉速度校正值確定映射25，控制器20對於空氣供應量的給定測量值Qam確定對於空氣壓縮機32的旋轉速度的校正值AR。控制器20基於校正值AR調整空氣壓縮機32的旋轉速度。如上所述，在根據第四實施例的燃料電池系統100C中，通過基於測量的由氫氣循環泵64消耗的電力量和空氣供應量測量映射24測量空氣供應量，來執行空氣供應量的反饋控制。即，即便省去了空氣流量計33，也可以基於由氫氣循環泵64消耗的電力適當地控制陰極氣體供應量。應該指出，本發明不限於以上實施例，而是能夠在不偏離其範圍的情況下被以各種模式實現。例如，可以如下所述修改本發明。在本發明的以上實施例中的每一個中，使用由氫氣循環泵64消耗的電力、在燃料電池10的陽極側的氣流通道中的壓力損失、或者陽極廢氣的溼度，來確定空氣供應量的基準值，其中由氫氣循環泵64消耗的電力、在燃料電池10的陽極側的氣流通道中的壓力損失、或者陽極廢氣的溼度被用作與陽極氣體相關聯並且與供應的空氣的實際量相關的值。然而，在第一修改示例中，可以檢測另一個值作為與陽極氣體相關聯並且與供應的空氣的實際量相關的值。在本發明的以上實施例中的每一個中，控制器20使用作為被預先存儲的對應關係(相關性)的映射21到25之一，來獲取目標空氣供應量、空氣供應量的基準值，或者對於控制陰極氣體供應量的空氣壓縮機32的旋轉速度的校正值。然而，在第二修改示例中，替代映射21到25，可以在控制器20中存儲代表與在映射21到25中所示那些類似的相關性的公式、函數等。在本發明的第一到第三實施例的每一個中，當燃料電池系統100、100A或者100B的操作終止時，執行校正值確定過程。然而，在第三修改示例中，可以在另一個時刻執行校正值確定過程。例如，可以在從使用者接收到指令時或者當系統啟動時執行校正值確定過程。應該指出，當燃料電池系統100、100A或者100B的操作終止時執行校正值確定過程是更加優選的，因為諸如燃料電池10的溫度這樣的條件很可能是相對穩定的。在本發明的第一到第三實施例的每一個中，在校正值確定過程中，作為燃料電池10的基準操作，執行控制來將反應氣體的供應量、燃料電池10的輸出，或者燃料電池10的溫度維持在恆定水平。然而，在第四修改示例中，燃料電池10的基準操作可以是在另一個預設條件下的操作。例如，反應氣體的供應量可以如預先設定地那樣隨著時間改變。應該指出，期望根據在此情形中的基準操作的條件準備基準值確定映射。以上實施例在陰極氣體供應部30中均不包括用於加溼陰極氣體的加溼器。然而，根據第五修改示例，這種加溼器可以被提供在陰極氣體供應部30中，以在燃料電池10的操作期間在電解質膜中維持足夠的溼氣。然而，當提供加溼部時，在空氣流量計33中的測量誤差可以被加溼部舍除。因此，在本發明的以上實施例的每一個中描述的供應陰極氣體的控制更好地適合於其中未在陰極氣體供應部30中提供加溼器的燃料電池系統。在所描述的本發明的實施例的每一個中，控制器20為空氣壓縮機32的旋轉速度確定校正值K或者校正值AR以適當地補償在空氣流量計33中的測量誤差。然而，作為第六修改示例，控制器20可以在陰極氣體供應量的控制中通過另一種方法補償在空氣流量計33中的測量誤差。例如，控制器20可以校正用於空氣壓縮機32的旋轉速度確定映射22以適當地補償空氣流量計33中的測量誤差。更加具體地，控制器20可以將空氣壓縮機32 的旋轉速度相對於旋轉速度確定映射22中的空氣供應量的變化速率乘以空氣供應量的基準值Qae與空氣供應量的實際測量值Qam的比率(Qm/Qae)。在本發明的第一實施例中，燃料電池系統100包括用於向燃料電池10供應陽極氣體的噴射器55,和用於向燃料電池10循環陽極廢氣的氫氣循環泵64。然而,作為第七修改示例，替代噴射器55和氫氣循環泵64，燃料電池系統100可以替代地配備有用於向燃料電池10供應氫氣的泵。在此情形中，在校正值確定過程中，可以基於由泵消耗的電力來確定
空氣供應量基準值。在本發明的第一實施例中，控制器20以恆定電壓驅動氫氣循環泵64。然而，在第八修改示例中，控制器20可以替代地以恆定旋轉速度或者恆定的由氫氣循環泵64供給的氣體量來驅動氫氣循環泵64。在此情形中，控制器20檢測氫氣循環泵控制器64的旋轉速度或者由氫氣循環泵64供給的氣體的量，以執行反饋控制。在本發明的第四實施例中，控制器20控制燃料電池10輸出恆定量的電力。然而，在第九修改示例中，控制器20可以控制燃料電池10以預設的多級輸出電平來輸出電力。因此，可以對於每一個輸出電平準備空氣供應量測量映射24。
權利要求
1.一種燃料電池系統，包括 燃料電池； 陰極氣體供應部，所述陰極氣體供應部向所述燃料電池供應陰極氣體； 氣體供給量傳感器，所述氣體供給量傳感器測量被供應到所述燃料電池的所述陰極氣體的量； 陽極氣體供應部，所述陽極氣體供應部向所述燃料電池供應陽極氣體； 特徵值檢測部，所述特徵值檢測部檢測與所述陽極氣體相關聯並且與實際上被供應到所述燃料電池的所述陰極氣體的量相關的特徵值；以及 控制器，所述控制器對被供應到所述燃料電池的所述陽極氣體的量和所述陰極氣體的量進行控制，以控制所述燃料電池的操作， 其中， 當執行基準操作以在預設條件下操作所述燃料電池時，在所述特徵值和被供應到所述燃料電池的陰極氣體的量之間的相關性被存儲在所述控制器中，並且 所述控制器指令所述燃料電池執行所述基準操作、獲取由所述氣體供給量傳感器測量的被供應到所述燃料電池的所述陰極氣體的量、檢測所述特徵值、使用所述相關性來對於所檢測的特徵值獲取所供應的陰極氣體的量作為供應量基準值，並且對在所述供應量基準值和由所述氣體供給量傳感器所測量的值之間的差進行計算並作為由所述氣體供給量傳感器所測量的值中的誤差，並且 所述控制器基於由所述氣體供給量測量部所測量的值，來調節由所述陰極氣體供應部供應的所述陰極氣體的量，以使得在向所述燃料電池供應所述陰極氣體時對所述誤差進行補償。
2.根據權利要求I所述的燃料電池系統，其中， 所述陽極氣體供應部包括用於將所述陽極氣體供給到所述燃料電池的泵， 所述特徵值是由所述泵消耗的電力，所述電力隨著實際上被供應到所述燃料電池的所述陰極氣體的量的增加而降低。
3.根據權利要求I所述的燃料電池系統，其中， 所述特徵值是在所述燃料電池的陽極側的氣流通道中的壓力損失，所述壓力損失隨著實際上被供應到所述燃料電池[Si]的所述陰極氣體的量的增加而降低。
4.根據權利要求I所述的燃料電池系統，其中， 所述特徵值是陽極廢氣的溼度，所述陽極廢氣的溼度隨著實際上被供應到所述燃料電池的所述陰極氣體的量的增加而降低。
5.根據權利要求I到4中任何一項所述的燃料電池系統，其中， 在被供應到所述燃料電池的所述陽極氣體的量和被供應到所述燃料電池的所述陰極氣體的量分別保持等於預設的恆定量、並且所述燃料電池的輸出保持等於預設的恆定輸出的情況下，來執行所述基準操作。
6.一種控制燃料電池系統的方法，所述燃料電池系統包括氣體供給量傳感器，所述氣體供給量傳感器測量被供應到所述燃料電池的陰極氣體的量，所述方法包括 執行基準操作以在預設條件下操作燃料電池； 測量被供應到所述燃料電池的陰極氣體的量；檢測與陽極氣體相關聯並且與實際上被供應到所述燃料電池的所述陰極氣體的量相關的特徵值； 參考預先準備的、在執行所述基準操作期間供應的所述陰極氣體的量和所述特徵值之間的相關性，對於所述特徵值獲取所述陰極氣體的供應量作為供應量基準值；並且 在對作為在所測量的陰極氣體的量和所獲取的供應量基準值之間的差所計算的誤差進行補償的同時，基於由所述氣體供給量傳感器所測量的值向所述燃料電池供應所述陰極氣體。
7.—種控制燃料電池系統的方法，包括 執行基準操作以在預設條件下操作燃料電池； 測量被供給到所述燃料電池的陰極氣體的量； 檢測與陽極氣體相關聯並且與實際上被供應到所述燃料電池的所述陰極氣體的量相關的特徵值；以及 使用預先準備的、在執行所述基準操作期間供應的所述陰極氣體的量和所述特徵值之間的相關性，確定對於所述特徵值的被供應到所述燃料電池的陰極氣體的量。
全文摘要
一種燃料電池系統(100)，其配備有測量陰極氣體供應量的空氣流量計(33)和氫氣循環泵(64)。控制器(20)指令燃料電池(10)執行預設的基準操作、測量由氫氣循環泵(64)消耗的電力，並且確定適合於由氫氣循環泵(64)消耗的電力量的陰極氣體供應量。控制器(20)然後計算在空氣流量計(33)中的測量誤差和對於測量誤差的校正值。控制器(20)基於在利用校正值校正之後的由空氣流量計(33)測量的值來控制陰極氣體供應量。
文檔編號H01M8/10GK102947997SQ201180029912
公開日2013年2月27日 申請日期2011年5月31日 優先權日2010年6月17日
發明者竹下昌宏, 水野伸和 申請人:豐田自動車株式會社