燃料电池系统及其控制方法技术方案

燃料电池系统具备：供给阀，其控制向负极系统内的负极气体的供给；放气阀，其从负极系统内排出排气；压力检测部，其估计或测量负极系统内的压力；以及放气量估计部，其基于在供给阀处于打开状态时闭合放气阀的期间的负极系统内的压力变化以及在供给阀处于闭合状态时闭合放气阀的期间的负极系统内的压力变化，来估计通过放气阀从负极系统内排出的排气的放气量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池系统及其控制方法
本专利技术涉及一种燃料电池系统。
技术介绍
US2012/0156575A公开了以下的燃料电池系统：基于闭合氢供给阀来停止向燃料电池供给氢的期间的氢供给阀下游的负极系统内的压力变化，来计算从负极系统内排出的气体量。
技术实现思路
在燃料电池系统的运转中，在放气阀闭合的期间，从燃料电池的正极电极经由电解质膜向负极电极透过来的氮等蓄积在负极系统内，负极系统内的氢浓度逐渐下降。当负极系统内的氢浓度下降时，在燃料电池系统的运转中发生压降。为了防止这种压降，根据需要来打开放气阀，经由放气阀从负极系统内排出包含氮、氢的排气，由此将负极系统内的氢浓度管理为不发生压降的氢浓度以上。此时，通过高精度地估计经由放气阀从负极系统内排出的排气的量(放气量)来判断是否适当地管理了负极系统内的氢浓度。这是由于负极系统内的氢浓度与放气量相应地变化，放气量越多则负极系统内的氢浓度越高。然而，利用前述的以往的手法计算出的从负极系统内排出的气体除了包含经由放气阀放出的放气气体以外还包含从负极系统内泄漏出去的气体。从负极系统内泄漏出去的气体主要是从燃料电池的负极电极经由电解质膜向正极电极透过去的氢。当氢从燃料电池的负极电极透过到正极电极时，负极系统内的氢浓度会降低。即，放气气体向提高负极系统内的氢浓度的方向起作用，但是透过氢向降低负极系统内的氢浓度的方向起作用。因而，当想要基于利用前述的以往的手法计算出的从负极系统内排出的气体量来管理氢浓度时，存在以下担忧：受到从负极系统内泄漏的氢的影响，氢浓度低于预期，发生预想不到的压降。本专利技术的目的在于，通过排除放气以外的使负极系统内的压力变化的因素的影响、特别是排除从负极系统内泄漏出去的氢的影响，来高精度地估计通过放气阀从负极系统内排出的排气的量。根据本专利技术的某个方式，提供一种向燃料电池供给负极气体和正极气体、根据负荷使燃料电池发电的燃料电池系统。该燃料电池系统具备：供给阀，其控制向燃料电池系统的负极系统内的负极气体的供给；放气阀，其从负极系统内排出排气；压力检测部，其估计或测量负极系统内的压力；以及放气量估计部，其基于在供给阀处于打开状态时闭合放气阀的期间的负极系统内的压力变化以及在供给阀处于闭合状态时闭合放气阀的期间的负极系统内的压力变化，来估计通过放气阀从负极系统内排出的排气的放气量。附图说明图1是本专利技术的第一实施方式的燃料电池系统的概要图。图2是说明本专利技术的第一实施方式的放气量的计算方法的图。图3是说明氢供给阀处于闭合状态时的负极系统内的气体流入流出的图。图4是说明本专利技术的第一实施方式的放气控制的流程图。图5是基于燃料电池堆的负荷和堆温度来计算基准占空比的图表。图6是说明放气阀开阀要求信号生成处理的详情的流程图。图7是说明放气阀开闭处理的详情的流程图。图8是说明放气流量估计处理的详情的流程图。图9是基于升压幅度来计算在氢供给阀打开时蓄积到负极系统内的气体量的图表。图10是基于输出电流来计算在放气阀打开时在燃料电池堆1内通过发电而消耗的每运算周期的氢量的图表。图11是基于负极压力的下降量来计算在放气阀打开时从负极系统内流出的每运算周期的气体量的图表。图12A是说明本专利技术的第一实施方式的放气流量的计算方法的图。图12B是说明本专利技术的变形例的放气流量的计算方法的图。图13是示出放气流量的阈值的图。图14是说明高负荷放气处理的详情的流程图。图15是说明本专利技术的一个实施方式的氢供给阀的控制的流程图。图16是基于目标输出电流来计算脉动上下限压力的图表。图17是表示运转区域为通常区域、放气流量为阈值以上的情况下的放气控制的时序图。图18是表示运转区域为通常区域、放气流量小于阈值的情况下的放气控制的时序图。图19是表示运转区域为高负荷区域、放气流量为阈值以上的情况下的放气控制的时序图。图20是说明本专利技术的第二实施方式的放气量的计算方法的图。图21是说明本专利技术的第二实施方式的放气量的计算方法的图。具体实施方式下面，参照附图来说明本专利技术的实施方式。(第一实施方式)通过用负极(anode)电极(燃料极)和正极(cathode)电极(氧化剂极)将电解质膜夹在中间来构成燃料电池。燃料电池在负极电极接受含氢的负极气体(燃料气体)的供给、在正极电极接受含氧的正极气体(氧化剂气体)的供给来进行发电。负极电极和正极电极这两个电极处进行的电极反应如下。负极电极：2H2→4H++4e-…(1)正极电极：4H++4e-+O2→2H2O…(2)通过该(1)、(2)的电极反应，燃料电池产生1伏特左右的电动势。在将燃料电池用作汽车用动力源的情况下，由于要求的电力大，因此作为将数百块的燃料电池层叠所得的燃料电池堆来进行使用。然后，构成向燃料电池堆供给负极气体和正极气体的燃料电池系统，取出用于驱动车辆的电力。图1是本专利技术的一个实施方式的燃料电池系统100的概要图。燃料电池系统100具备燃料电池堆1、正极气体供排装置2、负极气体供排装置3以及控制器4。燃料电池堆1是层叠多块燃料电池而得到的，接受负极气体和正极气体的供给，来发出驱动车辆所需的电力。正极气体供排装置2具备正极气体供给通路21、正极气体排出通路22、过滤器23、气流传感器24、正极压缩机25、正极压力传感器26、水分回收装置(WaterRecoveryDevice；以下称为“WRD”。)27以及正极压力调节阀28。正极气体供排装置2向燃料电池堆1供给正极气体，并且将从燃料电池堆1排出的正极排气排出到外部大气。正极气体供给通路21是流通向燃料电池堆1供给的正极气体的通路。正极气体供给通路21一端连接于过滤器23，另一端连接于燃料电池堆1的正极气体入口孔。正极气体排出通路22是流通从燃料电池堆1排出的正极排气的通路。正极气体排出通路22一端连接于燃料电池堆1的正极气体出口孔，另一端为开口端。正极排气是正极气体与通过电极反应而产生的水蒸气的混合气体。过滤器23将取入到正极气体供给通路21的正极气体中的异物去除。气流传感器24设置于比正极压缩机25更靠上游的正极气体供给通路21。气流传感器24对供给到正极压缩机25并最终供给到燃料电池堆1的正极气体的流量进行检测。正极压缩机25设置于正极气体供给通路21。正极压缩机25经由过滤器23将作为正极气体的空气(外部大气)取入到正极气体供给通路21，供给到燃料电池堆1。正极压力传感器26设置于正极压缩机25与WRD27之间的正极气体供给通路21。正极压力传感器26对供给到燃料电池堆1的正极气体的压力(以下称为“正极压力”。)进行检测。WRD27分别与正极气体供给通路21和正极气体排出通路22连接，回收在正极气体排出通路22中流动的正极排气中的水分，以所回收的该水分来加湿在正极气体供给通路21中流动的正极气体。正极压力调节阀28设置于比WRD27更靠下游的正极气体排出通路22。正极压力调节阀28由控制器4来控制开闭，对供给到燃料电池堆1的正极气体的压力进行调节。此外，在本实施方式中，基本上是通过对正极压缩机25的旋转速度和正极压力调节阀28的开度进行调整来将正极压力控制为期望的压力(目标正极压力)。负极气体供排装置3向燃料电池堆1供给负极气体，并且将从燃料电池堆1排出的负极排气排出到正极气体排出通路22。负极气体供排装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，向燃料电池供给负极气体和正极气体，根据负荷使所述燃料电池发电，该燃料电池系统具备：供给阀，其用于向所述燃料电池系统的负极系统内供给负极气体；放气阀，其用于从所述负极系统内排出排气；压力检测部，其估计或测量所述负极系统内的压力；以及放气量估计部，其基于在所述供给阀处于打开状态时闭合所述放气阀的期间的所述负极系统内的压力变化以及在所述供给阀处于闭合状态时闭合所述放气阀的期间的所述负极系统内的压力变化，来估计通过所述放气阀从所述负极系统内排出的排气的放气量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.28 JP 2014-2197171.一种燃料电池系统，向燃料电池供给负极气体和正极气体，根据负荷使所述燃料电池发电，该燃料电池系统具备：供给阀，其用于向所述燃料电池系统的负极系统内供给负极气体；放气阀，其用于从所述负极系统内排出排气；压力检测部，其估计或测量所述负极系统内的压力；以及放气量估计部，其基于在所述供给阀处于打开状态时闭合所述放气阀的期间的所述负极系统内的压力变化以及在所述供给阀处于闭合状态时闭合所述放气阀的期间的所述负极系统内的压力变化，来估计通过所述放气阀从所述负极系统内排出的排气的放气量。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述放气量估计部具备：第一估计部，其基于在所述供给阀处于打开状态时闭合所述放气阀的期间的所述负极系统内的压力变化，来估计在该期间中蓄积到所述负极系统内的气体量；以及第二估计部，其基于在所述供给阀处于闭合状态时闭合所述放气阀的期间的所述负极系统内的压力变化，来估计在所述供给阀处于闭合状态时与所述放气阀的开闭状态无关地从所述负极系统内流出的气体量，其中，所述放气量估计部基于由所述第一估计部估计出的气体量以及由所述第二估计部估计出的气体量来估计所述放气量。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述供给阀处于闭合状态时的所述负极系统内的压力下降到打开所述供给阀时的所述负极系统内的初始压力时，所述放气量估计部估计所述放气量。4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述放气量估计部在所述供给阀处于闭合状态时的所述负极系统内的压力下降到打开所述供给阀时的所述负极系统内的初始压力之前估计所述放气量时，基于估计时的所述负极系统内的压力和所述初始压力来估计负极系统内的残存气体量，基于所述残存气体量对由所述第二估计部估计出的气体量进行校正。5.根据权利要求1～4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备放气阀控制部，该放气阀控制部基于所述供给阀的开闭状态和所述燃料电池的负荷来开闭所述放气阀，所述放气阀控制部在所述供给阀打开时闭合所述放气阀。6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述放气阀控制部基于所述燃料电池的负荷来变更...

【专利技术属性】
技术研发人员：浅井祥朋，
申请(专利权)人：日产自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP