CN102859774A

CN102859774A - 燃料电池系统及其控制方法

Info

Publication number: CN102859774A
Application number: CN2011800200002A
Authority: CN
Inventors: 松末真明; 进藤祐里
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: WO2011132044A1; DE112011101361B4; DE112011101361T8; CN102859774B; DE112011101361T5; US20130040217A1; WO2011132044A8; US8580447B2; JP5477141B2; JP2011228105A

Abstract

一种电子控制单元（ECU）（90），其用于估计在燃料电池1的层叠方向上布置的电池的湿润状态中的分散度。当确定了在湿润状态中的分散度等于或超过阈值时，所述ECU（90）控制冷却剂的流量、气体的流量以及气体的压力，以将湿润状态中的分散度抑制在阈值以下。所述ECU（90）以比其他参数更高的优先级来控制冷却剂的流量。

Description

燃料电池系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统及其控制方法，并且更具体地，涉及对在堆栈分层方向上在湿润状态中的分散度的抑制。

技术背景

已知一种配备有燃料电池的燃料电池系统，该燃料电池具有对其供应燃料气体的燃料电极以及对其供应氧化气体的氧化剂电极，并且使得这些气体相互进行电化学反应以产生电力。

根据日本专利申请公开No.10-340734(JP-A-10-340734)中所公开的，对燃料电池中的温度分布进行检测，并且当确定了温度分布处于预定不均匀状态中时，对冷却剂控制装置进行控制以增加每单位时间供应到燃料电池的冷却剂的量。通过检测流入燃料电池的冷却剂的温度与从燃料电池排出的冷却剂的温度之间的差来获得温度分布。

根据在日本专利申请公开No.2008-21448(JP-A-2008-21448)中所公开的，对构成堆栈的电池的湿润状态中的分散度进行检测，并且当电池中的特定一个比电池中的另一个干燥了预定水平或更多时，执行对加湿燃料电池的控制。更具体地，控制燃料气体加湿器和氧化气体加湿器，以将供应到燃料电池的燃料气体和氧化气体的加湿量增加到正常水平以上。

根据日本专利申请公开No.2009-193817(JP-A-2009-193817)所公开的，根据在燃料电池的不同测量点所测量到的电压之间的差来估计水分的偏流状态，并且然后通过调整供应到燃料电池的每种气体的湿度、每种气体的流量以及每种气体的压力中的至少一项来控制水分的偏流状态。

顺便地，在燃料电池被安装诸如车辆等的移动体的情况下，将冷却剂或燃料气体/氧化气体供应到燃料电池的各个电池/从燃料电池的各个电池排出冷却剂或燃料气体/氧化气体的歧管由于用于安装的大小和重量的限制而导致无法在大小方面增加到必要范围之外。此外，考虑到歧管等中的水分的排出，歧管的直径需要非常小，以确保歧管中的特定流量。在该歧管和与之连接的各个电池中，与对歧管等的大小没有限制的情况相比，内部流体的压力损失的影响更显著。由于该压力损失，冷却剂和燃料气体/氧化气体的分布更有可能分散。该分布的分散度导致了由气体带走的水分量的差异、冷却剂的流量的差异以及在电池中的温度分布。因此，电池的湿润状态中的分散度发生在燃料电池堆栈的层叠方向上，并且因此可能导致各个电池的电压下降、输出限制等。

如日本专利申请公开No.2009-193817(JP-A-2009-193817)中所公开的，通过调整气体的湿度、气体的流量和气体的压力来将湿润状态控制到某一程度。然而，需要在湿润状态中更有效地抑制分散度的技术。

发明内容

本发明提供了一种燃料电池系统以及用于该燃料气体电池系统的控制方法，该燃料电池系统抑制由于供应和排出冷却介质以及燃料气体/氧化气的歧管所导致的内部流体的压力损失所造成的冷却剂和燃料气体/和氧化气体的分布的分散所导致的潮湿状态中的分散。

本发明的第一方面涉及燃料电池系统。该燃料电池系统布置有燃料电池，该燃料电池通过在燃料气体和氧化气体之间的电化学反应来产生电力并且通过单元电池的层叠堆栈来构成；检测装置，该检测装置用于检测在单元电池的层叠方向上布置的电池的湿润状态中的分散度；以及控制装置，该控制装置用于在湿润状态中的分散度等于或超过阈值时，通过控制用于冷却单元电池的冷却介质的流量来抑制湿润状态中的分散度。

控制装置还可以进一步控制燃料气体和氧化气体的气体流量以及燃料气体和氧化气体的气体压力中的至少一项。

控制装置可以执行控制，以使得位于燃料气体、氧化气体、冷却介质的入口侧的燃料电池的层叠方向上布置的单元电池中的一个电池的湿度，与和在该入口侧的该电池相对定位的终端电池的湿度变为彼此相等。

本发明的第二方面涉及用于燃料电池系统的控制方法。燃料电池系统配备有燃料电池，该燃料电池通过在燃料气体和氧化气体之间的电化学反应来产生电力并且由单元电池的层叠堆栈构成。该控制方法包括：（a）检测在单元电池的层叠方向上布置的单元电池的湿润状态中的分散度，以及（b）当在湿润状态中的分散度等于或超过阈值时，通过控制用于冷却单元电池的冷却介质的流量来抑制在湿润状态中的分散度。重复实施（b）直至在湿润状态中的分散度变得小于阈值。

（b）还进一步包括：控制燃料气体和氧化气体的气体流量以及燃料气体和氧化气体的气体压力中的至少一项。

（b）可以包括：确定冷却介质的当前流量是否低于最大容许流量，并且当确定了冷却介质的当前流量低于最大容许流量时，控制冷却介质的流量，并且当确定了冷却介质的当前流量已经达到最大容许流量时，控制燃料气体和氧化气体的气体流量以及燃料气体和氧化气体的气体压力中的至少一项。

根据本发明的各个方面的燃料电池系统及其控制方法能够抑制由于供应和排出冷却介质以及燃料气体/氧化气体的歧管的压力损失而造成的冷却剂和燃料气体/氧化气体的分布的分散度所引起的湿润状态中的分散度。

附图说明

参考附图，本发明的上述以及其他特征和优点从以下本发明的示例性实施例的描述中将变得显而易见，在附图中，相同的附图标记用于表示相同的元件，并且在附图中：

图1是根据本发明的实施例的燃料电池系统的示意性视图；

图2是根据本发明的实施例的燃料电池系统的每个电池的示意性视图；

图3是本发明的实施例的处理流程图；

图4是示出在温度T和饱和水蒸汽压力之间关系的图形视图；

图5A和图5B是示出冷却剂和气体的分布的分散度的说明性视图；以及

图6是示出分散度的抑制的示例的流程图。

具体实施方式

下文将在附图的基础上描述本发明的实施例。

将描述燃料电池系统的基本构造。图1示出了燃料电池系统的构造。燃料电池系统配备有燃料电池1、用于存储燃料气体的储气罐21、燃料气体通路22、循环通路25、燃料废气通路30、鼓风机51、氧化气体通路52、氧化废气通路53、测量设备60、加湿器70、冷却剂供应部80、以及电子控制单元（ECU）90。燃料电池系统通过使得在通过燃料气体通路22从储气罐21供应的燃料气体和通过氧化气体通路52从鼓风机51供应的氧化气体之间的电化学反应在燃料电池1内进行来产生电力。

燃料气体通路22设置有减压阀23和流量控制阀24。从储气罐21向燃料电池1供应的燃料气体通过减压阀23被减压到预定压力，通过流量控制阀24来在流量方面调整从储气罐21向燃料电池1供应的燃料气体，并且通过燃料气体通路22将从储气罐21向燃料电池1供应的燃料气体供应到燃料电池1。流过燃料电池1的内部的燃料气体被排出到循环通路25。

循环通路25设置有循环泵26。循环泵26能够使从燃料电池1排出的燃料气体返回到燃料气体通路22，并且增加每单位时间供应到燃料电池1的燃料气体的流量。燃料废气通路30设置有放气阀31。燃料气体通过循环减少包含在其中的气体的浓度（氢气的浓度）。因此，控制放气阀31以便使具有低气体浓度的燃料废气从循环通路排出到燃料废气通路30，并且流量控制阀24被控制为从储气罐21供应具有高气体浓度的燃料气体。

测量设备60测量各种状态，诸如燃料电池1的各个电池的电压等。可以将由测量设备60测量到的各个电池的电压等供应到ECU 90。

冷却剂供应部80以循环方式向燃料电池1供应冷却剂。冷却剂供应部80配备有循环泵和散热器。例如，诸如乙二醇的防冻剂等用作冷却剂。

ECU 90控制整个燃料电池系统。ECU 90控制放气阀31、减压阀23以及流量控制阀24。在燃料电池中的湿润状态的基础上，ECU 90控制这些值，使得对燃料电池的发电效率进行优化。更具体地，ECU 90基于由测量设备60检测到的各个电池的电压等，来对在燃料电池1的堆栈的层叠方向上的湿润状态中的分散度进行确定，并且根据该确定的结果来调整冷却剂的流量、气体的流量和气体的压力，以抑制或消除湿润状态中的分散度。将在下文描述调整方法的细节。

图2示出了构成燃料电池1的每个电池的横截面。燃料电池1配备有通过使多个电池10彼此层叠而构成堆栈。通过顺序地层叠在其内表面具有氧化气体流动通道（氧化气体歧管）16和冷却剂通道（冷却剂歧管）的阴极侧分离器11、阴极侧气体扩散层12、膜电极组件（MAE）13、阳极侧气体扩散层14和在其内表面具有燃料气体流动通道（燃料气体歧管）17和冷却剂通道（冷却剂歧管）的阳极侧分离器15来构成每个电池10。燃料电池1使得在供应的反应气体之间的电化学反应在通过使阴极侧催化层13c、电解质膜13b和阳极侧催化层13a彼此层叠所构成的每个膜电极组件13中进行来产生电力。将氧化气体供应到阴极侧气体扩散层12，而将燃料气体供应到阳极侧气体扩散层14。应该注意，氧化气体和燃料气体通过在各个电池的表面中弯曲形成的流动通道而扩散到气体扩散层，并且氧化气体流动通道16和燃料气体流动通道17被布置为使得氧化气体和燃料气体在相对方向上流动。

在该构成中，氧化气体流动通道16、阴极侧气体分散层12、燃料气体流动通道17以及阳极侧气体分散层14被成形为使得氧化气体和燃料气体均匀地扩散到膜电极组件（MEA）13。然而，如上所述，通过各个流动通道流动的气体遭受压力损失，并且因此不均匀地扩展。因此，在堆栈的层叠方向上各个电池的湿润状态分散。更具体地，堆栈夹在分别设置在两端的端板之间。气体从一端（供应/排出端）供应并且分布到堆栈内的所有电池10，并且从该端排出从电池10排出的气体。与具有供应/排除端口的一端相比，气体的流动在与供应/排出端相对的一端处变得更弱，并且端板（终端电池）附近的这些电池由于热释放的影响而导致温度更低，并且与堆栈的中心附近的电池（中心电池）相比，更可能造成水的液化。结果，水被偏流。

因此，在本发明的实施例中，在检测各个电池的湿润状态中的分散度之后，ECU 90全面控制冷却剂的流量、气体的流量和气体的压力，以抑制或估计在湿润状态中的分散度。

接下来，将描述由ECU 90执行的控制的内容。

图3示出了在本发明的实施例中执行的控制的流程图。在图3中，ECU 90允许氧化气体、燃料气体以及冷却剂被供应到燃料电池1，以执行对于正常操作的控制（S101）。然后，ECU 90估计在燃料电池1的堆栈的层叠方向上的湿润状态，即，在对于正常操作的控制的执行期间在预定时刻的水分布（中断处理）（S102）。可以根据任何已知的方法来估计该水分布。例如，ECU 90计算在堆栈的终端电池中的一个的电压和堆栈的中心电池的电压之间的差。然后，当压差变得等于或大于预定阈值时，ECU 90确定湿润状态分散，即，水被偏流（S103）。通常，当燃料电池1的操作开始时，终端电池和中心电池分别是湿润的和稍微干燥的。当持续操作燃料电池1时，中心电池的含水量增加而使得发电效率增加。此后，中心电池变得湿润，并且含水量朝着终端电池逐渐偏流。结果，在终端电池的每一个的电压和中心电池的电压之间的差变得等于或高于预定电压。应该注意，如果在该情况下继续操作燃料电池1，则在电池之间的电压差增加，并且因此使得无法从特定的一个电池输出功率或者由于泛溢（flooding）的发生而减少输出。

当电压差等于或大于阈值并且确定了湿润状态被分散（干/湿状态被分散）时（在S103中为是），ECU 90转换为对于抑制湿润状态中的分散度（在干/湿状态中的分散度）的控制(S104)。ECU 90执行该抑制处理直至电压差变得小于阈值。然后，当电压差变得小于阈值（在S103中为否）时，ECU 90执行干燥控制和水排出控制（S105），直至恢复燃料电池的输出，恢复含水量，并且水被排出（S106）。

将在下文描述在S104中的抑制湿润状态中的分散度的方法。首先，将说明在冷却剂和温度之间的关系。在燃料电池1的电流I、标准电动势电压V0、实际电动势电压V、冷却剂流量Qfcc以及温度T之间存在下述关系：I·(V0-V)=K·Gfcc·dT/dt+热释放。即，燃料电池1的温度T是Qfcc的函数，并且存在下述关系：T=f(Qfcc)…(1)。

另一方面，根据关系：Qwat＝{Pwat/(Pall-Pwat)}·Qdry…(2)，可以从气体流量Qdry、总气体压力Pall和水蒸气分压Pwat推导出气体带走的水量Qwat。

此外，饱和水蒸气压力Psat根据如图4中示出的温度T来确定，并且因此能够被定义为Psat=g(T)...(3)。使用函数h，从表达式（1）和（3）获得表达式：Psat＝h(Qfcc)…(4)。

此外，在饱和水蒸气压力Psat、水蒸气分压Pwet以及湿度(%RH)之间存在下述关系：%RH=(Pwet/Psat)·100…(5)。因此使用表达式（2）、（4）和（5）得到表达式：Pwat＝％RH·h(Qfcc)/100…(6)。

图5A示意性地示出了供应到燃料电池的各个电池的气体和冷却剂的分布比率。在图5中，假定气体和冷却剂从右侧的入口供应并且从出口排出。在该情况下，气体和冷却剂的流量在入口侧（分布管侧）相对高，而在另一侧相对低，即，在终端电池侧相对低。现在假定当入口侧（分布管侧）的流量被标准化为1时，在终端电池侧的气体和冷却剂的相对流量分别由x和y(x<1,y<1)来表示。此外，图5B示出了燃料电池的各个电池中的全部气体压力。假定当入口侧（分布管侧）的压力被标准化为1时，终端电池侧的相对气体压力由z来表示。即，假设在分布管侧上的气体流量、冷却剂流量以及气体压力分别由Qdry、Qwat和Pall来表示；终端电池侧的气体流量、冷却剂流量以及气体压力分别由x·Qdry、y·Qwat和z·Pall来表示。此处应该注意，在S102中从水分布的估计得到(x,y,z)的值。

在该情况下，如从表达式（2）和（6）显而易见的，在终端电池侧建立了关系：Qwat={(%RH·h(y·Qfcc)/100)/(z·Pall-%RH·h(Qfcc)/100)}·x·Qdry...(7)，并且在分布管侧建立了关系：Qwat=(%RH·h(Qfcc)/100)/(Pall-%RH·h(Qfcc)/100)...(8)。因此，在终端电池侧，湿度%RH表示为%RH=(100Qwat·z·Pall)/((h(yQfcc)·(x·Qdry+Qwat))...(9)，并且在分布管侧表示为%RH =(100Qwat·Pall)/(h(Qfcc)(Qdry+Qwat))...(10)。为了抑制在湿润状态中的分散度，适于执行控制，使得在分布管的湿度和在终端电池侧的湿度变得彼此相等。因此，适于调整冷却剂流量Qfcc、气体流量Qdry以及气体压力Pall，使得在表达式（9）中的湿度%RH和在表达式（10）中的湿度%RH变得彼此相等。基于该原理，ECU 90在(x,y,z)估计值的基础上调制冷却剂流量Qfcc、气体流量Qdry以及气体压力Pall，使得在表达式（9）中的值和在表达式（10）中的值变得彼此相等。即，ECU 90根据(x,y,z)的值来调整冷却剂流量Qfcc、气体流量Qdry以及气体压力Pall，使得建立关系：(100Qwat·z·Pall)/((h(yQfcc)·(x·Qdry+Qwat))=(100Qwat·Pall)/(h(Qfcc)(Qdry+Qwat)...(11)。函数h(Qfcc)通过实验事先获得，并且作为表格或函数存储到ECU 90的存储器中。

下文将描述具体示例。即，当在S103中确定了在湿润状态中的分散度等于或大于阈值时，ECU 90首先确定当前冷却剂流量Qfcc是否低于根据冷却剂泵的最大转速确定的最大冷却剂流量α（S1041），根据如图6中所示，以便于优先控制冷却剂流量Qfcc。然后，当目前的冷却剂流素Qfcc低于根据泵的最大转速确定的最大冷却剂流量α时，假定存在冷却剂流量Qfcc增加的空间，ECU 90控制冷却剂流量Qfcc(S1042)。另一方面，当目前冷却剂流素Qfcc已经达到根据泵的最大转速确定的最大冷却剂流量α时，因为没有调整冷却剂流量Qfcc的空间，所以ECU 90控制另一参数，更具体地，气体流量Qdry(S1043)。通常，空气压缩机比冷却剂泵遭受更小功耗损失。因此，只要能够控制冷却剂流量，就能够有效控制从冷却剂泵优先泵出的冷却剂的流量。

虽然在上文已经描述了本发明的实施例，但是本发明不限于其实施例。可以对本发明进行各种修正。

例如，在本发明的该实施例中，能够将任何方法用作估计图3的步骤S102中的水分布的方法。然而，还可以通过测量彼此层叠的各个电池的电流值或者通过测量各个电池的电阻值来估计水分布。

此外，在本发明的实施例中，ECU 90可以控制所有参数，即，冷却剂流量Qfcc、气体流量Qdry以及气体压力Pall，或者可以控制气体流量和气体压力以及冷却剂流量Qfcc中的至少一项。此外，ECU 90可以设定用于冷却剂流量Qfcc、气体流量Qdry以及气体压力Pall的优先级顺序，并且根据该优先级顺序来执行控制。优选地是，首先控制冷却剂流量Qfcc，并且然后控制气体流量Qdry或气体压力Pall。在该意义上，ECU 90可以被称为通过至少控制冷却剂流量Qfcc来抑制在湿润状态中的分散度。冷却剂是冷却剂介质的示例。因此，ECU 90可以被称为通过至少控制冷却介质流量Qfcc来抑制在湿润状态中的分散度。

此外，在本发明的实施例中，如图3的处理流程图所示，通过与用于控制堆栈中的水平衡的机制相结合来抑制湿润状态中的分散度（S105和S106的处理）。然而，还能够在不执行S105和S106的处理的情况下，通过重复执行S104的处理来控制湿润状态。

此外，在本发明的该实施例中，冷却剂的流量等基本上被控制为使得表达式（11）被建立。然而，也适用于使用除了表达式（11）之外的表达式。替代地，还适用于执行使冷却剂流量增加预定量的控制，并且监视每次湿润状态中的分散度等于或大于阈值时的湿润状态中的分散度，并且执行重复执行增加冷却剂量的控制直至湿润状态中的分散度变得小于阈值的控制。简言之，当检测到湿润状态中的分散度时，适合优先控制冷却剂流量直至该分散度减少到容许范围。

尽管参考本发明的示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所描述的实施例或构成。相反，本发明旨在涵盖各种修正和等同构造。此外，尽管以各种示例性组合和构造示出了所公开的本发明的各种元件，但是其他组合和包括更多、更少或仅单个元件的构造也在所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池，所述燃料电池用于通过在燃料气体和氧化气体之间的电化学反应来产生电力，并且由单元电池的层叠堆栈来构成；

检测装置，所述检测装置用于检测在所述单元电池的层叠方向上布置的所述单元电池的湿润状态中的分散度；以及

控制装置，当所述湿润状态中的分散度等于或超过阈值时，所述控制装置通过控制用于冷却所述单元电池的冷却介质的流量来抑制所述湿润状态中的分散度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，

所述控制装置还控制所述燃料气体和所述氧化气体的气体流量以及所述燃料气体和所述氧化气体的气体压力中的至少一项。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，

所述控制装置执行控制以使得：在所述单元电池的所述层叠方向上布置的所述单元电池中的、位于所述燃料气体、所述氧化气体和所述冷却介质的入口侧的一个电池的湿度，与和在该入口侧的该电池相对定位的终端电池的湿度变为彼此相等。

4.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池，所述燃料电池通过在燃料气体和氧化气体之间的电化学反应来产生电力，并且通过单元电池的层叠堆栈来构成；

检测部，所述检测部检测以在所述单元电池的层叠方向上布置的所述单元电池的湿润状态中的分散度；以及

控制设备，当所述湿润状态中的分散度等于或超过阈值时，所述控制设备通过控制用于冷却所述单元电池的冷却介质的流量来抑制在所述湿润状态中的分散度。

5.一种用于燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统通过在燃料气体和氧化气体之间的电化学反应来产生电力并且通过单元电池的层叠堆栈来构成，所述控制方法包括：

（a）检测在所述单元电池的层叠方向上布置的所述单元电池的湿润状态中的分散度；以及

（b）当所述湿润状态中的分散度等于或超过阈值时，通过控制用于冷却所述单元电池的冷却介质的流量来抑制所述湿润状态中的分散度，其中，

重复执行所述（b），直至在所述湿润状态中的分散度变得小于所述阈值。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其中，

所述（b）还包括：控制所述燃料气体和所述氧化气体的气体流量以及所述燃料气体和所述氧化气体的气体压力中的至少一项。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其中，

所述（b）包括：

（b1）确定所述冷却介质的当前流量是否低于最大容许流量，以及

（b2）当确定所述冷却介质的所述当前流量低于所述最大容许流量时，控制所述冷却介质的所述流量，并且当确定所述冷却介质的所述当前流量已经达到所述最大允许流量时，控制所述燃料气体和所述氧化气体的气体流量以及所述燃料气体和所述氧化气体的气体压力中的至少一项。

8.根据权利要求5至7中的任何一项所述的控制方法，其中，所述（b）包括：

执行控制以使得：在所述单元电池的所述层叠方向上布置的所述单元电池中的、位于所述燃料气体、所述氧化气体和所述冷却介质的入口侧的一个电池的湿度，与和在该入口侧的该电池相对定位的终端电池的湿度变为彼此相等。