燃料电池运行系统和燃料电池运行系统的阀开度计算方法

专利名称：燃料电池运行系统和燃料电池运行系统的阀开度计算方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池运行系统和在该燃料电池运行系统中的 阀开度计算方法，并且更具体地涉及一种燃料电池运行系统，其中使 用氢作为燃料气体的燃料电池在其阴极侧处具有用于调整氧化气体的 流量的阀；以及在该燃料电池运行系统中的阀开度计算方法。
背景技术：
燃料电池系统是熟知的，其中氢作为燃料气体被供应到阳极侧， 并且空气作为氧化气体被供应到阴极侧，在它们之间设置由层叠的固 态电解质膜和催化剂层构成的膜电极组件(MEA)。在这种燃料电池运行 系统中，通过在包括MEA的电池中氢和空气中的氧的反应产生电力， 并且作为反应产物的水被从阴极侧排出。为了调整被供应到阴极侧的 空气量，在燃料电池的阴极侧出口处设置称作压力调节阀的背压阀或 者控制阀。
例如，日本专利公开JP 2003—180006A公开了一种用于未使用昂 贵的电池组的燃料电池车辆中的再生制动系统，其中在燃料电池的阴 极侧出口和大气开口端之间设置背压阀，并且在阴极和供应压縮空气 的压縮机之间设置旁通阀，该旁通阀是用于旁通到大气开口端的三通 阀。该公开还描述了在再生制动期间，关闭背压阀并且调整旁通阀以 调节空气压縮机的压縮机载荷，由此产生人为损耗以调节再生扭矩。
在上述JP 2003_ 180006A中描述的旁通阀被用于在不使用电池组 的燃料电池中执行再生制动，这是一种特殊情形，而在其它情形中， 旁通阀被用于供应稀释气体，以用于稀释被排放到大气的氢气。更具 体地，因为MEA由层叠的薄膜构成，所以氢可能部分地从阳极侧泄露到阴极侧，并且这种泄露的氢和在阳极侧处存在的未反应的氢被空气 稀释并且被排出。为此，旁通阀将也用作氧化气体的空气分隔成用于 在电池中反应的气体和用于稀释的气体。
如上所述，在使用氢作为燃料气体的燃料运行系统中，除了氢气 供应和空气供应，通过多个阀的运行调节发电、作为反应产物的水的 排放、排气的稀释等。
对于在燃料电池运行系统中的这种阀，基于对燃料电池要求的发 电等，由设于气体流路中的压力传感器等获得的探测结果被用于计算 阀开度指令以执行控制。
然而，压力传感器等可能在低温下停止工作。在这种情形中，将 不能计算阀开度指令。
本发明的一个优点在于提供一种能够不使用压力传感器等计算阀 开度指令的燃料电池运行系统，以及一种在该燃料电池运行系统中的 阀开度计算方法。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种燃料电池运行系统，包括燃 料电池；向燃料电池的阳极侧供应燃料气体的燃料气体供应装置；向 燃料电池的阴极侧供应氧化气体的氧化气体供应装置；连接在氧化气 体供应装置和燃料电池的阴极侧气体入口之间的入口侧流路；从燃料 电池的阴极侧气体出口连接到排气侧的出口侧流路；连接在入口侧流 路和出口侧流路之间并且平行于燃料电池布置的旁通流路；设置在入 口侧流路和出口侧流路中的至少一个中以调整阴极侧处的气体流率的 控制阀；设置在旁通流路中以调整旁通流路中的气体流率的旁通阀； 和控制燃料电池的运行的控制单元，其中该控制单元包括用于通过 使旁通阀的开度和旁通流路中的气体流率适用于预先获得的旁通阀流动特性而获得作为旁通阀的上游和下游之间的差压的旁通阀差压的获 得部分；和用于通过使旁通阀差压和阴极侧气体流率适用于燃料电池 的预先获得的阴极侧流动特性和控制阀的流动特性这两个特性而获得 控制阔的开度的获得部分。
而且，根据本发明的另一个方面，优选的是，在该燃料电池运行 系统中，该控制单元还包括基于对所述燃料电池要求的输出功率获得 在所述燃料电池内从所述阳极侧泄露到所述阴极侧的所述燃料气体的 交叉泄漏量的获得部分；和基于对燃料电池要求的输出功率获得将气 体供应到阴极侧气体入口的气体流率的获得部分；和基于所获得的交 叉泄漏量获得气体流过所述旁通流路的气体流率的获得部分。
而且，根据本发明的再一个方面，优选的是，在该燃料电池运行 系统中，该控制单元还包括用于获得在所述阳极侧处的未反应燃料气 体流率的获得部分；并且用于获得气体流过所述旁通流路的气体流率 的所述获得部分包括基于所述交叉泄漏量和在所述阳极侧处的未反应 燃料气体流率获得气体流过所述旁通流路的气体流率。
而且，根据本发明的再一个方面，优选的是，在该燃料电池运行 系统中，该控制单元还包括用于基于在从在所获得的控制阀的开度下 运行的燃料电池输出的实际产生的功率和对燃料电池要求的输出功率 之间的差值校正控制阀的开度的校正部分。
而且，根据本发明的再一个方面，提供一种用于燃料电池运行系 统的阀开度计算方法，该燃料电池运行系统包括燃料电池；向燃料电 池的阳极侧供应燃料气体的燃料气体供应装置；向燃料电池的阴极侧 供应氧化气体的氧化气体供应装置；连接在氧化气体供应装置和燃料 电池的阴极侧气体入口之间的入口 iK IJ流路；从燃料电池的阴极顶'j气体 出口连接到排气侧的出口侧流路；连接在入口侧流路和出口侧流路之 间并且平行于燃料电池布置的旁通流路；设置在入口侧流路和出口侧流路中的至少一个中以调整阴极侧处的气体流率的控制阀；设置在旁 通流路中以调整旁通流路中的气体流率的旁通阀；和控制燃料电池的 运行的控制单元，其中该方法包括以下步骤基于对所述燃料电池要 求的输出功率获得在所述燃料电池内从所述阳极侧泄露到所述阴极侧
的所述燃料气体的交叉泄漏量；基于对燃料电池要求的输出功率获得 将气体供应到阴极侧气体入口的气体流率；基于所获得的交叉泄漏量 获得气体流过所述旁通流路的气体流率；通过使旁通阀的开度和旁通 流路中的气体流率适用于预先获得的旁通阀流动特性而获得作为旁通 阀的上游和下游之间的差压的旁通阀差压；和通过使旁通阀差压和阴 极侧气体流率适用于燃料电池的预先获得的阴极侧流动特性和控制阀 的流动特性这两个特性而获得控制阀的开度。
而且，根据本发明的再一个方面，优选的是，在用于燃料电池运 行系统的阀开度计算方法中，该方法还包括获得在所述阳极侧处的未 反应燃料气体流率的步骤，其中获得气体流过所述旁通流路的气体流 率的步骤包括基于所述交叉泄漏量和在所述阳极侧处的所述未反应燃 料气体流率获得气体流过所述旁通流路的气体流率。
利用上述结构，该燃料电池运行系统在阴极侧处具有设置在入口 侦IJ流路和出口 {贝lj流路的至少 一 个中的控制阀，和平行于燃料电池设置 以连接在入口侧流路和出口侧流路之间的旁通阀。而且，通过使旁通 阀的开度和在旁通流路中的气体流率适用于预先获得的旁通阀的流动 特性，获得作为旁通阀的上游和下游之间的差压的旁通阀差压；并且， 通过使旁通阀差压和阴极侧气体流率适用于燃料电池的预先获得的阴 极侧流动特性和控制阀的流动特性这两个特性，获得控制阀的开度。 因此，能够获得阀开度指令而不使用压力传感器等。
为了使气体流率等适用于预先获得的特性，该特性可被表达为计 算表达式的形式，以通过输入气体流率等计算控制阀的开度等以输出 其结果，或者，可替代地，该特性也可被表达为查表的形式，通过输入气体流率等，从该査表读出并且获取控制阀的开度等。而且，这些 转换形式可被存储在ROM等中，并且通过使用气体流率等作为输入， 可获得控制阀的开度等作为输出。
而且，基于对燃料电池要求的输出功率获得在燃料电池内从所述 阳极侧泄露到所述阴极侧的交叉泄漏量；基于对燃料电池要求的输出 功率获得将气体供应到阴极侧气体入口的气体流率；并且基于所获得
的交叉泄漏量获得气体流过旁通流路用于氢稀释的气体流率。因此， 也能够获得将被输入旁通阀的特性的旁通气体流率而不使用压力传感 器等。而且，关于获得这些的方式，可通过使输入数据适用于计算表 达式的形式而计算理想的输出值；可通过使用查表形式获得相应于输 入数据的输出数据；或者可通过使用ROM等将输入数据转换为理想的 输出数据。
而且，因为基于交叉泄漏量和在阳极侧处的未反应燃料气体流率 获得气体流过旁通流路的气体流率，所以还能够不使用压力传感器等 而获得用于稀释由于交叉泄漏而泄漏的燃料气体和在阳极侧处作为未 反应燃料气体排出的气体这两者的旁通气体流率。
而且，因为基于在从在所获得的控制阀的开度下运行的燃料电池 输出的实际产生的功率和对燃料电池要求的输出功率之间的差校正控 制阀的开度，所以能够应用反馈以校正在阀开度中的任何偏差。


图1是根据本发明实施例的燃料电池运行系统的概图2是示出根据本发明实施例在空气量、阀开度等之间的关系的
图表；
图3是关于根据本发明实施例的FC电流控制的框图； 图4是示意根据本发明实施例的化学计量映射的图表； 图5是示意根据本发明实施例的泵氢量映射的图表；图6是示意根据本发明实施例的控制阀开度映射的图表； 图7是用于示意根据本发明实施例相对于旁通阀开度将旁通阀转 动到其完全打开位置的图表。
具体实施例方式
在下面参考附图详细描述本发明的实施例。图1是燃料电池运行 系统10的概图。燃料电池运行系统10包括系统主单元20、在整个系
统中控制系统主单元20的构件的控制单元70、指定由燃料电池产生的 电量的要求发电量输入单元66，和存储由控制单元70使用的数据转换 映射的映射存储单元68。
系统主单元20包括其中层叠多个燃料电池的称作燃料电池组22 的燃料电池主体，和布置在燃料电池组22的阳极侧处用于供应作为燃 料气体的氢气的构件以及布置在阴极侧处用于供应作为氧化气体的空 气的构件。
在阳极侧处的燃料气体供应源24是用于供应作为燃料气体的氢的 罐。燃料气体供应源24被连接到调节器26。调节器26具有将从燃料 气体供应源24供应的氢气调节为处于适当压力和流率下的功能。设置 在调节器26的输出端口处的压力指示器28是用于探测所供应的氢的 压力的测量装置。调节器26的输出端口连接到燃料电池组22的阳极 侧入口，并且被调节为处于适当压力和流率的氢气被供应到燃料电池 组22。
从燃料电池组22的阳极侧出口排出的气体因为氢被消耗用于发电 而含有降低浓度的氢，并且因为在阴极侧处作为空气组分的氮气流过 MEA而含有升高浓度的杂质气体。此外，作为反应产物的水也流过 MEA。
连接到燃料电池组22的阳极侧出口的分流器32被设置用于当从阳极侧出口排出的气体中的杂质气体的浓度变高时允许气体通过排气 阀34流至稀释器64。这种排气是除了氮还含有作为反应产物的水的氢
气。此外，设于分流器32下游处并在分流器32与阳极侧入口之间的 循环升压器30是氢泵，该氢泵具有提高从阳极侧出口返回的气体中的 氢分压以将该气体再循环到阳极侧入口进行再次使用的功能。
作为在阴极侧处的氧化气体供应源40，在实际应用中可以使用大 气。用作氧化气体供应源40的大气(空气)通过过滤器42被供应到阴极 侧。设于过滤器42下游的流量指示器44是用于探测从氧化气体供应 源40供应的总流量的流量计。此外，设于过滤器42下游的温度计46 具有探测从氧气供应源40供应的气体温度的功能。
空气压縮机(ACP)48是采用马达50以压縮作为氧化气体的空气的 体积以升高气体压力的气体升压器。ACP(48)具有如此特征，即其旋转 速度(每分钟旋转数)可在控制单元70的控制下改变以提供预定量的氧 化气体。更具体地，当所需的氧化气体流率较高时，马达50的旋转速 度增加，并且在另一方面，当所需的氧化气体流率较低时，马达50的 旋转速度降低。ACP耗电探测单元52是具有探测ACP(48)的电力消耗， 或者更具体地，马达50的电力消耗的功能的测量装置。因为当旋转速 度增加时马达50消耗更多电力，并且当旋转速度降低时消耗较少电力， 所以电力消耗与马达的旋转速度或者氧化气体的流率密切相关。
以此方式，用作氧化气体的空气利用在控制单元70的控制下的 ACP(48)被供应到燃料电池组22的阴极侧。更具体地，如在这里使用 的术语"氧化气体"和"空气"是同义的。因此，从氧化气体供应源 40到ACP(48)的构件可被称作氧化气体供应装置。
加湿器54具有适当地加湿氧化气体以使得燃料电池组22能够高 效地执行燃料电池反应的功能。被加湿器54适当地加湿的氧化气体被 供应到燃料电池组22的阴极侧入口，并且从阴极侧出口被排出。这里，除了排气，作为反应产物的水也被排出。因为在燃料电池组22中的反 应将其加热到高温，所以被排出的水为水蒸汽的形式，并且这种水蒸 汽被供应到加湿器54以用于适当地加湿氧化气体。如上所述，加湿器
54具有适当地将水蒸汽中的湿气提供给氧化气体的功能，并且可以使 用使用空心纤维的气体交换器。更具体地，加湿器54被构造成能够在 从ACP(48)供应的气体流经的流路和水蒸汽流经的流路之间进行气体 交换。例如，通过使用空心纤维的内部流路作为用于从ACP(48)供应的 氧化气体的流路并且将空心纤维的外部流路用于从燃料电池组22的阴 极侧出口流动的水蒸汽，能够适当地加湿被供应到燃料电池组22的阴 极侧入口的氧化气体。
这里，连接在上述氧化气体供应装置和燃料电池组22的阴极侧入 口之间的流路可被称为入口侧流路。相应地，从燃料电池组22的阴极 侧出口连接到排气侧的流路可被称为出口侧流路。
设置在出口侧流路的阴极侧出口处的压力指示器56具有探测阴极 侧出口处的气体压力的功能。而且，设置在出口侧流路中的控制阀60 也被称为背压阀，并且是具有调整阴极侧出口处的气体压力以调整氧 化气体到燃料电池组22的流率的功能的阀；例如，可以使用能够调整 流路的有效孔径的阀例如蝴蝶阀。应该指出，在一些情形中，控制阀 60可被设置在入口侧流路中。
因为控制阀60的输出端口被连接到上述加湿器54，所以从控制阀 60离开的气体向加湿器54供应水蒸汽，并且然后再次返回以进入稀释 器64，并且随后被排放到外部。
旁通阀62是在平行于燃料电池组22布置并且连接在入口侧流路 和出口侧流路之间的旁通流路中设置的阀，并且主要具有向稀释器64 供应用于稀释排气中的氢浓度的空气的功能。更具体地，通过打开旁 通阀62，从ACP(48)供应的氧化气体，除了流至燃料电池组22的部分，能够通过旁通燃料电池组22的旁通流路被供应到稀释器64。作为旁通 阀62，能够使用具有与用于发动起排气稀释的排气旁通阀类似的结构 的阀。
稀释器64是缓冲罐，用于收集含有来自用于阳极侧的排气阀34 的废氢的水，以及含有水蒸汽并且还含有通过用于阴极侧的MEA泄露 的氢的排气，以用于在适当的氢浓度下排放到外部。当氢浓度超过适 当水平时，通过打开旁通阀62，该气体可以使用所提供的氧化气体适 当地稀释而不流经燃料电池组22。
控制单元70在整个系统中控制系统主单元20的上述构件，并且 有时被称为"燃料电池CPU"。控制单元70尤其具有获得按照燃料电 池的运行状态的阀开度指令的功能。控制阀60和旁通阀62被提供用 于燃料电池运行系统IO的阴极侧，并且，作为用于获得这些阀的开度 的预先条件，通过ACP(48)供应的氧化气体(空气)的总量被称作总空气 馈送量，并且总空气馈送量被分配为供应到燃料电池组22的阴极侧的 FC空气量和通过旁通流路馈送的旁通空气量。根据FC空气量和旁通 空气量获得用于控制阀60和旁通阀62的开度指令。
更具体地，为了获得阀开度指令，控制单元70包括获得用于阴极 侧的未反应氢量和通过MEA从阳极侧泄露到阴极侧的交叉泄漏量的泵 氢量获取模块72、获得总空气馈送量的总空气馈送量计算模块74、 FC 空气量计算模块76、旁通空气量计算模块78、获得在旁通阀62的两 侧之间的压差的入口/出口差压获取模块80、获得控制阀等的开度的控 制阀开度获取模块82，以及将FC发电量反馈到控制阀的开度以校正 控制阀的开度的控制阀开度反馈模块84。这些功能可由软件实现，并 且尤其可通过执行相应的燃料电池运行程序或者在其中包括的阀防冻 程序实现。这些功能可以部分地由硬件实现。
应该指出，在这里为获得理想数据的功能使用不同表达例如计算和获取的原因在于区分通过计算对理想值进行计算的功能和通过使用 来自将在下面描述的映射存储单元68的特性映射将输入数据转换为输 出数据而获取理想值的功能。
要求发电量输入单元66具有向燃料电池运行系统10输入用于确 定应该产生多少FC电量的设定值的功能。特别地，能够使用键盘或者
其它手动输入装置，或者在用于车辆等的燃料电池运行系统中，也能 够使用接收器以接收来自未在图中示出的车辆运行控制单元的指令。 在后一情形中，根据车辆的运行状态，所需发电量被自动地从车辆运
行控制单元发送到要求发电量输入单元66。
映射存储单元68是用于存储用于执行控制单元70的阀开度获得 功能所必需的映射的存储装置，并且能够由半导体存储器等形成。该 映射指的是特性的表达，所述特性以査表的形式或者其它表达形式使 用多个变量被表达为预定函数关系，由此，当一个变量被用作输入数 据时，它的相应特性值可作为输出数据被读出。如上所述，映射是一 种转换方法，用于从输入数据到输出数据的转换。因此，可以使用除 了査表之外的任何其它表达形式，并且例如，特性可被表达为计算表 达式的形式，从而当一个变量被用作输入数据时，它的相应的特性值 可被输出。映射存储单元68可被形成为例如ROM表的形式。
映射存储单元68存储多个映射。第一映射是用于空气量的化学计 量映射。化学计量映射指的是相对于在燃料电池中的反应理论上所需 的理论所需空气量，增量实际上应该是多大，该增量以系数表的形式 使用燃料电池的温度、FC发电、尤其是FC电流作为变量表达。
第二映射是泵氢量映射。泵氢量映射指的是在燃料电池反应中在 阳极侧处的未反应氢量的表达，和在所述燃料电池内从阳极侧泄露到 阴极侧的氢量，这些氢量以查表的形式使用FC电流作为变量表达。作 为泵氢映射，当作为所述燃料电池内从阳极侧泄露到阴极侧的氢量的所谓"交叉泄漏量"占主导时，交叉泄漏量可以以査表的形式使用FC 电流作为变量表达。另一方面，当阳极侧处的未反应氢量占主导时， 未反应氢量可以以查表的形式使用FC电流作为变量表达。当同时考虑
交叉泄漏量和未反应氢量时，优选以査表的形式使用FC电流作为变量
表达它们的总和。第三映射是控制阀开度映射。控制阀开度映射指的
是用于控制阔的开度指令值的表达，以査表的形式使用FC空气量和入 口/出口差压作为变量表达它。如在这里使用的入口/出口差压指的是在 燃料电池组22的阴极侧入口处的气体压力和在阴极侧出口处的气体压 力之间的差。因为，如参照图l所解释地，旁通阀62平行于燃料电池 组22的阴极侧入口和出口布置，如在这里使用的入口/出口差压可被认 为是与作为旁通阀62的上游和下游之间的压差的旁通阀差压相同。在 下面的说明中，将描述入口/出口差压而不区分旁通阀差压和在燃料电 池组2 2的阴极侧处的入口和出口之间的差压。将在解释燃料电池系统 的运行时描述映射内容的细节。
将参考图2到7详细描述具有上述结构的燃料电池运行系统10的 运行并且尤其是控制单元70的功能。图2是示出在燃料电池运行系统 IO中的总空气馈送量、FC空气量、旁通空气量、控制阀开度、旁通阀 开度、燃料电池温度和FC电流之间关系的图表。图3是关于燃料电池 运行系统10中的FC电流控制的框图。图4是示意关于化学计量映射 值的图表，图5A和5B的每一个是示意关于泵氢量的映射的图表，并 且图6A是示意关于旁通阀开度的映射的图表，并且图6B和图6C的 每一个是示意关于控制阀开度的映射的图表。图7是示意相对于旁通 阀开度将旁通阀转动到其完全打开位置的图表。
图2是图1所示概图的简化形式，其中示出在图3中使用的构件。 如这里所示，通过ACP(48)供应的压縮空气的总量是总空气馈送量，并 且从总空气馈送量供应到燃料电池组22的阴极侧的量是FC空气量。 经由旁通阀62流动的总空气馈送量的部分量是旁通空气量。因此，总 空气馈送量等于FC空气量加上旁通空气量。控制阀开度是用于控制阀60的开度指令值，并且旁通阀开度是用于旁通阀62的开度指令值。通 过燃料电池反应从燃料电池组22获得的所产生的电流是FC电流。应 该指出，燃料电池的温度被给作供应到ACP(48)的空气的温度。
图3示出在燃料电池运行系统10中的FC电流控制的框图。这里， 该图表示出使用了两种控制方法。第一种是所谓的"开环前馈控制"， 其中，当FC电流指令值100被给作输入指令值时，总空气馈送量指令 值140、控制阀开度指令值142和旁通阀开度指令值144作为输出指令 值被输出，它们被分别地供应到ACP(48)、控制阀60和旁通阀62。第 二种是反馈控制，其中作为上述前馈控制的结果获得的FC电流值102 与FC电流指令值100相比较，并且它们的差使用PI控制被反馈到控 制阀开度。因此，如将在下面描述地，优选的是，旁通阀开度是完全 开度，在图3中的控制框图基本上示出在旁通阀开度为完全开度的情 形中的控制阀开度的控制。
图3可被大致分为两个部分。第一部分是用于执行总空气馈送量 计算步骤120、 FC空气量计算步骤122和旁通空气量计算步骤126的 部分。第二部分是用于基于所计算出的FC空气量和旁通空气量获得控 制闽开度指令值142、旁通阀开度指令值144等的部分。将在下面参考 图3描述用于获得控制阔开度指令值等的过程。
首先，FC电流指令值100被给作输入数据。FC电流指令值100 是用于将产生的电流的指令值，该电流将在燃料电池组22中产生并且 从其输出，并且该FC电流指令值相应于发电目标值。FC电流指令值 100通过要求发电量输入单元66被手动输入，或者通过自动地接收根 据从燃料电池运行系统10向其供应电力的目标例如车辆等的运行状态 而被发送的数据而获取。
当给出FC电流指令值IOO时，使用化学计量映射IIO和泵氢量映 射112获取泵氢量。特别地，利用控制单元70的泵氢量获取模块72的功能，当给出FC电流指令值100时，通过搜索映射存储单元68然
后采用适当的映射而获取泵氢量。
图4是示出化学计量映射的实例的图表。化学计量映射110是基 于两个输入数据项目从其读出化学计量映射值的表格。该两个输入数 据项目是FC电流和燃料电池的温度。因此，通过使用FC电流指令值 作为用于FC电流的数据；使用由温度计46探测到的供应到ACP(48) 的空气的温度作为燃料电池的温度；并且参考化学计量映射110，能够 获取用于它(FC电流、温度)的化学计量映射值。化学计量映射值是相 对于理论所需空气量的增长系数。如图4所示，当FC电流较小并且温 度较低时，化学计量映射值经常采用1。
图5A和图5B的每一个是示意泵氢量映射112的图表。泵氢指的 是在阴极侧处存在的氢，并且它的数量与FC电流相关；已知的是FC 电流越高，则泵氢量增加越多，并且通过实验获得它的关系表达式。 图5A是示出该关系表达式的一个实例的图表。因为基于对燃料电池要 求的输出功率确定FC电流，所以能够基于通过要求发电量输入单元 66获得的所需输出功率获得泵氢量，如将在下面描述的那样。
在图5B中示出泵氢量映射112，并且泵氢量映射112是基于两个 输入数据项目从其读出泵氢量的表格。该两个输入数据项目是FC电流 指令值和化学计量映射值。通过用FC电流指令值代替FC电流值并且 另外地对化学计量映射值进行校正，可以基于图5A示意的实验关系表 达式建立泵氢量映射112。因为FC电流指令值和化学计量映射值均已 被获取，仅仅通过阅读泵氢量映射112，就可以获取在该FC电流指令 值下的泵氢量。应该指出，以流率的单位例如，如NL/min(标升每分钟) 获取泵氢量。
再次返回到图3，当获取泵氢量时，则执行总空气馈送量计算步骤 120。特别地，通过总空气馈送量计算模块74的功能，基于泵氢量、空气被排放时应该具有的目标氢浓度、将在燃料电池组22中消耗的空 气量等计算所需的总空气量。基于泵氢量和目标氢浓度获得用于将泵 氢稀释为目标氢浓度所需的稀释空气的量，并且这相应于旁通空气量。
而且，将在燃料电池组22中消耗的空气量相应于FC空气量。因此， 能够通过分别地计算旁通空气量和FC空气量并且将这些值相加而获 得总空气馈送量。
在泵氢量较大并且因此旁通空气量与FC空气量相比足够大的情 形中，例如在低效率发电模式中，可以利用更加简单的方法计算总空 气馈送量。更具体地，可以使用一个等式，其中总空气馈送量等于泵 氢量乘以安全因子(100%除以目标排氢浓度)。对于目标排氢浓度，可 以使用通过实验获得的值，并且通过将安全因子设为能够容忍近似计 算误差的充分值，能够容易地获得总空气馈送量作为安全值。所获得 的总空气馈送量以这种形式用作ACP(48)的总空气馈送量指令值140， 并且，另外，被用于随后的过程中例如控制阀开度计算等。
通过利用化学计量映射值乘以将在燃料电池组22中消耗的空气量 而由FC空气量计算模块76的功能执行FC空气量计算步骤122。通过 赋予FC电流值，可从用于燃料电池的化学反应式在理论上获得将在燃 料电池组22中消耗的氧量。由此，获得了被FC电流值除的FC氧消耗 量，并且通过用0.21除它，能够获得FC空气消耗量，其中0.21是包 含在空气中的氧的成分比。通过将该FC空气消耗量乘以化学计量映射 值而计算FC空气量。因此，当给出FC电流指令值100时，可以使用 化学计量映射110计算FC空气量。
通过在由总空气馈送量计算步骤120获得的总空气馈送量和由FC 空气量计算步骤122获得的FC空气量上进行减法过程124而执行旁通 空气量计算步骤126。更具体地，减法过程124执行一种计算，其中旁 通空气量等于总空气馈送量减去FC空气量，以计算旁通空气量。以此方式，计算总空气馈送量、FC空气量和旁通空气量，然后这
些被用于获得控制阀开度指令值142、旁通阀开度指令值144等。
因为控制阀60和旁通阀62均影响被供应到燃料电池组22的阴极 侧的空气的压力和流率，所以通过平衡FC空气量和旁通空气量，控制 阀开度指令值142和旁通阀开度指令值144均被获得。更具体地，因 为旁通阀62平行于燃料电池组22的阴极侧处的气体入口和气体出口 布置，所以确定流经旁通阀62的旁通空气量的在旁通阀62的两侧之 间的压差也是在燃料电池组22的阴极侧处的气体入口和气体出口之间 的压差。在另一方面，控制阀60被提供用于阴极侧处的气体出口，并 且根据在出口处的压力和控制阀60的开度，确定在出口处的流率，或 者换言之，FC空气量。当根据上述相互依赖关系获得FC空气量和旁 通空气量时，它们均被用于确定控制阀60的开度和旁通阀62的开度。
通过其中使用控制阀开度映射114获得控制阀开度的第一步骤以 及其中对其进行校正的第二步骤获得控制阀开度指令值142。在第一步
骤中，使用控制阀开度映射114获得控制阀开度。图6A、图6B和图 6C的每一个均是用于获得控制阔开度的图表。
图6A是示出旁通阀62的流动特性的图表，其中横轴代表作为流 经旁通阀62的气体的量的旁通空气量，并且纵轴代表作为在旁通阀62 的两侧之间的压差的入口/出口差压。参数为旁通阀62的开度。如在该 图表中所示，当给出旁通阔开度和旁通空气量时，唯一地获得了旁通 阀62的入口/出口差压。
图6B是示出从燃料电池组22的阴极侧气体入口到控制阀60的出 口延伸的部分的基本流动特性的图表。这里，示出基本流动特性曲线， 其中横轴代表燃料电池组22的入口/出口差压，并且纵轴代表控制阀的 开度。参数为FC空气量。如上所指出地，如在这里使用的基本流动特 性是从燃料电池组22的阴极侧气体入口到控制阀60的出口延伸的部分的流动特性，因此是基于在燃料电池的阴极侧处的流动特性和控制 阀60的流动特性这两个特性的。如从该图表可以看出地，通过给出FC 空气量和入口/出口差压，唯一地获得了控制阀60的开度。这里，如上
指出地，燃料电池组22的入口/出口差压与作为旁通阀62的上游和下 游之间的差压的旁通阀差压相同。
因此，从图6A和6B可以看出，当给出旁通阀的开度、旁通空气 量和FC空气量时，唯一地获得了控制阀60的开度。具体地，当旁通 开度被固定为例如完全打开时，可以从旁通空气量和FC空气量获得控 制阀开度。图6C是示出用于旁通阀开度被设为完全打开的情形的控制 阀开度映射114的一个实例的图表。控制阀开度映射114是基于FC空 气量和旁通空气量这两个输入数据项目从其读出控制阀开度的表格。 即使当旁通阀开度不是完全打开时，也能够为每一个预定旁通阀开度 建立控制阀开度映射。
如此基于FC空气量和旁通空气量获得的控制阀开度被实际上作 为控制阀开度指令值142供应到未在图中示出的控制阀驱动机构，并 且根据被设为预定开度的指令值驱动控制阀60。
类似于控制阀开度映射114，也可为每一个控制阀开度建立旁通阀 开度映射116，以作为基于FC空气量和旁通空气量这两个输入数据项 目获得旁通阀开度的映射。所获得的旁通阀开度被供应到未在图中示 出的控制阀驱动机构，并且根据被设为预定开度的指令值驱动旁通阀 62。
具体地，在旁通空气量与FC空气量相比较大，例如在低效率发电 模式的情况中，适当的是，旁通阀62的开度被设为完全打开，如将参 考图7解释的。
图7通过实例示出控制阀60和旁通阀62的各个流动特性，其中旁通阀62的空气量被设为基本是控制阀60的空气量的五倍。为了满 足流率恒定的条件的在各个阀的一次压力和各个阀的有效横截面积之
间的关系在图7中示出。这里， 一次压力指的是在各个阀的气体入口 侧处的压力，并且就图1所示的旁通阀62而言，相应于ACP(48)的分 配压力。而且，阀的有效横截面积指的是空气在具有相应的开度的阀 中流动的横截面积，并且通过将该阀的完全打开横截面积乘以开度而 获得。在图7中示出的实例中可以看出，为了使得大致为流经控制阀 60的空气量的五倍的空气量流经旁通阀62，当一次压力相同时，旁通 阀62的有效横截面积需要大致为控制阀60的有效横截面积的五倍。 换言之，与控制阔60的尺寸相比，旁通阔62的尺寸增加。而且，也 可从图7看出，为了减小旁通阀62的尺寸，提高一次压力是有效果的。 换言之，提髙ACP(48)的分配压力是有效果的。
如上所述，当旁通空气量与FC空气量相比较大时，旁通阀尺寸变 得更大。为了防止这点，提高ACP(48)的分配压力是有效果的，但是如 此做是有限制的。因此，为了防止旁通阀62的尺寸增加，有效的是将 旁通阀62设为完全打开，同时完全通过控制阀60的开度调整而调整 旁通空气量和FC空气量。在该情形中，旁通阀开度指令值144被设为 完全打开，并且通过改变总空气馈送量指令值140和控制阀开度指令 值142进行实质FC电流控制。
在上述方式中，获得总空气馈送量指令值140、控制阀开度指令值 142和旁通阀开度指令值144，然后根据这些指令值，燃料电池运行系 统10控制氧化气体，并且燃料电池组22执行发电反应。当FC产生的 电力从燃料电池组22被输出时，其实际FC电流值102与用作目标值 的FC电流指令值IOO相比。然后，执行反馈量计算步骤128，其中根 据作为该比较结果获得的差计算用于控制阀开度的校正量。计算出的 反馈量被校正为用于使用控制阀开度映射114获得的控制阀开度的值， 该值被更新为新的控制阀开度指令值142。这样，在每一个适当的反馈 时刻，对控制阀开度进行校对，并且更新控制阀开度指令值。如上所述，当给出FC电流指令值时，能够使用预先获得的特性映 射获得总空气馈送量、旁通空气量和FC空气量，而不使用压力传感器 等。而且，通过预先获得旁通阀的流动特性和燃料电池组与控制阀的 基本流动特性，可能使用该特性映射根据旁通阀开度获得控制阀开度 指令值。特别地，可能在旁通阀开度被设为完全打开时获得控制阀指
令值。而且，可能将实际FC电流值和FC电流指令值相比较以基于差
校正控制阀开度。因此，因为即使不使用压力传感器等也能够获得控 制阀开度指令，所以当燃料电池在低温下运行时，本发明是特别有效 的。而且，在低温低效率发电模式中，本发明更加有效。
工业可应用性
本发明被用于燃料电池运行系统和用于该燃料电池运行系统的阀 开度计算方法中。特别地，本发明被用于具有用于调整在使用氢作为 燃料气体的燃料电池中的阴极侧处的氧化气体的流动的阀的燃料电池 运行系统，和用于该燃料电池运行系统的阀开度计算方法中。
权利要求
1. 一种燃料电池运行系统，包括燃料电池；燃料气体供应装置，所述燃料气体供应装置向所述燃料电池的阳极侧供应燃料气体；氧化气体供应装置，所述氧化气体供应装置向所述燃料电池的阴极侧供应氧化气体；入口侧流路，所述入口侧流路连接在所述氧化气体供应装置和所述燃料电池的阴极侧气体入口之间；出口侧流路，所述出口侧流路从所述燃料电池的阴极侧气体出口连接到排气侧；旁通流路，所述旁通流路连接在所述入口侧流路和所述出口侧流路之间，且平行于所述燃料电池布置；控制阀，所述控制阀设置在所述入口侧流路和所述出口侧流路中的至少一个流路中，以调整所述阴极侧处的气体流率；旁通阀，所述旁通阀设置在所述旁通流路中，以调整所述旁通流路中的气体流率；和控制单元，所述控制单元控制所述燃料电池的运行，其中所述控制单元包括用于通过使所述旁通阀的开度和所述旁通流路中的气体流率适用于所述旁通阀的预先获得的流动特性而获得作为在所述旁通阀的上游和下游之间的差压的旁通阀差压的获得部分；和用于通过使所述旁通阀差压和所述阴极侧气体流率适用于所述燃料电池的预先获得的阴极侧流动特性和所述控制阀的流动特性这两个特性而获得所述控制阀的开度的获得部分。
2. 根据权利要求1的燃料电池运行系统，其中 所述控制单元还包括基于对所述燃料电池要求的输出功率获得在所述燃料电池内从所述阳极侧泄露到所述阴极侧的所述燃料气体的交叉泄漏量的获得部 分；基于对所述燃料电池要求的所述输出功率获得将气体供应到所述阴极侧气体入口的气体流率的获得部分；和基于所获得的交叉泄漏量获得气体流过所述旁通流路的气体流率 的获得部分。
3. 根据权利要求2的燃料电池运行系统，其中所述控制单元还包括用于获得在所述阳极侧处的未反应燃料气体 流率的获得部分；并且用于获得气体流过所述旁通流路的气体流率的所述获得部分包括 基于所述交叉泄漏量和在所述阳极侧处的未反应燃料气体流率获得气 体流过所述旁通流路的气体流率。
4. 根据权利要求2的燃料电池运行系统，其中所述控制单元还包括校正部分，用于基于在所获得的所述控制阀 的开度下运行的所述燃料电池的实际产生的功率输出和对所述燃料电 池要求的所述输出功率之间的差值校正所述控制阀的开度。
5. —种用于燃料电池运行系统的阀开度计算方法，所述燃料电池 运行系统包括燃料电池；燃料气体供应装置，所述燃料气体供应装置向所述燃料电池的阳 极侧供应燃料气体；氧化气体供应装置，所述氧化气体供应装置向所述燃料电池的阴 极侧供应氧化气体；入口侧流路，所述入口侧流路连接在所述氧化气体供应装置和所 述燃料电池的阴极侧气体入口之间；出口侧流路，所述出口侧流路从所述燃料电池的阴极侧气体出口 连接到排气侧；旁通流路，所述旁通流路连接在所述入口侧流路和所述出口侧流 路之间，且平行于所述燃料电池布置；控制阀，所述控制阀设置在所述入口侧流路和所述出口侧流路中 的至少一个流路中，以调整所述阴极侧处的气体流率；旁通阀，所述旁通阀设置在所述旁通流路中，以调整所述旁通流 路中的气体流率；和控制单元，所述控制单元控制所述燃料电池的运行，其中所述方法包括以下步骤基于对所述燃料电池要求的输出功率获得在所述燃料电池内从所 述阳极侧泄露到所述阴极侧的所述燃料气体的交叉泄漏量；基于对所述燃料电池要求的所述输出功率获得将气体供应到所述 阴极侧气体入口的气体流率；基于所获得的交叉泄漏量获得气体流过所述旁通流路的气体流率；通过使所述旁通阔的开度和所述旁通流路中的气体流率适用于所 述旁通阀的预先获得的流动特性而获得作为在所述旁通阀的上游和下 游之间的差压的旁通阀差压；和通过使所述旁通阀差压和所述阴极侧气体流率适用于所述燃料电 池的预先获得的阴极侧流动特性和所述控制阀的流动特性这两个特性 而获得所述控制阀的开度。
6.根据权利要求5的用于燃料电池运行系统的阀开度计算方法，所述方法还包括以下步骤获得在所述阳极侧处的未反应燃料气体流率，其中 获得气体流过所述旁通流路的气体流率的步骤包括基于所述交叉泄漏量和在所述阳极侧处的所述未反应燃料气体流率获得气体流过所述旁通流路的气体流率。
全文摘要
在燃料电池运行系统中的FC电流控制大致可分为两个部分。第一部分执行总空气馈送量计算步骤(120)、FC空气量计算步骤(122)和旁通空气量计算步骤(126)。通过使用化学计量映射(110)和泵氢量映射(112)执行这些步骤。第二部分根据计算出的FC空气量和旁通空气量计算控制阀开度指令值(142)和旁通阀开度指令值(144)。这里，使用控制阀开度映射(114)等。当利用这些指令值从燃料电池组输出产生的电力时，实际FC电流值与FC电流指令值相比较并且根据它们之间的差校正控制阀开度。
文档编号H01M8/04GK101416340SQ200780012529
公开日2009年4月22日 申请日期2007年4月4日 优先权日2006年4月7日
发明者土屋尚久, 长沼良明 申请人:丰田自动车株式会社