燃料电池系统和用于运行该系统的方法

专利名称：燃料电池系统和用于运行该系统的方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统和用于运行该系统的方法，在该燃料电 池系统中，燃料电池的气体供应通道设有喷射器。
背景技术：
目前，包括接收反应气体(燃料气体和氧化气体)供应以产生电力的 燃料电池的燃料电池系统已被提出并且投入实际使用。这种燃料电池 系统设有用于向燃料电池供应从燃料供应源例如氢罐供应的燃料气体 的燃料供应通道。
而且，通常，燃料供应通道设有压力调节阀(调整器)，在供应压力 显著较高的情形中，该压力调节阀将来自燃料供应源的燃料气体的供
应压力减小为恒定值(例如，见日本专利申请公开No.2004-342386)。

发明内容
然而，在专利文献1中披露的压力调节阀中，由于阔的结构，燃 料气体的供应压力是固定的，从而难以基于运行状态快速地改变燃料 气体的供应压力(g卩，响应性低)，并且不能执行用于在多个阶段中改变 目标压力的这种精确压力调节。
而且，在该燃料电池系统中，即使在运行状态下，整个系统的噪 音水平显著较低，从而当在每一个运行器件中产生运行声音时，根据 情况，声音可能是刺耳的噪音。因此，存在对如下系统的需求，在该 系统中能够基于燃料电池的运行状态适当地改变燃料气体的供应压 力，并且在该系统中能够抑制噪音的感知。
已经鉴于这种状态研制本发明，并且本发明的目的在于提供一 种高响应的燃料电池系统，其中能够基于燃料电池的运行状态适当地 改变燃料气体的供应压力，并且其中操作员不容易担心运行声音；以 及一种用于运行该系统的方法。
为了实现以上目的，根据本发明的燃料电池系统是如下燃料电池 系统，它包括燃料电池，所述燃料电池接收气体的供应以发电；喷 射器，所述喷射器设于所述燃料电池的气体供应通道中，并且所述喷 射器调节所述气体供应通道的上游侧上的气体的状态以将气体供应到 下游侧；和控制装置，所述控制装置用于驱动并控制所述喷射器，所 述控制装置被构成为根据包括所述燃料电池系统的相关器件的驱动状 态控制所述喷射器的运行。
根据这种构造，能够基于燃料电池的运行状态(由燃料电池产生的 电量(功率、电流和电压)、燃料电池的温度、燃料电池系统的异常状态、 燃料电池主体的异常状态等)设定运行状态(喷射器的阀体的打开比率 (气体通过面积)和喷射器的阀体的打开时间(气体喷射时间)等)。因此， 能够基于燃料电池的运行状态适当地改变燃料气体的气体状态(供应压 力)，从而能够提高响应性。
应该指出"气体状态"是气体的状态(流量、压力、温度、分子浓 度等)，并且特别地包括气体流量和气体压力中的至少一种。
而且，该控制装置基于包括燃料电池系统的相关器件的驱动状态 控制喷射器的运行，从而喷射器能够例如在喷射器的运行声音不易于 变得刺耳的状态下运行，并且能够防止喷射器的运行声音变得刺耳。
包括燃料电池系统的相关器件对应于例如包括燃料电池系统的周 围电子器件。在该情形中，该电子器件的实例包括泵、马达和风扇。 当燃料电池系统被安装在移动体上时，电子器件可被视为牵引马达、逆变器、转换器等。
喷射器的运行控制为例如允许或者限制(禁止)喷射器的运行、改变 喷射器的驱动周期等。例如，由于相关器件(例如，泵)的脉动引起的噪 音频率与喷射器的驱动频率匹配，喷射器在来自相关器件的辐射声音
的峰值下运行，或者在来自相关器件的辐射声音具有预定值或更小的 情形中限制(禁止)喷射器的运行。
在该燃料电池系统中，所述控制装置根据随着所述相关器件的驱 动而产生的辐射声音控制所述喷射器的运行。
当采用这种构造时，例如，喷射器的运行声音被叠加在来自相关 器件的辐射声音上，由此喷射器的运行声音能够被来自相关器件的辐 射声音隐藏或者遮掩，并且能够防止喷射器的运行声音变得刺耳。
作为相关器件，例如，可以应用向燃料电池供应流体的泵。作为 该泵，可以应用空气压縮机，所述空气压縮机将压力下的氧化气体馈 送到所述燃料电池。
而且，当燃料电池系统被安装在移动体上时，作为相关器件的驱 动状态，可以应用用于冷却所述燃料电池或马达的风扇、或用于从乘 客室中的空调器吹送空气的吹风机的运行状态。
当采用这种构造时，例如，喷射器的运行声音被叠加在来自风扇 等的辐射声音上，由此喷射器的运行声音可被来自风扇等的辐射声音 隐藏或者遮掩，并且能够防止喷射器的运行声音变得刺耳。
而且，当燃料电池系统被安装在移动体上时，作为相关器件的驱 动状态，可以应用移动体的移动状态，例如移动速度或者加速状态。
在采用这种构造的情形中，当移动速度高时，运行喷射器，由此 喷射器的运行声音可被行驶声音(例如，在道路上轮胎的噪音或者嘶嘶 声)隐藏或者遮掩，并且能够防止该运行声音变得刺耳。
进而，喷射器在加速状态，即，在加速期间的环境中运行，其中 根据移动体的移动(加速)产生的嘶嘶声、在制动期间的噪音等的产生等 不易被觉察，由此能够防止该运行声音变得刺耳。应该指出移动体的 加速状态相对于燃料电池的产生的电流、连接到燃料电池的电子负载 (例如，马达)的所需负载(需要产生的电量)或者加速器打开比率相关， 从而可以基于这些因素中的至少一种控制喷射器的运行。
另外，在该燃料电池系统中，控制装置可以基于来自所述相关器 件的辐射声音的频率控制所述喷射器的驱动频率。
当采用这种构造时，例如，喷射器的驱动频率与来自相关器件的 辐射声音的频率匹配，或者来自相关器件的辐射声音的频率被设定为 喷射器的驱动频率的整数倍，由此喷射器的运行声音可被来自相关器 件的辐射声音隐藏或者遮掩，并且能够防止喷射器的运行声音变得刺 耳。
而且，例如，喷射器的驱动频率的相位从来自相关器件的辐射声 音的相位适当地移位，即，在噪音的产生不易被察觉的环境中运行喷 射器，由此喷射器的运行声音不被察觉，并且能够防止喷射器的运行 声音变得刺耳。
在该燃料电池系统中，该控制装置可以基于包括燃料电池系统的 相关器件的驱动状态改变喷射器的压力偏差的容许范围。
为了改变压力偏差的容许范围，例如，可以将第一控制状态改变 为第二控制状态，在所述第一控制状态下，基于所述喷射器的次级压
力的探测值和目标控制值之间的偏差对所述喷射器的开闭操作进行反 馈控制，在所述第二控制状态下，在所述喷射器的次级压力降低到预 定下限压力时，禁止执行所述反馈控制，以将压力升高到预定目标压 力。
而且，为了改变压力偏差的容许范围，例如，可以将第一控制状 态改变为第二状态，在所述第一控制状态下，当在所述喷射器的次级 压力的探测值和目标控制值之间的偏差小于预定值时，所述偏差被视 为"0"、而当所述偏差具有所述预定值或更大时，基于所述偏差对所 述喷射器的开闭操作进行反馈控制，在所述第二状态下，与所述第一 控制状态相比，所述预定值增大。
当如上所述改变压力偏差的容许范围时，喷射器的运行次数降低， 并且作为结果，能够禁止产生刺耳的运行声音。
进而，当燃料电池系统被安装在移动体上时，控制装置可以仅仅 在移动体的怠速运行期间改变喷射器的压力偏差的容许范围。
当采用这种构造时，在与另一运行状态相比，在具有高度安静的 怠速运行期间能够减小喷射器的运行次数。
在根据相关器件的驱动产生的辐射声音被减小的情形中，控制装 置可以禁止所述喷射器的运行，直至所述喷射器的次级压力降低到预 定下限压力为止。
当采用这种构造时，在需要较高安静程度的情形中喷射器的运行 次数能够被减小。
而且，当喷射器的次级压力降低到所述下限压力时，控制装置可 以允许所述喷射器的运行以将所述次级压力升高到预定压力。 当采用这种构造时，然后可以获得从当喷射器的次级压力升高到 预定压力时到当次级压力降低到所述下限压力时的时间，并且最终喷 射器的运行次数可被减小。
本发明的燃料电池系统是一种安装在移动体上的燃料电池系统， 包括燃料电池，所述燃料电池接收气体的供应以发电；喷射器，所 述喷射器设于所述燃料电池的气体供应通道中，并且所述喷射器调节 所述气体供应通道的上游侧上的气体的状态以将气体供应到下游侧； 和控制装置，所述控制装置用于基于所述移动体的移动状态控制所述 喷射器的运行。
而且，该喷射器可包括内部通道，所述内部通道将所述喷射器 的上游侧连接到所述喷射器的下游侧；阀体，所述阀体以可移动方式 布置在所述内部通道中，并且其中基于所述阀体的移动位置改变所述 内部通道的开口面积；和阔体驱动部分，所述阀体驱动部分用电磁驱 动力驱动所述阀体。
根据本发明的用于运行燃料电池系统的方法是用于运行如下燃料 电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池和喷射器，所述燃 料电池接收气体的供应以发电，所述喷射器设于所述燃料电池的气体 供应通道中，并且所述喷射器调节所述气体供应通道的上游侧上的气 体的状态以将气体供应到下游侧，所述方法包括根据包括所述燃料 电池系统的相关器件的驱动状态控制所述喷射器的运行。
根据这种构造，该喷射器例如在喷射器的运行声音不易变得刺耳 的状态下运行，由此能够防止喷射器的运行声音变得刺耳。
根据本发明，能够提供 一种高响应性的燃料电池系统，其中燃 料气体的供应压力能够基于燃料电池的运行状态而被适当地改变，并且其中操作员不易担心喷射器的运行声音，还能够提供一种用于运行 该系统的方法。


图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的构造图表；
图2是示出图1所示燃料电池系统的控制器件的控制构造的控制
框图3是图1所示燃料电池系统的喷射器的截面视图4是示出图1所示燃料电池系统的控制器件的控制构造的时间
表；
图5是示出图1所示燃料电池系统的控制器件的控制构造的时间
表；
图6是示出图1所示燃料电池系统的运行方法的时间表； 图7是示出图1所示燃料电池系统的修改的构造图表；和 图8是示出图l所示燃料电池系统的修改的构造图表。
具体实施例方式
下面将参考附图描述根据本发明实施例的燃料电池系统1。在该 实施例中，将描述这样一个实例，其中本发明被应用于燃料电池车辆(移 动体)的车载发电系统。
首先，参考图1描述根据本发明实施例的燃料电池系统1的构造。 如图1所示，根据该实施例的燃料电池系统1包括接收反应气体
(氧化气体和燃料气体)供应以发电的燃料电池io，并且该系统还包括向
燃料电池10供应作为氧化气体的空气的氧化气体管道系统2、向燃料 电池10供应作为燃料气体的氢气的氢气管道系统3， 一体地控制整个 系统的控制器件(控制装置)4等。
燃料电池10具有叠层机构，其中用于接收反应气体供应以产生电
力的所需数目的单体电池被层叠。由燃料电池io产生的电力被供应到
电力控制单元(PCU)ll。
PCU 11包括在燃料电池IO和牵引马达12之
间布置的逆变器、DC-DC转换器等。而且，在发电期间探测电流的电 流传感器13被附连于燃料电池10。
氧化气体管道系统2包括向燃料电池10供应利用增湿器20增湿 的氧化气体(空气)的空气供应通道21、向增湿器20引导从燃料电池10 排放的氧化废气的空气排放通道22，和用于从增湿器20引导氧化废气 的排气通道23。空气供应通道21设有从大气吸取氧化气体以在压力下 将该气体馈送到增湿器20的空气压縮机24。
氢气管道系统3包括存储高压(例如，70MPa)氢气的作为燃料供应 源的氢罐30、用于向燃料电池10供应氢罐30的氢气的作为燃料供应 通道的氢供应通道31，和用于向氢供应通道31返回从燃料电池10排 放的氢废气的循环通道32。氢气管道系统3是本发明燃料供应系统的 一个实施例。
应该指出，作为氢罐30的替代，从烃基燃料形成富氢重整气体的 重整器，和将由该重整器形成的重整气体带入高压状态以积聚压力的 高压气体罐可被釆用作为燃料供应源。可替代地，具有氢夹附合金的 罐可被采用作为燃料供应源。
氢供应通道31设有关闭或者允许从氢罐30供应氢气的截流阀33、 调节氢气压力的调整器34和喷射器35。在喷射器35的上游侧上，设 置分别地探测氢供应通道31中的氢气的压力和温度的初级压力传感器 41和温度传感器42。进而，在喷射器35的下游侧上，该下游侧是氢 供应通道31和循环通道32的结合部分的上游侧，设置探测氢供应通 道31中的氢气的压力的次级压力传感器43。
调整器34是将调整器的上游压力(初级压力)调节为预设的次级压
力的器件。在本实施例中，降低初级压力的机械压力降低阀被采用作 为调整器34。作为机械压力降低阀的结构，可以采用已知结构，它具 有外壳，该外壳设有由隔膜形成的背压腔室和压力调节腔室，并且其 中由于背压腔室中的背压，初级压力被降低到预定压力以在压力调节 腔室中形成次级压力。
在该实施例中，如图1所示，在喷射器35的上游侧上布置两个调
整器34，由此喷射器35的上游压力可被有效地降低。因此，可提高喷 射器35的机械结构(阀体、外壳、通道、驱动器件等)的设计自由度。
而且，喷射器35的上游压力可被降低，从而可防止由于在喷射器 35上游压力和下游压力之间的压力差升高导致喷射器35的阀体不易于 移动。因此，喷射器35的下游压力的可变压力调节范围可被加宽，并 且可以抑制喷射器35的响应性能的降低。
喷射器35是电磁驱动类型打开/关闭阀，其中阀体在预定驱动周 期中被电磁驱动力直接地驱动并且脱离阀座，由此气体状态例如气体 流量或者气体压力可被调节。喷射器35包括具有喷射气体燃料例如氢 气的喷射孔的阀座，并且还包括向喷射孔供应并且引导气体燃料的喷 嘴体，以及相对于该喷嘴体以可移动方式接收并且保持在轴向方向(气 体流动方向)以打开和关闭喷射孔的阀体。
在该实施例中，喷射器35的阀体通过螺线管驱动，该螺线管是一 种电磁驱动器件，并且供应到该螺线管的类似脉冲的激励电流可被接 通或者断开以在两级、多级、连续(无级)方式或者线性方式中切换每一 个喷射孔的开口面积。
基于从控制器件4输出的控制信号控制喷射器35的气体喷射时间 和气体喷射时刻，由此氢气的流量和压力被精确地控制。在喷射器35 中，阀(阀体和阀座)利用电磁驱动力被直接驱动以打开或者关闭，并且
阀驱动周期可被控制为高度响应性区域，从而喷射器具有高响应性能。
在喷射器35中，为了以所需流量将气体供应到喷射器下游侧，设 于喷射器35的气体通道中的阀体的开口面积(打开比率)和打开时间中
的至少一个被改变，由此将被供应到下游侧(燃料电池IO侧)的气体的
流量(或者氢摩尔浓度)被调节。
应该指出喷射器35的阀体被打开或者关闭以调节气体流量，并且 与喷射器35上游侧上的气体压力相比，被供应到喷射器35的下游侧 的气体压力被降低，从而喷射器35可视为压力调节阀(压力降低阀、调 整器)。而且，在该实施例中，喷射器可被视为可变压力调节阀，它能 够改变喷射器35的上游气体压力的调节量(降低量)从而该压力满足基 于气体需求在预定压力范围中的所需压力。
应该指出在本实施例中，如图1所示，喷射器35被布置在氢供应 通道31与循环通道32的结合部分Al的上游侧上。而且，如图1中虚 线所示，在多个氢罐30被采用作为燃料供应源的情形中，喷射器35 被布置在从氢罐30供应的氢气相结合的部分(氢气结合部分A2)的下游
循环通道32经由气体-液体分离器36和废气排放阀37被连接到 排放通道38。气体-液体分离器36从氢废气收集水分。废气排放阀37 基于来自控制器件4的命令运行以从该系统排放(清除)由气体-液体分 离器36收集到的水分和循环通道32中的包括杂质的氢废气。
而且，循环通道32设有加压循环通道32中的氢废气以朝向氢供 应通道31馈送气体的氢泵39。应该指出排放通道38中的气体被稀释 器40稀释以加入排气通道23中的气体。应该指出经由废气排放阀37 和排放通道38排放的氢废气被稀释器40稀释以加入排气通道23中的 氧化废气。控制器件4探测设于车辆中的加速运行器件(加速器等)的操作量， 并且接收控制信息例如所需加速值(例如，负载器件例如牵引马达12 的所需发电量)以控制该系统中的各种单元的运行。
应该指出负载器件是普通耗电器件，除了牵引马达12，包括运行
燃料电池IO所要求的辅助器件(例如，压縮机24、氢泵39、冷却泵的 马达等)、用于与车辆行驶有关的任何类型的器件(变速齿轮、车轮控制 器件、操纵器件、悬挂器件等)中的致动器、乘客空间的空气调节器件(空 调器)、照明或者音响。
在这些器件或者附属器件中，根据驱动产生辐射声音的器件相应 于本发明的相关器件，但是所述器件不限于所示意的器件。
控制器件4由计算机系统(未示出)构成。这种计算机系统由CPU、 ROM、 RAM、 HDD、输入/输出接口、显示器等构成，并且CPU读出 在ROM中记录的任何类型的控制程序以执行该程序，由此实现各种控 制操作。
特别地，如图2所示，控制器件4基于燃料电池10的运行状态(由 电流传感器13探测到的在燃料电池IO发电期间的电流值)计算由燃料 电池10消耗的氢气量(在下面称为"氢消耗")(燃料消耗计算功能Bl)。 在该实施例中，通过使用特殊计算公式对于控制器件4的每一次计算 周期计算和更新氢消耗，该公式示意在燃料电池10的电流值和氢消耗 之间的关系。
而且，控制器件4基于燃料电池10的运行状态(由电流传感器13 探测到的在燃料电池10发电期间的电流值)计算在喷射器35的下游位 置中氢气的目标压力值(关于燃料电池10的目标气体供应压力)(目标压 力值计算功能B2)。在该实施例中，对于控制器件4的每一次计算周 期通过使用特殊映射计算和更新在布置次级压力传感器43的位置(作 为在其中需要压力调节的位置的压力调节位置)中的目标压力值，该映 射示意在燃料电池10的电流值和目标压力值之间的关系。
进而，控制器件4基于在计算目标压力值和由次级压力传感器43 探测到的喷射器35的下游位置(压力调节位置)中的探测压力值之间的 偏差计算反馈校正流量(反馈校正流量计算功能B3)。反馈校正流量是 被添加到氢消耗从而减小在目标压力值和探测压力值之间的偏差的氢 气流量(压力差减小校正流量)。在该实施例中，通过使用PI控制等的 目标跟踪型控制对于控制器件4的每一次计算周期计算和更新反馈校 正流量。
另外，控制器件4计算相应于在前计算的目标压力值和当前计算 的目标压力值之间的偏差的前馈校正流量(前馈校正流量计算功能 B4)。前馈校正流量是由于目标压力值的波动引起的氢气流量的波动(压 力差对应的校正流量)。在该实施例中，通过使用特殊计算公式对于控 制器件4的每一次计算周期计算和更新前馈校正流量，该公式示意在 目标压力值偏差和前馈校正流量之间的关系。
而且，控制器件4基于喷射器35的上游气体状态(由初级压力传 感器41探测的氢气压力和温度传感器42探测的氢气温度)计算喷射器 35的上游静态流量(静态流量计算功能B5)。在本实施例中，通过使 用特殊计算公式对于控制器件4的每一次计算周期计算和更新静态流 量，该公式示意在喷射器35的上游氢气压力和温度与静态流量之间的 关系。
进而，控制器件4基于喷射器35的上游气体状态(氢气的压力和 温度)和施加的电压计算喷射器35的无效喷射时间(无效喷射时间计算 功能B6)。这里，无效喷射时间是从当喷射器35从控制器件4接收 控制信号时的时间到当实际开始喷射时的时间所需要的时间。在本实 施例中，通过使用特殊映射对于控制器件4的每一次计算周期计算和 更新无效喷射时间，该映射示意在喷射器35上游侧上的氢气的压力和 温度、所施加的电压和无效喷射时间之间的关系。
另外，控制器件4将氢消耗、反馈校正流量和前馈校正流量相加
以计算喷射器35的喷射流量(喷射流量计算功能B7)。随后，控制器 件4利用喷射器35的驱动周期乘以通过将喷射器35的喷射流量除以 静态流量获得的值以计算喷射器35的基本喷射时间，并且将这个基本 喷射时间和无效喷射时间相加以计算喷射器35的总喷射时间(总喷射 时间计算功能B8)。这里，驱动周期是示意喷射器35的喷射孔的打 开/关闭状态的阶跃(开/关)的波形周期。在本实施例中，控制器件4将 驱动周期设定为恒定值。
然后，控制器件4输出用于实现通过上述过程计算的喷射器35的 总喷射时间的控制信号，由此控制喷射器35的气体喷射时间和气体喷 射时刻以调节被供应到燃料电池10的氢气的流量和压力。
在燃料电池系统1的正常运行期间，氢气经由氢供应通道31从氢 罐30被供应到燃料电池10的燃料电极，并且加湿并被调节的空气经 由空气供应通道21被供应到燃料电池10的氧化电极，以发电。在该 情形中，由控制器件4计算从燃料电池IO取出的电力(所需电力)，并 且氢气和空气按照相应于发电量的量被供应到燃料电池10。在本实施 例中，在这种正常运行期间被供应到燃料电池10的氢气的压力被精确 控制。
上述喷射器35具有图3所示结构，并且具有金属制成的柱体54， 该柱体构成氢供应通道(气体供应通道)31的一个部分并且设有内部通 道53，该内部通道具有在氢供应通道31的氢罐30 —侧上布置的一个 端口部分51和在氢供应通道31的燃料电池IO—侧上布置的另一端口 部分52。该柱体54设有连接到端口部分51的第一通路部分56，连接
到该第一通路部分56的与端口部分51相对的一侧并且具有比第一通
路部分56的直径更大的直径的第二通路部分57，连接到该第二通路部 分57的与第一通路部分56相对的一个部分并且具有比第二通路部分 57的直径更大的直径的第三通道部分58，和连接到该第三通道部分58 的与第二通路部分57相对的一个部分并且具有比第二通路部分57和 第三通道部分58的直径更小的直径的第四通道部分59，并且这些部分 构成内部通道53。
而且，喷射器35具有由可被密封部件构成的阀座61，它被设置 成围绕第四通道部分59在第三通道部分58侧上的开口；金属制成的 阀体65，它具有以可移动方式插入第二通路部分57中的柱形部分62 和具有比布置在第三通道部分58中的第二通路部分57的直径更大的 直径的斜面部分63，该斜面部分63设有倾斜通孔64;弹簧67，其一 端插入阔体65的柱形部分62中并且另一端与在第一通路部分56中形 成的定位器66接合以允许阀体65抵靠阀座61，由此封闭内部通道53; 和螺线管(电磁驱动器件、闽体驱动部分)69，它抵抗弹簧67的压迫力 移动阀体65直至阀体抵靠第三通道部分58的在第二通路部分57 —侧 上的阶形部分68为止，由此阀体65远离阀座61以连接通孔64中的 内部通道53。
如上所述，在喷射器35中，在用于连接内部通道53的驱动期间， 金属制阀体65在金属制柱体54中移动以抵靠在柱体54的阶形部分68 上，从而产生运行声音。这种运行声音对于操作员例如根据情况为驾 驶员或者乘客而言变得刺耳。具体地，该实施例的喷射器35是在高频 下驱动的电磁驱动系统的气体状态可变供应器件，从而喷射器的运行 声音是显著的噪音。
为了解决该问题，在该实施例中，在满足上述控制条件时，控制 器件4如下根据相关器件的驱动状态驱动和控制喷射器35。例如，控 制器件根据作为辅助器件的一种的空气压縮机(相关器件，泵)24的运行
状态驱动和控制喷射器35。 g卩，空气压縮机24产生抽吸和排放的脉动 以产生相应于这种脉动的运行声音(辐射声音)。
特别地，在根式空气压縮机中，在1600转期间以40Hz的频率、 在1200转期间以80Hz的频率、和在1800转期间以120Hz的频率产生 旋转第四或者第八运行声音。在蜗旋式空气压縮机中，在1600转期间 以10Hz的频率、在1200转期间以20Hz的频率和在1800转期间以30Hz 的频率产生旋转基本运行声音。在使用四齿转子和六齿转子的螺杆式 空气压縮机中，在1600转期间以60Hz的频率、在1200转期间以120Hz 的频率和在1800转期间以180Hz的频率产生旋转第六运行声音。因此， 基于空气压縮机24的运行声音的这种频率，在例如大约100Hz或者更 低的频率下驱动喷射器35。
在基于伴随示意空气压縮机24运行状态的空气压缩机24的脉动 的运行声音的频率控制喷射器35的驱动频率的情形中，例如，利用喷 射器35的驱动频率制造包括相位的空气压缩机24的运行声音的频率 (由于泵脉动引起的噪音频率)。
艮P，在示于图4(a)的频率下产生空气压縮机24的运行声音的情形 中，如图4(b)所示，在空气压縮机24的运行声音峰值处，在空气压縮 机24的运行声音升高的时刻tl处驱动喷射器35，并且在空气压縮机 24的噪音水平降低之前在时刻t2处停止喷射器35的驱动。
艮P，喷射器35的驱动频率匹配空气压縮机24的运行声音的频率， 由此喷射器35的阀可被打开同时空气压缩机24发出声音。结果，喷 射器35的运行声音被发出更大运行声音的空气压縮机24的运行声音 掩盖，并且乘客不能听到。这里，在空气压縮机24的运行声音的升高 时刻驱动喷射器35的情形中，当噪音最大时在驱动期间的喷射器35 的噪音可被更加有效地掩盖。而且，当基于空气压縮机24的运行声音的频率控制喷射器35的
驱动频率时，空气压缩机24的运行声音的频率被设定为喷射器35的 驱动频率的整数倍，并且相位匹配。
艮P，如图4(c)所示，每隔空气压縮机24产生一次运行声音就执行 控制从而在空气压縮机24的运行声音的峰值处，在空气压縮机24运 行声音的升高时刻tl驱动喷射器35，并且在空气压縮机24的运行声 音的降低时刻t3停止喷射器35的驱动。此时，当空气压縮机24发出 声音时，喷射器35的阀保持打开，由此喷射量增加。
结果，喷射器35可被驱动从而空气压縮机24的运行声音的频率 变为喷射器35驱动频率的整数倍(在图4(c)中两倍)，由此喷射器35的 运行声音可被空气压縮机24的运行声音以与上述相同的方式隐藏或者 遮掩，并且能够防止喷射器35的运行声音变得刺耳。另外，喷射器35 的驱动次数可被减小，并且能够进一步防止喷射器35的运行声音变得 刺耳。
进而，在基于空气压縮机24运行声音的频率控制喷射器35的驱 动频率的情形中，例如，空气压縮机24的运行声音的频率被设定为等 于喷射器35的驱动频率，并且相位适当地移动。例如，如图4(d)所示， 例如，喷射器35的驱动频率的相位从空气压縮机24的运行声音的相 位移动从而在空气压縮机24运行声音的峰值产生间隔(t4和t5)之间产 生运行声音。
如上所述，喷射器35运行从而运行声音与空气压縮机24的运行 声音一起周期性地稳定地产生。即，可在其中噪音产生不易被觉察的 环境中运行喷射器35，由此喷射器35的运行声音不被注意，并且能够 防止喷射器35的运行声音变得刺耳。
应该指出喷射器35可被驱动从而在空气压縮机24的运行声音的
产生间隔之间产生运行声音，但是只要空气压縮机24的运行声音被消 除，则可以基本在该间隔的中心驱动喷射器。
而且，当空气压縮机24的运行声音较小时，例如，当车辆速度低 于预定值时和/或当如在怠速运行中燃料电池10产生的电流低于预定 值时，关于燃料电池10的负载请求(所需发电)较小。即使当氢气和空
气的压力稍微改变时，发电稳定性也不受影响。结果，在空气压縮机
24的这种驱动状态下可以禁止(限制)喷射器35的运行。
艮口，当空气压縮机24的运行声音具有预定值或者更低时，喷射器 35的喷射被禁止，而当空气压縮机24的运行声音超过预定值时，喷射 器被正常驱动，由此喷射器35的运行声音可被空气压縮机24的运行 声音掩盖。在与另一运行状态相比，如在怠速运行中安静程度较高的 状态下，这种噪音对策是特别有效的。
然而，喷射器35喷射的禁止不能被继续保持。因此，当空气压縮 机24的运行声音具有预定值或者更低时，监视探测氢供应通道31中 的氢气的压力的次级压力传感器43。在次级压力传感器43探测的氢供 应通道31中的氢气的压力为预定压力或者更低的情形中，在用于驱动 喷射器35的这种控制期间，放松控制从而次级压力传感器43探测的 氢供应通道31中的氢气的压力偏差的容许范围尽可能变大。
作为其中放松控制从而扩大压力偏差的容许范围的一个实例，首 先，其中基于在由次级压力传感器43探测的次级压力的当前值(探测值) 和如在正常控制中的目标值(目标控制值)之间的压力偏差对喷射器35 的打开/关闭运行进行反馈控制的第一控制状态有时被改变为其中这种 反馈控制的执行被毅然禁止以当喷射器35的次级压力被降低到预定下 限压力时将次级压力升高到预定目标压力的第二控制状态。
而且，作为第二实例，其中当在喷射器35的探测的次级压力的当前值(探测值)和目标值(目标控制值)之间的压力偏差低于预定值时该偏 差被视为"0"，而当该偏差具有预定值或者更高时对喷射器35的打开 /关闭运行进行反馈控制的第一控制状态有时被改变为其中与第一控制
状态相比，预定值增加，换言之，其中压力偏差被强制地视为"o"的死
区变宽的第二状态。
进而，作为第三实例，其中喷射器35的打开/关闭运行被控制从 而喷射器35的驱动周期(基本周期)是恒定的第一控制状态有时被改变 为第二控制状态，其中与该第一控制状态相比喷射器35每驱动周期的 喷射量被强制地增加(或者喷射时间延长)。
然后，作为第四实例，其中喷射器35的打开/关闭运行被控制从 而喷射器35每一驱动周期(基本周期)的喷射量或者喷射时间变得恒定 的第一控制状态有时被改变为第二控制状态，其中与第一控制状态相 比一个驱动周期(基本周期)被强制延长。
下面，例如，将具体描述第一实例。在示于图5(a)的正常控制期 间，喷射器35基于在当前值和目标值之间的压力偏差在时间tll和t12 之间被驱动(喷射)。利用这种驱动，在氢供应通道31中的氢气的压力 升高，如图所示。在另一方面，在示于图5(b)的第一实例中，由于基于 上述压力偏差的反馈控制，喷射器35未被驱动，直至时间tl3为止， 此时氢供应通道31中的氢气压力降低到预定下限值P^然而，氢气压 力降低到下限值Pp在时间t13和t14之间驱动喷射器35。
然后，当在该驱动期间(tl3和tl4)氢供应通道31中的氢气的压力 尽可能被升高时(升高到例如预定上限值(预定目标压力)PH)，可以获得 时间t15直至压力然后降低到预定下限值Pl以重新开始驱动喷射器35。 因此，可减小喷射器35发出运行声音的次数，并且能够防止运行声音 变得剌耳。即使在该情形中，当空气压縮机24的运行声音超过预定值时，喷
射器35被正常驱动，由此喷射器35的运行声音可被空气压縮机24的 运行声音掩盖。
如上所述，当空气压縮机24的运行声音较小时，即，如图6所示， 当空气压縮机24的运行声音小于预定下限值(步骤Sl)时，控制被放松 以尽可能扩大压力偏差的容许范围(步骤S2)。在喷射器35的驱动次数 减小的情形中，当加速器每单位时间打开比率被增加为超过预定上限 值时(步骤S3:是)，压力偏差的容许范围被设定为正常设置(步骤S4)， 并且喷射器35可以正常进行喷射。
艮口，其中基于加速器打开比率，压力偏差容许范围被设置得较大 的步骤S2的控制可被取消。在该情形中，能够防止在车辆加速期间气 体压力的降低，并且可以改进加速响应性和产品特性。显然，即使在 当空气压縮机24的运行声音较小时禁止喷射器35驱动的情形中，也 可以基于加速器打开比率取消这种禁止。
应该指出在正常控制期间，如上所述，基于由喷射器35的探测次 级压力的"当前值减去目标值"获得的压力偏差进行反馈控制，并且当改 变目标控制值时使得该值尽可能接近目标值。然而，如上所述，当空 气压縮机24的运行声音较小时，燃料电池10的负载需求(发电需求) 较小。有时假定即使当氢气和空气的压力稍微改变时，发电稳定性也 不受影响。为解决该问题，在这种情形中，控制状态可从正常控制时 间如第一控制状态转换为其中与正常控制时间相比压力控制范围变宽 的第二控制状态。
例如，在压力偏差的绝对值是预定值或者更低而目标压力调节宽 度最大化的情形中，其中压力偏差被视为"O"的死区扩大，并且与正常 控制相比压力控制范围变宽，由此可以获得类似于以上效果的效果。 该实例相应于其中控制被放松以扩大压力偏差的容许范围的第二实
例。
进而，空气压縮机24的运行声音的幅度基本上具有关于车辆速度
成比例的关系，从而可以使用车辆速度而非空气压縮机24的运行声音， 并且可以基于该车辆速度控制喷射器35的运行。g卩，当车辆速度较低 时，空气压縮机24的运行声音较小，并且行驶声音较小。因此，在车 辆速度具有预定值或者更低的情形中，禁止喷射器35喷射，或者控制 被放松从而尽可能放大压力偏差的容许范围，由此减小喷射器35的喷 射次数。
在另一方面，当车辆速度增加时，空气压縮机24的运行声音的幅 度扩大，并且行驶声音例如在道路上轮胎的噪音或者嘶嘶声扩大。因 此，即使在车辆速度超过预定值并且喷射器35被正常驱动的情形中， 喷射器35的运行声音也可被空气压縮机24的运行声音或者运转声音 掩盖。因此，能够防止运行声音变得刺耳。
车辆速度基本具有关于喷射器35的喷射次数和空气压縮机24的 旋转数成比例的关系，从而存在易于执行协作控制的优点。应该指出， 根据车辆，确定行驶声音或者空气压縮机24的运行声音较大，从而可 以根据车辆选择喷射器35的运行声音主要被行驶声音或者空气压縮机 24的运行声音掩盖。
而且，能够产生这种较大运行声音从而掩盖喷射器35的驱动声音 的车辆辅助器件的实例包括空气压縮机24，另外地，从车辆室中的空 调器(空气调节器件)吹送空气的吹风机，或者在车辆室外部对用于燃料 电池IO的冷却水进行冷却的散热器风扇。因此，能够基于这些器件而 非空气压縮机24的运行状态，g卩，空调器的吹风机的运行声音(吹送声 音)或者散热器风扇的运行声音，以与上述相同的方式控制喷射器35 的运行。然而，空气压縮机24的运行声音通常最大，从而可以根据空 气压縮机24的运行状态控制喷射器。进而，空气压縮机24的运行声音的幅度基本具有关于燃料电池 10产生的电流成比例的关系，并且也基本具有关于马达的所需负载， 即，加速器打开比率(加速/减速状态)成比例的关系，从而应用加速器
打开比率替代空气压縮机24的运行声音，并且可以基于该加速器打开 比率控制喷射器35的运行。
艮口，当加速器打开比率小时，空气压縮机24的运行声音小，从而 在加速器打开比率具有预定值或者更低的情形中，禁止喷射器35喷射， 或者控制被放松从而尽可能扩大压力偏差的容许范围，由此减小喷射 器35的喷射次数。
在另一方面，当加速器打开比率增加时，空气压縮机24的运行声 音的幅度扩大。因此，即使在当加速器打开比率超过预定值时喷射器 35被正常驱动的情形中，喷射器35的运行声音可被空气压縮机24的 运行声音掩盖。
因此，能够防止该运行声音变得刺耳。加速器打开比率基本具有 关于喷射器35的喷射次数和空气压縮机24的旋转数成比例的关系， 从而存在易于执行协作控制的优点。
应该指出在设有包括燃料电池10和蓄电池的两种电源的混合系 统中，燃料电池IO产生的电流有时关于马达的所需负载，g卩，加速器 打开比率不具有任何比例关系。然而，即使在该情形中，当加速器打 开比率较大时，即，喷射器35在其中不易于担心噪音产生的加速期间 的环境中运行，由此能够防止该运行声音变得刺耳。
应该指出在燃料电池10完成暖机之后(在释放输出限制之后)执行 上述控制。这是因为，在暖机之前，在燃料电池10中未看到关于压力 的任何发电鲁棒性，并且难以施加控制。在根据该实施例的上述燃料电池系统1中，可以基于燃料电池10 的运行状态(在发电期间的电流值)设定喷射器的35的运行状态(喷射时
间)。因此，基于燃料电池IO的运行状态，氢气的供应压力可被适当地 改变，并且可以改进响应性。而且，喷射器35被采用作为氢气的流量 调节阀和可变压力调节阀，从而可以执行精确的压力调节(到燃料电池 IO的氢气的供应压力的调节)。
艮P，喷射器35能够基于燃料电池10的运行状态从控制器件4接 收控制信号以调节氢气的喷射时间和喷射时刻，从而与传统机械可变 压力调节阀相比可以更加快速地和准确地执行压力调节。而且，与传 统机械可变压力调节阀相比，喷射器35是小型的、重量轻的和廉价的， 从而可以实现微型化的和廉价的整体构造。
而且，在根据上述实施例的燃料电池系统1中，控制器件4基于 相关器件的驱动状态控制喷射器35的运行，从而可在其中例如喷射器 35的运行声音不易变得刺耳的状态下运行喷射器35，并且能够防止喷 射器35的运行声音变得剌耳。
艮口，控制器件4基于空气压缩机24的运行状态控制喷射器35的 运行，由此，例如，喷射器35的运行声音被叠加在空气压縮机24的 运行声音上。结果，喷射器35的运行声音可被空气压缩机24的运行 声音隐藏或者遮掩，并且能够防止喷射器24的运行声音变得刺耳。
控制器件4可以基于空调器的运行状态控制喷射器35的运行。在 该情形中，例如，当喷射器35的运行声音被叠加在空调器的运行声音 时，喷射器35的运行声音可被空调器的运行声音隐藏或者遮掩，从而 能够防止喷射器35的运行声音变得刺耳。
而且，控制器件4可以基于散热器风扇的运行状态控制喷射器35
的运行。在该情形中，例如，当喷射器35的运行声音被叠加在散热器 风扇的运行声音时，喷射器35的运行声音可被散热器风扇的运行声音
隐藏或者遮掩，从而能够防止喷射器35的运行声音变得刺耳。
进而，在根据上述实施例的燃料电池系统1中，在系统被安装在
移动体的情形中，控制器件4能够基于车辆速度控制喷射器35的运行。 因此，例如，当车辆速度较高时，喷射器35运行，由此喷射器35的 运行声音可被移动体的行驶声音隐藏或者遮掩，并且能够防止该运行 声音变得刺耳。
另外，在根据上述实施例的燃料电池系统1中，在系统安装在移 动体上的情形中，控制器件4能够基于加速器打开比率(加速/减速状态) 控制喷射器35的运行，从而喷射器35例如在当加速器打开比率较大 时即在噪音产生不易被担心的加速期间的环境中运行。结果，能够防 止该运行声音变得刺耳。
而且，在根据上述实施例的燃料电池系统1中，控制器件4能够 基于作为辅助器件的空气压縮机24的运行声音的频率控制喷射器24 的驱动频率，从而，例如，喷射器35的驱动频率匹配空气压縮机24 的运行声音的频率，或者空气压縮机24的运行声音的频率被设定为喷 射器35的驱动频率的整数倍。结果，喷射器35的运行声音可被空气 压縮机24的运行声音隐藏或者遮掩，由此能够防止喷射器35的运行 声音变得刺耳。
进而，喷射器35例如在喷射器35的驱动频率的相位从空气压縮 机24的运行声音的相位适当地移动的情形中即在噪音产生不易被担心 的环境中运行。结果，喷射器35的运行声音不被注意到，并且能够防 止喷射器35的运行声音变得刺耳。
应该指出在以上实施例中，已经根据设于燃料电池系统的氢供应 通道31中的喷射器的实例描述了喷射器。然而，本发明可应用于任何 其它喷射器，只要该喷射器设于燃料电池系统的气体供应通道中。
如例如图7所示，在用于向燃料电池IO供应氧化气体(空气)的空 气供应通道21设有增湿水供应喷射器71而非增湿器20的情形中，本 发明可被应用于这种喷射器。可替代地，如图8所示，在用于向燃料 电池10供应氢气的氢供应通道31设有气动调整器72而非喷射器的情 形中，本发明可被应用于阴极空气供应喷射器73以用于利用空气压力 等控制该气动调整器72的氢压力。
而且，在以上实施例中，已经描述了其中根据本发明的燃料电池 系统被安装在燃料电池车辆上的一个实例，但是根据本发明的燃料电 池系统可被安装在除了燃料电池车辆的任何类型的移动体(机器人、船、 飞机等)上。根据本发明的燃料电池系统可被应用于用作用于建筑(房 屋、大厦等)的发电设备的固定发电系统。
工业实用性
本发明可被广泛应用于燃料电池系统(或者用于运行该系统的方 法)，它是高度响应性的并且能够基于燃料电池的运行状态适当地改变 燃料气体的供应压力，并且其中运行者不易担心喷射器的运行声音。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括燃料电池，所述燃料电池接收气体的供应以发电；喷射器，所述喷射器设于所述燃料电池的气体供应通道中，并且所述喷射器调节所述气体供应通道的上游侧上的气体的状态以将气体供应到下游侧；和控制装置，所述控制装置用于驱动并控制所述喷射器，所述控制装置被构成为根据包括所述燃料电池系统的相关器件的驱动状态控制所述喷射器的运行。
2. 根据权利要求l的燃料电池系统，其中所述控制装置根据随着 所述相关器件的驱动而产生的辐射声音控制所述喷射器的运行。
3. 根据权利要求2的燃料电池系统，其中所述相关器件是泵，所述泵将流体供应到所述燃料电池。
4. 根据权利要求3的燃料电池系统，其中所述泵是空气压縮机， 所述空气压縮机将压力下的氧化气体馈送到所述燃料电池。
5. 根据权利要求1的燃料电池系统，所述燃料电池系统被安装在 移动体上，其中所述相关器件的驱动状态是所述移动体的乘客室中的 空调器的运行状态。
6. 根据权利要求1的燃料电池系统，所述燃料电池系统被安装在 移动体上，其中所述相关器件的驱动状态是用于冷却所述燃料电池或 马达的风扇、或用于从乘客室中的空调器吹送空气的吹风机的运行状 态。
7. 根据权利要求1的燃料电池系统，所述燃料电池系统被安装在 移动体上，其中所述相关器件的驱动状态是所述移动体的移动状态。
8. 根据权利要求7的燃料电池系统，其中所述移动体的移动状态 是移动速度。
9. 根据权利要求7的燃料电池系统，其中所述移动体的移动状态是加速状态。
10. 根据权利要求2的燃料电池系统，其中所述控制装置基于来 自所述相关器件的辐射声音的频率控制所述喷射器的驱动频率。
11. 根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述控制装置基于包 括所述燃料电池系统的所述相关器件的驱动状态改变所述喷射器的压 力偏差的容许范围。
12. 根据权利要求ll的燃料电池系统，所述燃料电池系统被安装 在移动体上，其中所述控制装置仅在所述移动体的怠速运行期间改变所述喷射 器的压力偏差的容许范围。
13. 根据权利要求ll的燃料电池系统，其中为了改变压力偏差的 容许范围，将第一控制状态改变为第二控制状态，在所述第一控制状 态下，基于所述喷射器的次级压力的探测值和目标控制值之间的偏差 对所述喷射器的开闭操作进行反馈控制，在所述第二控制状态下，在 所述喷射器的次级压力降低到预定下限压力时，禁止执行所述反馈控 制，以将压力升高到预定目标压力。
14. 根据权利要求11的燃料电池系统，其中为了改变压力偏差的 容许范围，将第一控制状态改变为第二状态，在所述第一控制状态下， 当在所述喷射器的次级压力的探测值和目标控制值之间的偏差小于预 定值时，所述偏差被视为"0"、而当所述偏差具有所述预定值或更大时，基于所述偏差对所述喷射器的开闭操作进行反馈控制，在所述第 二状态下，与所述第一控制状态相比，所述预定值增大。
15. 根据权利要求2的燃料电池系统，其中在随着所述相关器件 的驱动产生的所述辐射声音减小的情形中，所述控制装置禁止所述喷 射器的运行，直至所述喷射器的次级压力降低到预定下限压力为止。
16. 根据权利要求15的燃料电池系统，其中当所述喷射器的次级压力降低到所述下限压力时，所述控制装置允许所述喷射器的运行以 将所述次级压力升高到预定压力。
17. —种安装在移动体上的燃料电池系统，包括燃料电池，所 述燃料电池接收气体的供应以发电；喷射器，所述喷射器设于所述燃 料电池的气体供应通道中，并且所述喷射器调节所述气体供应通道的 上游侧上的气体的状态以将气体供应到下游侧；和控制装置，所述控 制装置用于基于所述移动体的移动状态控制所述喷射器的运行。
18. 根据权利要求1到17中任一项的燃料电池系统，其中所述喷 射器包括内部通道，所述内部通道将所述喷射器的上游侧连接到所 述喷射器的下游侧；阔体，所述阀体以可移动方式布置在所述内部通 道中，并且其中基于所述阀体的移动位置改变所述内部通道的开口面 积；和阀体驱动部分，所述阀体驱动部分用电磁驱动力驱动所述阀体。
19. 一种用于运行燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括 燃料电池和喷射器，所述燃料电池接收气体的供应以发电，所述喷射 器设于所述燃料电池的气体供应通道中，并且所述喷射器调节所述气 体供应通道的上游侧上的气体的状态以将气体供应到下游侧，所述方 法包括根据包括所述燃料电池系统的相关器件的驱动状态控制所述喷射 器的运行。
全文摘要
本发明是一种燃料电池系统(1)，包括燃料电池(10)；喷射器(35)，所述喷射器设于燃料电池(10)的氢供应通道(31)中，并且所述喷射器调节氢供应通道的上游侧的气体状态以向下游侧供应气体；控制器件(4)，所述控制器件(4)驱动和控制喷射器(35)。控制器件(4)基于包括燃料电池系统(1)的相关器件的驱动状态控制喷射器(35)的运行。
文档编号H01M8/00GK101341619SQ200680048049
公开日2009年1月7日 申请日期2006年11月22日 优先权日2005年12月19日
发明者堀田明寿, 山岸典生, 片野刚司, 石河统将 申请人:丰田自动车株式会社