燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法_2

文档序号:9308808阅读:来源:国知局
。在阳极管路30中设置高压储气瓶31、阳极调压阀32、以及清洗阀33。在清洗阀33下游的阳极管路30与调压阀24下游的阴极管路20合流。
[0035]在高压储气瓶31中,以高压状态储藏有阳极气体(氢H2)。高压储气瓶31被设置在阳极管路30的最上游。
[0036]阳极调压阀32被设置在高压储气瓶31的下游。阳极调压阀32调整从高压储气瓶31对阳极管路30新供给的阳极气体的压力。阳极气体的压力通过阳极调压阀32的开度进行调整。
[0037]清洗阀33被设置在燃料电池组10的下游。在清洗阀33打开时,清洗阳极气体。
[0038]图2A以及图2B是说明燃料电池组中的电解质膜的反应的模式图。
[0039]燃料电池组10被供给反应气体(氢H2以及空气中的氧O2)而发电。燃料电池组10通过层积数百张在电解质膜的两面形成了阴极电极催化剂层以及阳极电极催化剂层的膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly ;MEA)而构成。图2A中不出其中I张MEA。这里,示出以下例子,即一边对MEA供给阴极气体(阴极入),从对角侧排出(阴极出),一边供给阳极气体(阳极入),从对角侧排出(阳极出)。
[0040]各个膜电极接合体(MEA)在阳极电极催化剂层以及阴极电极催化剂层中根据负载进行以下反应而发电。
[0041][化学式I]
[0042]阳极电极催化剂层:2H2— 4H ++4e…(1-1)
[0043]阴极电极催化剂层:4H++4e +O2- 2H 20…(1-2)
[0044]如图2B所示,随着反应气体(空气中的氧O2)流过阴极流路,进行上式(1-2)的反应,生成水蒸气。这样,在阴极流路的下游侧相对湿度高。其结果,阴极侧和阳极侧的相对湿度差变大。以该相对湿度差作为驱动力,水逆扩散,阳极上游侧被加湿。该水分进一步从MEA蒸发到阳极流路,加湿流过阳极流路的反应气体(氢H2)。然后,运行至阳极下游侧,加湿阳极下游的MEA。
[0045]但是,如果从压缩机21排出的阴极气体的温度过高,则有时超过压缩机下游部件的耐热温度。在这样的情况下,希望降低压缩机排出的阴极气体的温度。为了降低温度,只要降低压缩机排出的阴极气体的压力即可。如果在压缩机的出口设置温度传感器,或者设置检测压缩机的入口压力以及出口压力的传感器,则可以检测压缩机的排出温度。
[0046]但是,过度地增加传感器,将招致成本上升。
[0047]因此,在本实施方式中提供不使用压缩机下游的温度传感器或者压缩机上下游的压力传感器,而是用不同的方法限制压缩机的排出压力的对策。
[0048]以下说明具体的方法。
[0049]图3是表示本实施方式的控制内容的控制方框图。在图3中,通过控制块表示燃料电池系统的控制器所具有的功能。
[0050]目标WRD入口压力运算块BllO运算为了确保氧分压而被最低限度要求的空气压力。燃料电池组供给空气作为阴极气体。空气中的氧O2如上式(1-2)那样反应,产生发电反应。相对燃料电池组10的目标发电电流(目标组电流)越大,需要越大的发电反应,需要越多的反应气体(氢比以及空气中的氧O2)。在空气中含有氮队等,所以在该块BI 10中,运算为了确保氧分压而被最低限度要求的空气压力,以便可以确保发电反应所需要的氧02。具体地说,块BI 10根据大气压以及目标组电流,运算目标WRD入口压力。
[0051]WRD入口限制压力运算块B120运算为了压缩机排出的空气的温度不成为超过温度状态所需要的WRD23的入口的压力限制值。如上所述,在压缩机排出的空气的温度较高时,燃料电池的电解质膜容易干燥。因此,希望降低压缩机排出的空气的温度。为了降低排出空气的温度,只要降低压缩机排出的空气的压力即可。因此,在该块B120中,运算压力限制值。具体地说,块B120根据压缩机21的转速、空气温度、扭矩、大气压,运算压力限制值。进一步详细的内容在后叙述。
[0052]最小量选择块B130比较从目标WRD入口压力运算块BllO输出的目标WRD入口压力和从WRD A 口限制压力运算块B120输出的压力限制值,输出较小的一方作为目标WRD入口压力。即,只要块BllO的目标WRD入口压力大于压力限制值,就通过压力限制值进行限制。
[0053]目标组流量运算块B210运算为确保氧分压而被要求最低限度的空气流量。具体地说,块B210根据目标组电流和燃料电池组10的入口以及出口的冷却水温度,运算目标组流量。
[0054]组限制流量运算块B220按照从WRD入口限制压力运算块B120输出的限制压力,运算所要求的组提供给空气流量的限制值。具体地说,块B220根据限制压力、大气压和燃料电池组的入口以及出口的冷却水温度,运算限制流量。进一步详细的内容在后叙述。
[0055]最小量选择块B230比较从目标组流量运算块B210输出的目标组流量和从组限制流量运算块B220输出的流量限制值,输出较小的一方作为目标组提供给空气流量。S卩,如果块B210的目标组流量大于流量限制值,就通过流量限制值进行限制。
[0056]控制块B300包括:压缩机扭矩运算块B310和调压阀开度运算块B320。
[0057]压缩机扭矩运算块B310根据目标WRD入口压力、WRD入口压力传感器值、组流量传感器值和目标组流量,运算对压缩机21指令的扭矩。根据该指令值进行压缩机21。
[0058]调压阀开度运算块B320根据目标WRD入口压力、WRD入口压力传感器值、组流量传感器值和目标组流量,运算对调压阀24指令的开度。调压阀24根据该指令值进行控制。
[0059]图4是说明WRD入口限制压力运算块B120的详细的内容的图。
[0060]校正值运算块B121将ROM常数除以大气压力,求用于校正压缩机21的限制转速的校正值。在本实施方式中,为了将压缩机21的排出温度限制为一定的温度,例如200°C,根据压缩机21中产生的扭矩,限制压缩机21的转速。即使压缩机21的扭矩一定,该限制转速也因使用燃料电池系统的环境,例如大气压的不同而改变。
[0061]图5是用于说明压缩机21中吸入的阴极气体的吸气温度(入口温度)为一定的情况下的大气压和压缩机21的扭矩以及转速的相关的图。在图5中例示了在互不相同的大气压中,将压缩机21的排出温度限制为同一温度时的压缩机21的扭矩和转速的相关关系O
[0062]如图5所示,如果大气压一定,则压缩机21的扭矩越大,压缩机21的转速越大。该压缩机21的扭矩和转速的相关关系向大气压越高,压缩机21的扭矩越大的方向(图中向右方向)偏移。这样,在压缩机21的扭矩整体变大时,压缩机21的排出温度上升,所以需要将压缩机21的转速限制得低。
[0063]因此,假设以一定的扭矩驱动压缩机21的情况下,如果不是大气压越高,将压缩机21的转速限制得越低,则压缩机21的排出温度会超过上限温度。作为其要因,估计原因是大气压越高,压缩机21中吸入的阴极气体的密度越高。
[0064]作为其对策,校正值运算块B121将ROM常数除以大气压力,求校正值。ROM常数是校正压缩机21的实际扭矩时的成为基
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