CN105609843A - 燃料电池***及其单电池电压的恢复方法 - Google Patents

燃料电池***及其单电池电压的恢复方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种即使在层叠的单电池的含水量差较大且存在空气难以流动的单电池的情况下也能通过将水充分排出来使下降的电压恢复的燃料电池***及其单电池电压的恢复方法。在一部分的单电池的含水量与其他的单电池的含水量之差大于规定值的情况下使发电量增加。可以在满足了一部分的单电池的含水量与其他的单电池的含水量之差大于规定值的第一条件的情况下，使燃料电池进行发电量超过通常运转时的运转，来缩小平均单电池电压Va与最低单电池电压Vb的单电池电压差ΔV。第一条件是例如平均单电池电压Va与最低单电池电压Vb之差即单电池电压差ΔV大于第一阈值。

Description

燃料电池***及其单电池电压的恢复方法
技术领域
本发明涉及包括由多个单电池构成的燃料电池的燃料电池***的单电池电压下降时的恢复控制。
背景技术
当在构成燃料电池的单电池中过剩地蓄积水时，反应气体的供给受到抑制等而单电池电压下降。因此，在由多个单电池构成的燃料电池的一部分的单电池的电压下降了的情况下，或者在预测到会下降的情况下，通过吹出氧化气体(以下，在本说明书中也称为吹气)，将过剩地蓄积在单电池内的水排出，使单电池电压稳定(例如参照专利文献1)。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2006-294402号公报
发明内容
【发明要解决的问题】
然而，在各单电池的含水量差较多的情况下，即使吹气，有时也难以有效地排出水。即，在层叠的单电池间的含水量差较多的状态下，即使吹气，由于含水量多的单电池(换言之要排出水的单电池，通常，单电池组的端部的单电池和/或其附近的单电池相符)的压损(以流体流路的形状、流体流路的表面的平滑度、蓄积于流体流路上且阻碍流动的水等为起因，该流体具有的压力等能量被消耗或其能量消耗量)高而空气难以流动，因此也难以排出水，另一方面，对于压损少的含水量少的单电池，空气容易流动，水被过剩地排出。因此，在含水量差较多的状态下，仅是如上所述进行吹气的话，无法得到充分的排出效果，有时在吹气后的短时间内再次发生单电池电压下降。
因此，本发明目的在于提供一种即使在层叠的单电池的含水量差较大且存在空气难以流动的单电池的情况下，也能够通过将水充分排出来使下降的电压恢复的燃料电池***及其单电池电压的恢复方法。
【用于解决问题的手段】
为了解决上述课题，本发明涉及一种燃料电池***，包括由多个单电池构成的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池***具备单电池电压恢复单元，在一部分的所述单电池的含水量与其他的所述单电池的含水量之差大于规定值的情况下，所述单电池电压恢复单元使发电量增加。
若使发电量增加，则与增加的电流相应，燃料气体、氧化气体的流量也增加，较多地生成水。由此，一部分的单电池(通常是单电池组的靠中央的中央部单电池)的含水量增加。另一方面，其他的单电池(通常是单电池组的端部的单电池或其附近的单电池)的水积存，几乎不进行发电，因此含水量几乎不变化。因此，一部分的单电池与其他的单电池的含水量之差缩小，压损差减少，水容易排出。由于水容易排出，因而过剩地蓄积在单电池内的水在整体上减少，下降的单电池电压恢复。
也可以是，在满足了一部分的所述单电池的含水量与其他的所述单电池的含水量之差大于规定值的第一条件的情况下，所述单电池电压恢复单元使发电量增加到阈值以上，使所述燃料电池进行发电量超过通常运转时的运转。
所述第一条件可以是平均单电池电压Va与最低单电池电压Vb之差即单电池电压差ΔV大于第一阈值。通过这样检测单电池电压差ΔⅤ，能够掌握单电池的含水量的状态。
也可以是，在所述第一条件之后平均单电池电压Va与最低单电池电压Vb之间的单电池电压差ΔV成为所述第一阈值以下之后，所述单电池电压差ΔV小于比所述第一阈值小的第二阈值的状态持续了规定时间以上的情况下，所述单电池电压恢复单元中止单电池电压恢复控制。单电池电压差ΔV小于比第一阈值小的第二阈值的状态是指单电池电压恢复至一定程度的状态，因此通过在从此开始经过了规定时间的时刻，中止单电池电压恢复控制，能够抑制电压恢复处理完成后的多余的发电。
而且，所述第一条件可以是通过计算而求出的端部单电池含水量与中央部单电池含水量之差大于规定值。在燃料电池中，单电池组的端部单电池的含水量容易变得过剩，因此能够根据端部单电池与中央部单电池的含水量之差，判断是否应进行单电池电压恢复处理。
所述单电池电压恢复单元可以与使发电量增加同步地使所述氧化气体的流量增加。这样的情况下，能够进一步增多水的排出量。而且，通过使氧化气体流量增加能够提高流体的流放效果。
而且，本发明涉及一种燃料电池***的单电池电压的恢复方法，所述燃料电池***包括由多个单电池构成的燃料电池，其中，
在一部分的所述单电池的含水量与其他的所述单电池的含水量之差大于规定值的情况下，使发电量增加。
在该恢复方法中，可以是，在满足了一部分的所述单电池的含水量与其他的所述单电池的含水量之差大于规定值的第一条件的情况下，使所述燃料电池进行发电量超过通常运转时的运转，使平均单电池电压Va与最低单电池电压Vb之间的单电池电压差ΔV缩小。
【发明效果】
根据本发明，即使在层叠的单电池的含水量差较大且存在空气难以流动的单电池的情况下，也能够通过充分地排出水来使下降的电压恢复。
附图说明
图1是示意性地表示燃料电池***的构成例的图。
图2是表示控制部的功能构成例的框图。
图3是表示层叠的各单电池的含水量存在差异的状态的概略的图。
图4是表示单电池电压恢复处理后的各单电池的含水量的概略的图。
图5是表示单电池电压恢复处理时的平均单电池电压Va、最低单电池电压Vb以及各阈值等的坐标图。
图6是表示单电池电压恢复处理例的第一流程图。
图7是表示单电池电压恢复处理例的第二流程图。
【符号说明】
1…燃料电池***
2…燃料电池
7…单电池电压恢复单元(控制部)
21…单电池
Va…平均单电池电压
Vb…最低单电池电压
ΔV…单电池电压差
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的燃料电池***的优选的实施方式进行说明。在以下所示的实施方式中，对于作为燃料电池车辆(FCHV；FuelCellHybridVehicle)的车载发电***而使用燃料电池***的情况进行说明。需要说明的是，本发明的燃料电池***也能够应用于燃料电池车辆以外的各种移动体(机器人、船舶、飞机等)，进而，也能够应用于作为建筑物(住宅、大楼等)用的发电设备而使用的固定用发电***。
首先，参照图1，对本实施方式的燃料电池***的结构进行说明。图1是示意性地表示本实施方式的燃料电池***的结构图。
燃料电池***1具有：接受作为反应气体的氧化气体及燃料气体的供给而通过电化学反应来产生电力的燃料电池2；将作为氧化气体的空气向燃料电池2供给的氧化气体配管***3；将作为燃料气体的氢向燃料电池2供给的燃料气体配管***4；向燃料电池2循环供给冷却水的冷却***5；对***的电力进行充放电的电力***6；对***整体进行总括控制的控制部7。
燃料电池2例如是高分子电解质型燃料电池，成为层叠有多个燃料电池单电池(以下，也简称为单电池)21的堆叠结构。单电池21在由离子交换膜构成的电解质的一面具有阴极(空气极)，在另一面具有阳极(燃料极)。在包含阴极和阳极的电极中，使用以多孔的碳原料为基体的铂Pt作为催化剂(电极催化剂)。单电池21还具有从两侧夹入阴极及阳极的一对分隔件。这种情况下，向一方的分隔件的氢气流路供给氢气，向另一方的分隔件的氧化气体流路供给氧化气体，通过这些反应气体进行化学反应而产生电力。
在燃料电池2设有检测燃料电池的输出电压的电压传感器V和检测燃料电池的输出电流的电流传感器A。在燃料电池2的各单电池21设有检测单电池21的电压的单电池监测器(单电池电压检测部)170。
氧化气体配管***3具有：对经由过滤器取入的空气进行压缩，并将压缩后的空气作为氧化气体送出的压缩器31；将氧化气体向燃料电池2供给的氧化气体供给流路32；以及将从燃料电池2排出的氧化废气排出的氧化废气排出流路33。
在压缩器31的出口侧设有测定从压缩器31排出的氧化气体的流量的流量传感器F。在氧化废气排出流路33设有调整燃料电池2内的氧化气体的压力的背压阀34。在氧化废气排出流路33中的燃料电池2的出口侧设有检测燃料电池2内的氧化气体的压力的压力传感器P。
燃料气体配管***4具有：积存有高压的燃料气体的作为燃料供给源的燃料罐40；用于将燃料罐40的燃料气体向燃料电池2供给的燃料气体供给流路41；以及用于使从燃料电池2排出的燃料废气返回燃料气体供给流路41的燃料循环流路42。在燃料气体供给流路41设有将燃料气体的压力调整成预先设定的二次压的调压阀43。在燃料循环流路42设有对燃料循环流路42内的燃料废气进行加压并向燃料气体供给流路41侧送出的燃料泵44。
冷却***5具有：对冷却水进行冷却的散热器51；将冷却水向燃料电池2及散热器51循环供给的冷却水循环流路52；使冷却水循环至冷却水循环流路52的冷却水循环泵53。在散热器51设有散热器风扇54。在冷却水循环流路52中的燃料电池2的出口侧设有检测冷却水的温度的温度传感器T。需要说明的是，设置温度传感器T的位置也可以是燃料电池2的入口侧。
电力***6具有DC/DC转换器61、作为二次电池的电池62、牵引变换器63、作为电力消耗装置的牵引电动机64、未图示的各种辅机变换器等。DC/DC转换器61是直流的电压转换器，具有对从电池62输入的直流电压进行调整而向牵引变换器63侧输出的功能和对从燃料电池2或牵引电动机64输入的直流电压进行调整而向电池62输出的功能。通过这样的DC/DC转换器61的功能，实现电池62的充放电。
电池62将电池单电池层叠而将一定的高电压设为端子电压，通过未图示的电池计算机的控制能够将剩余电力充电或辅助性地供给电力。牵引变换器63将直流电流转换成三相交流，并向牵引电动机64供给。牵引电动机64例如是三相交流电动机，构成供燃料电池***1搭载的燃料电池车辆的主动力源。辅机变换器是对各电动机的驱动进行控制的电动机控制部，将直流电流转换成三相交流而向各电动机供给。
而且，在燃料电池2上连接有测定每个单电池21的电压的单电池监测器(输出电压传感器)170。单电池监测器170的设置方式没有特别限定，例如，在单电池总数为200的情况下，可以在每个单电池21设置单电池电压端子，也可以在每多个单电池21设置1个单电池电压端子，还可以是两者混杂。作为一例，在每个单电池21设有单电池电压端子的单电池监测器170能够按每个单电池来监测单电池电压，通过合计这些各单电池的电压，能够监测燃料电池2的总电压。
控制部7测定设于燃料电池车辆的加速操作构件(例如，加速器)的操作量，接受加速要求值(例如，来自牵引电动机64等电力消耗装置的要求发电量)等的控制信息，控制***内的各种设备的动作。需要说明的是，电力消耗装置除了包括牵引电动机64之外，还包括例如为了使燃料电池2工作所需的辅机装置(例如压缩器31和/或燃料泵44、冷却水循环泵53的电动机等)、与车辆的行驶相关的各种装置(变速器、车轮控制装置、转向装置、悬架装置等)所使用的致动器、乘员空间的空调装置(空调)、照明、音频设备等。
控制部7在物理上具有例如CPU、存储器以及输入输出接口。在存储器中包括例如存储由CPU处理的控制程序和/或控制数据的ROM和/或主要被使用作为控制处理用的各种作业区域的RAM。这些要素相互经由总线而连接。在输入输出接口连接有电压传感器V、电流传感器A、压力传感器P、温度传感器T及流量传感器F等各种传感器，并且连接有用于使压缩器31、燃料泵44及冷却水循环泵53等驱动的各种驱动器。
CPU按照存储于ROM的控制程序，经由输入输出接口，接收各种传感器的测定结果，使用RAM内的各种数据等进行处理，由此执行各种控制处理。而且，CPU通过经由输入输出接口向各种驱动器输出控制信号，由此对燃料电池***1整体进行控制。以下，对由第一实施方式的控制部7进行的含水状态判定处理进行说明。需要说明的是，第一实施方式的含水状态判定处理在通常运转时执行。燃料电池的运转状态包括通常运转和间歇运转。间歇运转是仅利用从电池62供给的电力使燃料电池车辆行驶的运转模式，通常运转是间歇运转以外的运转模式。
如图2所示，控制部7在功能上具有输出电流控制部71(输出电流控制单元)、单电池电压判定部72以及空气流量增加处理部(含水量差减少单元)73。
输出电流控制部71使燃料电池2的输出电流暂时增加。
单电池电压判定部72判定由单电池监测器检测到的、平均电压与最低单电池电压Vb之差是否达到规定的阈值以上。
输出电流控制部71在通过单电池电压判定部72判定为上述电压差为阈值以上的情况下，为了使燃料电池2内的含水量差减少而执行阈值以上的发电。
空气流量增加处理部73在通过单电池电压判定部72判定为上述电压差为阈值以上的情况下，与发电量的增加同步地，为了高效率地减少燃料电池2内的含水量差而执行空气流量的增加处理。
接下来，对在本实施方式的燃料电池***中所执行的单电池电压恢复处理(参照图3～图7)进行说明。本实施方式的燃料电池***1通过作为单电池电压下降检测单元并且作为单电池电压恢复单元发挥功能的控制部7，在满足了规定的条件的情况下进行单电池电压恢复处理。
图3是表示层叠的各单电池的含水量存在差异的状态的概略的图，图4是表示本实施方式的单电池电压恢复处理后的各单电池的含水量的概略的图。图5是表示单电池电压恢复处理时的平均单电池电压Va、最低单电池电压Vb以及各阈值等的坐标图。图6是表示单电池电压恢复处理例的第一流程图，图7是表示单电池电压恢复处理例的第二流程图。需要说明的是，这些图6及图7所示的单电池电压恢复处理是能够并行地执行的处理，例如，在点火钥匙为ON时开始，反复执行至运转结束为止。
控制部7按照图6所示的处理流程，首先算出由单电池监测器170检测到的单电池电压的平均值(平均单电池电压Va)与最低单电池电压Vb之差，并将其作为单电池电压差ΔⅤ(步骤SP101)。接下来，判断单电池电压差ΔⅤ是否超过第一阈值(步骤SP102)。在此，第一阈值是满足一部分的单电池21的含水量与其他的单电池21的含水量之差大于规定值的条件(第一条件)的值，更详细而言，如下所述。
即，层叠多个单电池21而成的燃料电池组的端部单电池(位于单电池层叠方向的端部的多个单电池)21容易通过散热而冷却，因此水容易冷凝，单电池含水量容易增加(参照图3)。当单电池含水量增加而变得过剩时，单电池电压下降。而且，当单电池含水量增加时，压损升高，因此即使吹气也难以将过剩地蓄积在端部单电池21内的水充分排出，不仅如此，还有时空气流向不太想要排出水的单电池(即，含水量为通常或比通常少的中央部单电池)，将水过剩排出而容易干燥。考虑到以上情况，在本实施方式中，将与一部分的单电池21的含水量与其他的单电池21的含水量之差大于规定值的条件(第一条件)相符的电压差设为第一阈值(参照图5)。需要说明的是，根据图5的记载内容可知，在此所说的“第一阈值”由电压的幅度(以平均单电池电压Va为基准的电压差的大小)表示(关于后述的“第二阈值”也同样)。若例示的话，第一阈值的大小为0.2V，但这只不过是一例，能够适当设定。
在单电池电压差ΔⅤ超过了该第一阈值的情况下(步骤SP102为“是”)，控制部7将单电池电压恢复控制标志激活(步骤SP103)，返回步骤SP101而重复进行处理(参照图6)。
而且，控制部7按照与上述的处理流程(图6)并行地实施的另一处理流程(参照图7)来判断单电池电压恢复控制标志是否激活(步骤SP201)，若标志激活，则作为单电池电压恢复单元发挥功能，作出FC电流要求而使燃料电池2进行剩余发电(电流扫引)，而且，作出吹气的空气量的增加要求(步骤SP202)。另一方面，若单电池电压恢复控制标志未激活，则FC电流要求和空气增加要求都不实施，返回步骤SP201而重复进行处理(步骤SP203)。
控制部7作出FC电流要求而使燃料电池2进行剩余发电时，通过发电而生成水，各单电池间的含水量之差缩小(参照图4)。即，单电池21间的压损差减少，因此在此状态下增加吹气的空气量时，能够高效率地排出水。若能够高效率地排出水，则由于含水量增加的影响而下降的最低单电池电压Vb快速上升(参照图5)。
而且，控制部7继续按照图6所示的流程，重复进行单电池电压差ΔⅤ是否超过第一阈值的判断(步骤SP102)。若伴随最低单电池电压Vb的上升而单电池电压差ΔⅤ成为第一阈值以下(步骤SP102为“否”)，判断是否为“单电池电压恢复控制标志＝激活”且“‘ΔⅤ<第二阈值’的持续时间>第三阈值”(步骤SP104)。
在此，第二阈值是设定为比上述的第一阈值的幅度小的电压幅度(以平均单电池电压Va为基准的电压差的大小)的阈值(参照图5)。第三阈值是决定是否结束单电池电压恢复控制标志的值，表示成为“ΔⅤ<第二阈值”起的规定时间。控制部7在“单电池电压恢复控制标志＝激活”且“‘ΔⅤ<第二阈值’的持续时间>第三阈值”时(步骤SP104为“是”)，将单电池电压恢复控制标志设为非激活(步骤SP105)。这样，在满足步骤SP104的条件时，将单电池电压恢复控制标志设为非激活而适时停止剩余发电，由此能够抑制电压恢复处理完成后的多余的发电。
另一方面，若不是“单电池电压恢复控制标志＝激活”且“‘ΔⅤ<第二阈值’的持续时间>第三阈值”(步骤SP104为“否”)，则返回步骤SP101而重复进行处理。而且，在步骤SP105中将单电池电压恢复控制标志设为非激活之后，也返回步骤SP101而重复进行处理(参照图6)。
如到此为止所说明那样，在本实施方式中，在一部分的单电池21的电压下降时(单电池21的电压下降尤其容易由低负载(例如输出10～20A)引起，这是由于，相对于因含水量增加而增加的压损，利用低负载时的空气流量的话无法向单电池21压入流体)，仅通过增加发电量(例如，50A×10秒)就能得到缩小含水量差的效果和流放效果。更具体而言，通过进行燃料电池2的剩余发电来生成水，由此来增加对发电进行贡献的中央部单电池21的含水量，缩小与原本含水量多的端部单电池21的含水量差，减少压损差而成为容易排出水的状态。通过从设为这样的状态起使水有效地排出，能够使下降了的单电池电压恢复。
需要说明的是，上述的实施方式是本发明的优选实施的一例，但没有限定于此，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变形实施。例如在本实施方式中，利用由单电池监测器170检测到的单电池电压的平均值(平均单电池电压Va)和最低单电池电压Vb，来检测燃料电池2的电压下降，但也可以使用除此以外的手段，例如通过计算各单电池21的含水量来预测电压下降的手段。若是上述的燃料电池***1，则能够通过参照各种映射判定含水状态的控制部7的功能来计算含水量，根据含水量的差量(偏差)，在燃料电池2中预测电压下降。这种情况下，上述的第一条件可以设为通过计算求出的端部单电池的含水量与中央部单电池的含水量之差变得比规定值大。
而且，在上述的实施方式中，将燃料电池2的位于单电池层叠方向上的两端部或其附近的多个单电池称为端部单电池，将其余的单电池称为中央部单电池而进行了说明，但这是由于端部附近的单电池的含水量容易变多而相反从端部离开的靠中央的单电池存在含水量减少的倾向而简便地进行称呼，并不意图明确地划分它们的边界。这是例如从根据平均单电池电压Va和最低单电池电压Vb来检测燃料电池2的电压下降这样的在此之前的说明的内容来看也明确可知的，不需要对这些端部单电池、中央部单电池的具体内容进行定义。
【产业上的可利用性】
本发明优选应用于使氢气与氧化气体反应来产生电力的燃料电池***。

Claims (8)

1.一种燃料电池***，包括由多个单电池构成的燃料电池，其特征在于，
所述燃料电池***具备单电池电压恢复单元，在一部分的所述单电池的含水量与其他的所述单电池的含水量之差大于规定值的情况下，所述单电池电压恢复单元使发电量增加。
2.根据权利要求1所述的燃料电池***，其特征在于，
在满足了一部分的所述单电池的含水量与其他的所述单电池的含水量之差大于规定值的第一条件的情况下，所述单电池电压恢复单元使所述燃料电池进行发电量超过通常运转时的运转。
3.根据权利要求2所述的燃料电池***，其中，
所述第一条件是平均单电池电压Va与最低单电池电压Vb之差即单电池电压差ΔV大于第一阈值。
4.根据权利要求3所述的燃料电池***，其中，
在所述第一条件之后平均单电池电压Va与最低单电池电压Vb之间的单电池电压差ΔV成为所述第一阈值以下之后，所述单电池电压差ΔV小于比所述第一阈值小的第二阈值的状态持续了规定时间以上的情况下，所述单电池电压恢复单元中止单电池电压恢复控制。
5.根据权利要求2所述的燃料电池***，其中，
所述第一条件是通过计算而求出的端部单电池含水量与中央部单电池含水量之差大于规定值。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池***，其中，
所述单电池电压恢复单元与使发电量增加同步地使所述氧化气体的流量增加。
7.一种燃料电池***的单电池电压的恢复方法，所述燃料电池***包括由多个单电池构成的燃料电池，其中，
在一部分的所述单电池的含水量与其他的所述单电池的含水量之差大于规定值的情况下，使发电量增加。
8.根据权利要求7所述的燃料电池***的单电池电压的恢复方法，其中，
在满足了一部分的所述单电池的含水量与其他的所述单电池的含水量之差大于规定值的第一条件的情况下，使所述燃料电池进行发电量超过通常运转时的运转，使平均单电池电压Va与最低单电池电压Vb之间的单电池电压差ΔV缩小。
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