CN108336380A - 燃料电池*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池***。燃料电池***的控制器被构造成：在燃料电池组的要求电力低于预定值的情形中，执行通常模式；并且在要求电力等于或高于预定值的情形中，执行高负载模式，在所述通常模式中，多个喷射器中的一个喷射器被驱动，而在所述高负载模式中，喷射器中的两个或更多个喷射器驱动。控制器被构造成在通常模式要被执行的条件下将驱动指令输出到喷射器中的每个喷射器，并且在输出驱动指令的时间点之后由压力测量仪测量到的压力低于预定阈值的情形中判定在驱动指令下驱动的一个喷射器中的关闭故障。

Description

燃料电池***
技术领域
本发明涉及一种燃料电池***。
背景技术
在日本未审专利申请公开号2014-107062(JP 2014-107062A)中，描述了一种燃料电池***，该燃料电池***依次检测用于将氢(燃料气体)供给到燃料电池组的第一喷射器和第二喷射器的打开故障。
发明内容
在该类型的燃料电池***中，假设在低负载下使用多个喷射器中的一个喷射器，并且在高负载下使用所有的喷射器。
这里，在使用所有的喷射器的高负载下，在执行在低负载下不被驱动的喷射器的故障检测的情形中，当在低负载下不被驱动的喷射器中的任意喷射器具有关闭故障时，因为在高负载下燃料消耗率相对快，所以燃料向燃料电池组中的供给是不充分的。因此，存在燃料电池组可能劣化的可能性。
本发明提供一种燃料电池***，该燃料电池***能够在检测故障时抑制不充分的燃料被供给到燃料电池组中的出现并且抑制燃料电池的劣化。
本发明的一方面涉及一种燃料电池***，该燃料电池***包括：燃料电池组；多个喷射器，所述多个喷射器被构造成将燃料气体供给到所述燃料电池组；压力测量仪，所述压力测量仪被构造成测量燃料供给流路中的压力，所述喷射器被设置在所述燃料供给流路上；以及控制器，所述控制器被构造成控制所述喷射器的操作。所述控制器被构造成通过使用用于所述喷射器的驱动指令和由所述压力测量仪测量到的压力来判定所述喷射器中的关闭故障。所述控制器被构造成：在所述燃料电池组的要求电力低于预定值的情形中，执行通常模式；并且当所述要求电力等于或高于所述预定值时，执行高负载模式，在所述通常模式中，所述喷射器中的一个喷射器被驱动，而在所述高负载模式中，所述喷射器中的两个或更多个喷射器被驱动。所述控制器被构造成在所述通常模式要被执行的条件下将驱动指令输出到所述喷射器中的每个喷射器，并且在输出所述驱动指令的时间点之后由所述压力测量仪测量到的压力低于预定阈值时判定在所述驱动指令下驱动的一个喷射器中的关闭故障。
根据该方面，在燃料气体的消耗率相对低的低负载下，能够检测在所有的喷射器中的关闭故障。因此，能够抑制在故障检测时燃料向燃料电池组的不充足供给的出现，并且由此能够抑制燃料电池的劣化。
在根据该方面的燃料电池***中，所述控制器可以被构造成在所述通常模式要被执行的条件下在将用于所述燃料电池组的燃料供给压力设定成等于或高于预定值的值之后判定所述关闭故障。
根据该方面，能够提供一种燃料电池***，该燃料电池***能够抑制在故障检测时燃料向燃料电池组的不充足的供给的出现并且抑制燃料电池的劣化。
附图说明
以下将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是示出根据实施例的燃料电池***的示意性构造的框图；并且
图2是由燃料电池***执行的关闭故障检测控制的流程图。
具体实施方式
将参考附图描述本发明的示例性实施例。在附图中，由相同的附图标记表示的元件是相同的或具有相同的构造。
首先，参考图1，将描述根据实施例的燃料电池***1的构造。根据实施例的燃料电池***1包括燃料电池组10(FC组)，向该燃料电池组供给反应气体(氧化气体和燃料气体)，并且该燃料电池组发电，并且该燃料电池组还包括：氧化气体配管***，该氧化气体配管***将作为氧化气体的空气供给到燃料电池组10；氢气配管***20，该氢气配管***将作为燃料气体的氢气供给到燃料电池组10；控制器(在该实施例中，控制器)30，该控制器执行整个***的综合控制，等。在图1中，示出了所述元件中的燃料电池组10、氢气配管***20、控制器30(控制器或操作器)。
燃料电池组10具有堆叠构造，该堆叠构造通过将被供给反应气体并且发电的要求数目的单电池堆叠起来而构成。
氢气配管***20包括：作为燃料供给源的氢罐21，该氢罐储存高压氢气；氢供给流路22(燃料供给流路)，该氢供给流路用于将在氢罐21中的氢气供给到燃料电池组10；和循环流路23，该循环流路23用于将从燃料电池组10排出的氢废气返回到氢供给流路22。
在氢供给流路22上，沿着从上游侧(氢罐21侧)朝向下游侧(FC组10侧)的方向，设置有：主截止阀24，该主截止阀24阻止或允许来自氢罐21的氢气的供给；中间减压阀25，该中间减压阀25调节氢气的压力；以及多个并联布置的喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N。测量在氢供给流路22中的氢气的压力的压力测量仪(在该实施例中，压力传感器)40被设置在喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N的下游和氢供给流路22和循环流路23的连接点的上游。
中间减压阀25是将中间减压阀25的上游侧压力(一次压力)调节到预先设定的二次压力的装置。中间减压阀25例如是减小一次压力的机械减压阀(压力调节阀、调节器)。
喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N将氢气供给到燃料电池组10。喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N是电磁驱动型开关阀，其能够通过以预定驱动周期利用电磁驱动力直接驱动阀体与阀座分离来调节气体状态，诸如气体的流量和气体的压力。通过从控制器30输出的控制信号来控制各个喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N的气体喷射时间和气体喷射正时，使得氢气的流量和压力被以高精度控制。
通过打开或关闭喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N的阀体来调节气体的流量，并且供给到喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N的下游侧的气体的压力低于供给到喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N的上游侧的气体的压力。因此，喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N能够被理解为燃料调节阀(减压阀，或调节器)。
排出流路28经由气液分离器26以及排气排水阀27被连接到循环流路23。气液分离器26从氢废气回收水分。排气排水阀27通过来自控制器30的指令进行操作以将由气液分离器26回收的水分以及在循环流路23中的含有杂质的氢废气排出(净化)到外部。
此外，循环流路23设有氢泵29，该氢泵29对循环流路23中的氢废气进行加压并且将氢废气送出到氢供给流路22侧。
控制器30控制燃料电池***1的操作。在燃料电池***1被安装在车辆中的情形中，控制器30测量设置在车辆中的加速操作装置(加速器等)的操作量，接收诸如加速要求值(例如，诸如驱动马达的负载装置要求的发电量)的控制信息，并且控制该***中的各种装置的操作。
此外，除了驱动马达之外，负载装置还是操作燃料电池组10所需的辅助装置(例如，压缩机的马达、氢泵29、冷却泵等)、在车辆的行驶中涉及的各种装置中使用的致动器(传动装置、车轮控制装置、转向装置、悬架装置等)、以及包括用于乘员空间的空调装置(空气调节器)、照明***、音频***等的功率消耗装置的集合术语。
特别地，在该实施例中，控制器30具有控制并联地布置在氢供给流路22上的喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N的操作的控制器的功能。更具体地，根据燃料电池组10的要求电力的负载水平，控制器30可以执行“喷射器驱动控制”以改变在喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N中的要被驱动的喷射器的数目。此外，控制器30具有执行“关闭故障检测控制”以通过判定在喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N中的每个喷射器中的关闭故障的出现的存在与否来检测在喷射器中的每个喷射器中的关闭故障的操作器的功能。这里，术语“关闭故障”指的是例如由于喷射器的阀体被固定到阀座等，喷射器不能从关闭状态转变到打开状态的异常。
控制器30物理上是电子电路，该电子电路主要具有已知的微型计算机，该微型计算机包括中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和界面。上述控制器30的功能中的每个功能通过加载存储在ROM中的应用程序并且通过CPU来执行应用程序以在CPU的控制下操作在车辆中的各种装置，并且从RAM或ROM读取或者在RAM或ROM上写入数据来实现。在燃料电池***1被安装在车辆中的情形中，控制器30还能够被安装作为执行车辆的各种控制的ECU的一部分。
接下来，将参考图2描述根据实施例的燃料电池***1的操作。首先，将描述上述喷射器驱动控制和关闭故障检测控制的概要。
在本实施例的燃料电池***1中，执行喷射器驱动控制，以出于通过减少在低负载下的喷射器驱动电力来提高燃料效率的目的，根据负载改变要被驱动的喷射器的数目。在喷射器驱动控制期间，在燃料电池组10的要求电力低于预定值的低负载下(例如，在平坦道路等上的通常行驶期间)，控制器30基本上通过驱动喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N中的一个喷射器来执行供给到燃料电池组10的燃料量的控制(此后，称作“通常模式”)。此外，在燃料电池组10的要求电力等于或高于预定值的高负载下(例如，在上坡道路上等的高负载行驶期间)，控制器30通过驱动喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N中的两个或更多个喷射器(例如，所有喷射器)来执行供给到燃料电池组10的燃料量的控制(此后，称作“高负载模式”)。在喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N的数目是三个或更多个的构造中，高负载模式可以被细分成多个模式，诸如使用两个喷射器的模式以及使用三个喷射器的模式。
换言之，可以说，在喷射器驱动控制期间，控制器30在燃料电池组10的要求电力的负荷减小时减少要被驱动的喷射器的数目，并且在负载增加时增加要被驱动的喷射器的数目。例如，在要求电力处于低负载区域中的情形中，仅操作在图1中示出的喷射器INJ_1。在要求电力处于中间负载区域中的情形中，除了喷射器INJ_1之外，还操作喷射器INJ_2。在要求电力处于高负载区域中的情形中，除了喷射器INJ_1和INJ_2之外，还能够操作喷射器INJ_N。
这里，为了实现燃料电池***1的成本以及变化的减少，现有的CNG喷射器等可以被用作喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N中的每一个喷射器。即，喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N可以具有相同程度的喷射性能。
在喷射器驱动控制期间，例如，在通常操作中的燃料电池组10中，在阳极处发生等式的氧化反应，并且在阴极处发生等式的还原反应。
AN:2H2→4H++4e-…(1)
CA:O2+4H+4e-→2H2O…(2)
在喷射器驱动控制期间，在存在仅在高负载下驱动的喷射器(例如，在图1中的喷射器INJ_N)的情形中，当喷射器由于被固定到关闭状态等已经发生故障时，在高负载扫描(相对快的氢消耗率)期间，存在如下可能性，即，氢的供给可能变得不足并且这可能导致燃料电池的性能降级。在氢的完全欠缺时的燃料电池组10中，催化剂支撑碳以在阳极处的等式中示出的量被氧化和还原，并且由此催化剂脱落，从而导致性能降级。在阴极处发生等式的还原反应。
AN:C+2H2O→CO2+4H++4e-…(3)
CA:O2+4H+4e-→2H2O…(4)
在该实施例中，燃料电池***1被构造成使得不发生由于氢的不充足供给导致的燃料电池的性能降级并且能够在操作期间执行并联布置的喷射器中的关闭故障的检测。具体地，控制器30仅在氢消耗率相对低的低负载下(即，在能够执行上述喷射器驱动控制的通常模式的条件下)执行关闭故障检测控制。此外，为了避免由于检测到关闭故障的喷射器的操作中的问题导致的氢的不充足供给，当执行关闭故障检测控制时，氢供给压力(燃料供给压力)被预先增加到预定值(例如，能够由控制器30指令的上限压力)。此外，在上述条件下，通过以一定时间间隔交替地操作喷射器来执行所有喷射器的故障检测。此外，通过在驱动各个喷射器的同时监测在下游侧上的压力的增加来检测喷射器中的关闭故障的存在与否。
将参考图2描述关闭故障检测控制的具体处理。通过控制器30例如以每个预定周期来执行图2的流程图中示出的处理。
在步骤S1中，控制器30判定燃料电池组10的电池组扫描电流是否低于预定的INJ异常可检测阈值。能够通过考虑例如由于喷射器的一次/二次压力差导致的流量特性、通电时间、压力传感器40的交叉以及燃料电池组10的发电电流值来确定INJ异常可检测阈值。
由于在步骤S1中的判定，在电池组扫描电流低于INJ异常可检测阈值(在步骤S1中为是)的情形中，控制器30判定燃料电池***1处于燃料电池组10的要求电力低于预定值的低负载操作中并且在执行喷射器驱动控制的通常模式的条件下，并且执行以下描述的步骤S2至S6的关闭故障检测控制。
在步骤S2中，目标喷射器下游氢压力改变到能够指令的上限压力。目标喷射器下游氢压力例如是能够通过压力传感器40来测量的在氢供给流路22的喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N的下游侧上的氢气的压力的目标值。当步骤S2的处理完成时，处理前进到步骤S3。
在步骤S3中，要被驱动的喷射器被固定为喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N中的预定喷射器INJ_*(*＝1至N)。该状态被保持预定时间，并且获得在该喷射器INJ_*的下游侧上的压力。在预定时间逝去之后，将要被驱动的喷射器改变到符号下标增加1的另一个喷射器INJ_*+1，并且在该另一个喷射器INJ_*+1的下游侧上的压力被类似地测量预定时间。执行改变喷射器直到满足*＝N并且选择了所有的喷射器。当步骤S3的处理完成时，处理前进到步骤S4。
在步骤S4中，控制器30判定在喷射器中的每个喷射器INJ_*(*＝1至N)的驱动期间该喷射器INJ_*的下游压力增加值是否高于预定的INJ操作判定阈值。
由于在步骤S4中的判定的结果，在喷射器INJ_*的驱动期间喷射器INJ_*的下游压力增加值高于预定的INJ操作判定阈值(在步骤S4中为是)的情形中，控制器30在步骤S5中判定喷射器INJ_*正常地操作。
另一方面，由于在步骤S4中的判定的结果，在喷射器INJ_*的驱动期间喷射器INJ_*的下游压力增加值等于或低于预定的INJ操作判定阈值(在步骤S4中为否)的情形中，控制器30在步骤S6中判定喷射器INJ_*具有关闭故障。当对所有的喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N执行了步骤S4至S6的判定时，控制流程结束。
由于步骤S1的判定，在电池组扫描电流等于或高于INJ异常可检测阈值(在步骤S1中为否)的情形中，控制器30判定燃料电池***1处于燃料电池组10的要求电力高于预定值的高负载操作中并且处于执行喷射器驱动控制的高负载模式的条件下，在步骤S7中判定不能够执行在喷射器中的关闭故障的检测，并且在不执行关闭故障检测控制的情况下结束控制流程。
接下来，将描述根据实施例的燃料电池***1的效果。该实施例的燃料电池***1包括：燃料电池组10；喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N，所述喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N将燃料气体供给到燃料电池组10；压力传感器40，所述压力传感器40测量设有喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N的氢供给流路22的压力；以及控制器30，该控制器30具有控制器和操作器的功能。控制器的功能是控制喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N的操作的功能。操作器的功能是使用喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N的驱动指令和通过压力传感器40测量到的压力来检测在喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N中的关闭故障的功能。作为控制器，控制器30被构造成：在燃料电池组10的要求电力低于预定值的情形中执行通常模式，在通常模式中，喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N中的一个喷射器被驱动；并且在要求电力等于或高于预定值的情形中执行高负载模式，在高负载模式中，喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N中的两个或更多个喷射器被驱动。此外，作为操作器，控制器30在能够执行通常模式的条件下将驱动指令输出到喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N中的每个喷射器，并且在输出驱动指令的时间点之后通过压力传感器40测量到的压力低于预定阈值的情形中判定在所述驱动指令下驱动的一个喷射器中的关闭故障。
利用上述构造，在作为燃料气体的氢的消耗率相对慢的低负载下，能够检测在所有的喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N中的关闭故障。因此，本实施例的燃料电池***1能够在执行关闭故障检测控制的故障检测时抑制不充足的氢供给到燃料电池组10的出现，并且由此能够抑制燃料电池的劣化。
此外，在该实施例的燃料电池***1中，作为操作器，控制器30在能够执行通常模式的条件下在将用于燃料电池组10的氢供给压力设定成等于或高于预定值(例如，上限压力)的值之后执行关闭故障的判定。
利用上述构造，能够在作为燃料气体的氢被充分地供给到燃料电池组10的状态下检测关闭故障。因此，本实施例的燃料电池***1能够在故障检测时更可靠地抑制不充足的氢供给的出现并且能够抑制燃料电池的劣化。
上述实施例旨在促进理解本发明，并且不旨在以限制的方式解释本发明。每个元件，以及元件的布置、材料、条件、形状、尺寸等不限于所例示的并且能够适当地改变。在不同的实施例中描述的构造能够被部分地取代或组合。
在实施例中，例示了如下构造，其中，压力传感器40在氢供给流路22中被设置在喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N的下游，并且通过监测在喷射器的操作期间由压力传感器40测量到的喷射器下游侧压力的变化来检测喷射器的关闭故障。然而，在氢供给流路22上的不同点处的压力也能够被用作用于关闭故障检测控制的氢气压力。例如，可以采用以下构造，其中，压力传感器40被设置在喷射器INJ_1、INJ_2…INJ_N的上游，并且通过监测在喷射器的操作期间由压力传感器40测量到的喷射器上游侧压力的变化来检测关闭故障。
此外，在实施例中，如在图1中示出的，例示了如下构造，其中，单个控制器30具有控制器和操作器两者的功能。然而，也能够采用如下构造，其中，控制器的功能和操作器的功能被安装在不同的装置中。

Claims (2)

1.一种燃料电池***，其特征在于包括：
燃料电池组；
多个喷射器，所述多个喷射器被构造成将燃料气体供给到所述燃料电池组；
压力测量仪，所述压力测量仪被构造成测量燃料供给流路中的压力，所述喷射器被设置在所述燃料供给流路上；以及
控制器，所述控制器被构造成控制所述喷射器的操作，其中：
所述控制器被构造成通过使用用于所述喷射器的驱动指令和由所述压力测量仪测量到的压力来判定所述喷射器中的关闭故障；
所述控制器被构造成：当所述燃料电池组的要求电力低于预定值时，执行通常模式；并且在所述要求电力等于或高于所述预定值的情形中，执行高负载模式，在所述通常模式中，所述喷射器中的一个喷射器被驱动，而在所述高负载模式中，所述喷射器中的两个或更多个喷射器被驱动；并且
所述控制器被构造成在所述通常模式要被执行的条件下将驱动指令输出到所述喷射器中的每个喷射器，并且在输出所述驱动指令的时间点之后由所述压力测量仪测量到的压力低于预定阈值时判定在所述驱动指令下驱动的一个喷射器中的关闭故障。
2.根据权利要求1所述的燃料电池***，其特征在于，所述控制器被构造成在所述通常模式要被执行的条件下在将用于所述燃料电池组的燃料供给压力设定成等于或高于预定值的值之后判定所述关闭故障。
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