RU2692475C1 - Система топливных элементов и способ управления ею - Google Patents

Система топливных элементов и способ управления ею Download PDF

Info

Publication number
RU2692475C1
RU2692475C1 RU2018134961A RU2018134961A RU2692475C1 RU 2692475 C1 RU2692475 C1 RU 2692475C1 RU 2018134961 A RU2018134961 A RU 2018134961A RU 2018134961 A RU2018134961 A RU 2018134961A RU 2692475 C1 RU2692475 C1 RU 2692475C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel cell
compressor
cathode gas
battery
period
Prior art date
Application number
RU2018134961A
Other languages
English (en)
Inventor
Рёити НАМБА
Томотака ИСИКАВА
Original Assignee
Тойота Дзидося Кабусики Кайся
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Тойота Дзидося Кабусики Кайся filed Critical Тойота Дзидося Кабусики Кайся
Application granted granted Critical
Publication of RU2692475C1 publication Critical patent/RU2692475C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H01M16/006—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers of fuel cells with rechargeable batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04947—Power, energy, capacity or load of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системе топливных элементов, содержащей батарею топливных элементов, компрессор, который подает катодный газ на батарею топливных элементов, и контроллер, который управляет составляющими компонентами системы топливных элементов, включая компрессор. Контроллер управляет компрессором таким образом, чтобы период подачи, в течение которого компрессор подает катодный газ, и период остановки, в течение которого подача катодного газа прекращается, проявлялись поочередно, когда батарея топливных элементов не предусмотрена для генерирования электроэнергии, а период подачи был дольше, чем период остановки, и при этом расход катодного газа, подаваемого компрессором в период подачи, был меньше, чем расход в случае, когда батарея топливных элементов предусмотрена для генерирования электроэнергии. Уменьшение величины изменения напряжения батареи топливных элементов и, как следствие, снижение износа катализатора в батарее топливных элементов является техническим результатом изобретения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Изобретение относится к системе топливных элементов и способу управления этой системой топливных элементов.
2. Описание предшествующего уровня техники
[0002] В системе топливных элементов, как описано, например, в публикации японской нерассмотренной патентной заявки № 2012-89523 (JP 2012-89523 A), в условиях, когда генерирование электроэнергии остановлено в батарее топливных элементов, катодный газ периодически подается на батарею топливных элементов, даже при остановке генерирования электроэнергии, чтобы предотвратить неспособность батареи топливных элементов быстро реагировать на запрос на генерирование электроэнергии. Таким образом, напряжение единичного элемента (которое будет называться «напряжением элемента») поддерживается равным или большим, чем заранее заданное значение.
[0003] Кроме того, в системе в заявке JP 2012-89523 A воздух прерывисто подается из воздушного компрессора на батарею топливных элементов, в условиях, когда генерирование электроэнергии остановлено в батарее топливных элементов, чтобы предотвратить максимальное напряжение элемента от превышения верхнего предельного напряжения и ограничить ухудшение характеристик батареи топливных элементов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Однако, автором данного изобретения обнаружено, что в системе, описанной в JP 2012-89523 A, период времени, в течение которого воздух не подается воздушным компрессором, длиннее периода времени, в течение которого воздух подается воздушным компрессором, а объем воздуха, подаваемого за время работы воздушного компрессора, больше необходимого объема, что приводит к большим колебаниям напряжения элемента. Когда напряжение элемента велико, катализатор в батарее топливных элементов может портиться. Когда напряжение элемента невелико, батарея топливных элементов может быть неспособна быстро реагировать на запрос на генерирование электроэнергии.
[0005] Первый объект изобретения относится к системе топливных элементов, содержащей батарею топливных элементов, компрессор, который подает катодный газ на батарею топливных элементов, и контроллер, выполненный с возможностью управления составляющими компонентами системы топливных элементов, в том числе компрессором. Контроллер выполнен с возможностью управления компрессором таким образом, что период подачи, в течение которого компрессор подает катодный газ, и период остановки, в течение которого подача катодного газа прекращается, проявляется поочередно, когда батареи топливных элементов не предусмотрена для генерирования электроэнергии. Контроллер выполнен с возможностью управления компрессором таким образом, что период подачи дольше, чем период остановки, а расход катодного газа, подаваемого компрессором в период подачи, меньше, чем расход в случае, когда батарея топливных элементов предусмотрена для генерирования электроэнергии. В системе топливных элементов этого объекта изобретения, можно уменьшить величину изменения напряжения батареи топливных элементов, так что износ катализатора в батарее топливных элементов может быть ограничен, а батарея топливных элементов может быстро реагировать на запрос на генерирование электроэнергии.
[0006] Система топливных элементов может дополнительно содержать аккумуляторную батарею. Контроллер может быть выполнен с возможностью зарядки аккумуляторной батареи рекуперативной электроэнергией, генерируемой при остановке привода компрессора, в момент переключения от периода подачи к периоду остановки. При такой конфигурации системы топливных элементов, топливный КПД повышается.
[0007] Система топливных элементов может дополнительно содержать датчик напряжения, который определяет напряжение батареи топливных элементов. Контроллер может быть выполнен с возможностью управления компрессором таким образом, что компрессор подает катодный газ, когда напряжение батареи топливных элементов меньше заранее заданного напряжения, и прекращает подачу катодного газа, когда напряжение батареи топливных элементов больше, чем заранее заданное напряжение. В этой системе топливных элементов, управление компрессором осуществляется на основе заранее заданного одного напряжения; поэтому управление может быть упрощено.
[0008] Компрессор может представлять собой турбокомпрессор. Турбокомпрессор потребляет меньше энергии в начале работы и имеет лучшее быстродействие по сравнению с другими воздушными компрессорами. Таким образом, в соответствии с данной системой топливных элементов, период подачи и период остановки могут быстро переключаться друг на друга, а потребление электроэнергии может быть уменьшено, что приведет к повышению топливного КПД.
[0009] Второй объект настоящего изобретения относится к способу управления системой топливных элементов, содержащую батарею топливных элементов, а также компрессор, который подает катодный газ на батарею топливных элементов. Способ включает в себя: управление компрессором таким образом, чтобы период подачи, в течение которого компрессор подает катодный газ, и период остановки, в течение которого подача катодного газа прекращается, проявлялись поочередно, когда батарея топливных элементов не предусмотрена для выработки электроэнергии, и управление компрессором таким образом, чтобы период подачи был дольше, чем период остановки, а расход катодного газа, подаваемый компрессором в период подачи, был меньше, чем расход в случае, когда батарея топливных элементов предусмотрена для выработки электроэнергии.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Признаки, преимущества, а также техническая и промышленная значимость примерных вариантов осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы, и где:
Фиг. 1 представляет собой схематический вид, показывающий систему топливных элементов в качестве одного из вариантов осуществления изобретения;
Фиг. 2 представляет собой блок-схему управления прерывистой подачей катодного газа, выполняемой контроллером;
Фиг. 3 представляет собой временную диаграмму, обозначающую управление прерывистой подачей катодного газа; и
Фиг. 4 представляет собой блок-схему управления прерывистой подачей катодного газа согласно третьему варианту осуществления
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
A. Первый вариант осуществления
[0011] На фиг. 1 показана система 10 топливных элементов в качестве одного из вариантов осуществления изобретения. Например, система 10 топливных элементов установлена на транспортном средстве на топливных элементах. В этом варианте осуществления, система 10 топливных элементов включает в себя батарею 100 топливных элементов, контроллер 20, воздушный расходомер 32, компрессор 34, канал 60 катодного газа и канал 80 анодного газа
[0012] Батарея 100 топливных элементов представляет собой топливный элемент с полимерным электролитом, который снабжается анодным газом (например, газообразным водородом) и катодным газом (например, воздухом) в качестве реакционных газов для выработки электроэнергии. Батарея 100 топливных элементов скомпонована множеством единичных элементов (не показаны), сложенных вместе. Анодный газ подается из емкости анодного газа (не показан) и проходит через канал 80 анодного газа для подачи на анод 100а батареи 100 топливных элементов и используется для электрохимической реакции. Часть анодного газа, который не был использован для электрохимической реакции, выпускается в качестве отработанного газа наружу из батареи 100 топливных элементов. С другой стороны, катодный газ подается на катод 100c батареи 100 топливных элементов через канал 60 катодного газа, и используется для электрохимической реакции. Кислород, который не был использован для электрохимической реакции, выпускается в качестве отработанного газа наружу из батареи 100 топливных элементов.
[0013] Через канал 60 катодного газа катодный газ подается и выпускается из батареи 100 топливных элементов. Канал 60 катодного газа включает в себя канал 62 подачи катодного газа, через который катодный газ подается на батарею 100 топливных элементов, канал 64 выпуска катодного газа, через который катодный газ выпускается из батареи 100 топливных элементов, и перепускной канал 66, который сообщается с каналом 62 подачи катодного газа и каналом 64 выпуска катодного газа.
[0014] Воздушный расходомер 32, компрессор 34 и манометр 44 расположены в указанном порядке, если смотреть со стороны выше по потоку, в канале 62 подачи катодного газа. Воздушный расходомер 32 представляет собой устройство, которое измеряет расход катодного газа, подаваемого в канал 62 подачи катодного газа. Манометр 44 измеряет давление на стороне ниже по потоку от компрессора 34. В этом варианте осуществления, манометр 44 расположен выше по потоку от участка канала 62 подачи катодного газа, соединенного с перепускным каналом 66 и ниже по потоку от компрессора 34. Однако манометр 44 может быть расположен ниже по потоку от батареи 100 топливных элементов на участке канала 64 для выпуска катодного газа, который находится на стороне выше по потоку от его участка, соединенного с перепускным каналом 66.
[0015] Компрессор 34 является элементом, который подает катодный газ на батарею 100 топливных элементов. В этом варианте осуществления в качестве компрессора 34 используется турбокомпрессор. Турбокомпрессор отличается тем, что расход электроэнергии в начале работы меньше, чем у других воздушных компрессоров, и указанный компрессор срабатывает быстро на изменение своей скорости вращения. В связи с этим, например, в качестве компрессора 34 может также использоваться объемный компрессор.
[0016] В канале 60 катодного газа расположено множество клапанов. В этом варианте осуществления в канале 60 катодного газа расположены запорный клапан 36, клапан 37 регулирования давления и перепускной клапан 38. Запорный клапан 36 регулирует объем катодного газа, который поступает в батарею 100 топливных элементов. Запорный клапан 36 размещен в канале 62 подачи катодного газа и расположен ниже по потоку от его участка, соединенного с перепускным каналом 66, и выше по потоку от батареи 100 топливных элементов. Клапан 37 регулирования давления регулирует давление катодного газа на стороне ниже по потоку от батареи 100 топливных элементов. Клапан 37 регулирования давления размещен в канале 62 выпуска катодного газа и находится выше его участка, соединенного с перепускным каналом 66 и ниже по потоку от батареи 10 топливных элементов. Перепускной клапан 38 размещен в перепускном канале 66 для регулирования объема катодного газа, который проходит через перепускной канал 66.
[0017] Электрическая энергия, генерируемая батареей 100 топливных элементов, накапливается в аккумуляторной батарее 92 через преобразователь 90 постоянного тока. Различные нагрузки (не показаны) подключены к цепи питания, содержащей батарею 100 топливных элементов, преобразователь 90 постоянного тока, и аккумуляторную батарею 92. Батарея 100 топливных элементов и аккумуляторная батарея 92 также могут подавать электроэнергию на компрессор 34 и различные клапаны.
[0018] Датчик 91 напряжения определяет напряжение (которое также будет называться «напряжением FC») батареи 100 топливных элементов. В этом варианте осуществления, в качестве напряжения FC используется среднее напряжение элемента. «Среднее напряжение элемента» представляет собой значение, полученное делением напряжения на противоположных концах батареи 100 топливных элементов на количество элементов.
[0019] Контроллер 20 выполнен как компьютер, содержащий центральный процессор (ЦП), запоминающее устройство и схему сопряжения, в которую соединены вышеуказанные компоненты. Контроллер 20 выдает сигналы для управления запуском и остановкой составляющих компонентов в системе 10 топливных элементов в соответствии с командами электронного блока 21 управления (ЭБУ). ЭБУ 21 является контроллером, который управляет всей системой, включая систему 10 топливных элементов. Например, в транспортном средстве на топливных элементах ЭБУ 21 выполняет управление транспортным средством в соответствии с множеством входных значений, таких как степень нажатия на педаль акселератора, степень нажатия на педаль тормоза и скорость транспортного средства. ЭБУ 21 может быть включено в виде части функций контроллера 20. ЦП выполняет управляющие программы, хранящиеся в запоминающем устройстве, таким образом, чтобы управлять выработкой электроэнергии системой 10 топливных элементов и осуществлять управление прерывистой подачей катодного газа, которая будет описана ниже.
[0020] Контроллер 20 переключает режим работы батареи 100 топливных элементов, например, между обычным режимом работы и режимом работы с требуемым нулевым выходом. В обычном режиме работы, система 10 топливных элементов получает запрос на генерирование электроэнергии от ЭБУ 21, и система 10 топливных элементов выполняет функционирование в соответствии с требуемой электроэнергией. В режиме работы с требуемым нулевым выходом электроэнергия, которую ЭБУ 21 требует, чтобы система 10 топливных элементов генерировала, равна или меньше заранее заданного значения, а батарея 100 топливных элементов не предусмотрена для генерирования электроэнергии. Контроллер 20 переключает режим работы системы 10 топливных элементов, с нормального рабочего режима на режим работы с требуемым нулевым выходом, во время остановки транспортного средства, в которое устанавливается система 10 топливных элементов, или при низкой нагрузке, например, во время движения с небольшой скоростью. В режиме работы с требуемым нулевым выходом контроллер 20 заставляет аккумуляторную батарею подавать электроэнергию. В режиме работы с требуемым нулевым выходом контроллер 20 подает кислород на батарею 100 топливных элементов в таком объеме, чтобы напряжение батареи 100 топливных элементов попадало в заранее заданный диапазон. В этой связи во время функционирования в режиме работы с требуемым нулевым выходом малый ток может генерироваться от батареи 100 топливных элементов, предотвращая, чтобы напряжение элемента не было равным напряжению разомкнутой цепи. Этот случай также входит в режим работы с требуемым нулевым выходом. В этом варианте осуществления, контроллер 20 управляет каждой частью системы 10 топливных элементов, чтобы выполнить управление прерывистой подачей катодного газа (которая будет описана ниже), в режиме работы с требуемым нулевым выходом.
[0021] Фиг. 2 является блок-схемой управления прерывистой подачей катодного газа, выполняемой контроллером 20. Когда контроллер 20 запускает режим работы с требуемым нулевым выходом, он запускает управление прерывистой подачей катодного газа. Контроллер 20 завершает управление, показанное на фиг. 2, когда он принимает команду на остановку функционирования в режиме работы с требуемым нулевым выходом, более конкретно, когда ЭБУ 21 требует, чтобы батарея 100 топливных элементов генерировала электроэнергию. При управлении прерывистой подачей катодного газа, контроллер 20 прекращает подачу анодного газа и помещает запорный клапан 36 и клапан 37 регулирования давления в открытое состояние, при этом перепускной клапан 38 закрывается.
[0022] Когда запускается управление прерывистой подачей катодного газа, контроллер 20 сначала останавливает подачу катодного газа (этап S110). Более конкретно, контроллер 20 устанавливает расход катодного газа, подаваемого из компрессора 34, на батарею 100 топливных элементов, на ноль.
[0023] Затем контроллер 20 определяет, меньше ли напряжение FC, чем целевое напряжение V1 (этап S120). Целевое напряжение V1 является напряжением, которое может обеспечить достаточный выходной отклик, ограничивая ухудшение характеристик батареи 100 топливных элементов, и его получают заранее путем эксперимента или моделирования. В этом варианте осуществления, контроллер 20 сохраняет целевое напряжение V1 заранее. Напряжение FC определяется датчиком 91 напряжения.
[0024] Когда контроллер 20 определяет, что напряжение FC равно или больше целевого напряжения V1 (этап S120: НЕТ), управление возвращается на этап S110. С другой стороны, когда контроллер 20 определяет, что напряжение FC меньше целевого напряжения V1 (этап S120: ДА), контроллер 20 выполняет работу по подаче катодного газа (этап S130). Более конкретно, контроллер 20 заставляет компрессор 34 подавать катодный газ на батарею 100 топливных элементов. В связи с управлением прерывистой подачей катодного газа, период, в течение которого контроллер 20 заставляет компрессор 34 подавать катодный газ, будет называться «периодом P1 подачи», а период, в течение которого контроллер 20 прекращает подачу катодного газа, будет называться «периодом P2 остановки».
[0025] Расход воздуха, подаваемого компрессором 34 в период P1 подачи, меньше, чем расход воздуха, когда батарея 100 топливных элементов предусмотрена для генерирования электроэнергии. В результате, напряжение FC может быстро возрастать с меньшей вероятностью. В данном случае расход воздуха может быть измерен расходомером 32 воздуха.
[0026] В этом варианте осуществления расход воздуха, подаваемого компрессором 34 в период P1 подачи, равен или больше 0,5 Нл/мин, и равен или меньше 30 Нл/мин. Предпочтительно, чтобы расход был равен или больше 3 Нл/мин., и равен или меньше 14 Нл/мин. С другой стороны, в этом варианте осуществления, расход воздуха, когда батарея 100 топливных элементов требуется для выработки электроэнергии, равен или больше 150 Нл/мин и равен или меньше 5000 Нл/мин. В этой связи, 1 Нл/мин. означает, что воздух течет в объеме 1 л в минуту, при базовых условиях (давление: 0,1013 МПа, температура: 0°С, влажность: 0%).
[0027] В этом варианте осуществления, расход воздуха, подаваемого компрессором 34 в период P1 подачи, равен или меньше 1% от максимального расхода воздуха, когда батарея 100 топливных элементов требуется для выработки электроэнергии. В результате, напряжение FC может фактически возрастать с меньшей вероятностью, и, соответственно, повышается долговечность батареи 100 топливных элементов.
[0028] После начала подачи катодного газа (этап S130) контроллер 20 определяет, больше ли или равно напряжение FC целевому напряжению V1 (этап S140). Когда контроллер 20 определяет, что напряжение FC меньше целевого напряжения V1 (этап S140: NO), контроллер 20 продолжает подачу катодного газа (этап S130). С другой стороны, когда контроллер 20 определяет, что напряжение FC равно или больше целевого напряжения V1 (этап S140: ДА), управление возвращается на этап S110, и контроллер 20 прекращает подачу катодного газа. Контроллер 20 повторяет описанную выше последовательность этапов, пока не закончится режим работы с требуемым нулевым выходом.
[0029] Временная диаграмма на фиг. 3 представляет собой управление прерывистой подачей катодного газа. На фиг. 3 горизонтальная ось обозначает время, а вертикальная ось обозначает изменение напряжения FC в верхней части и состояние привода компрессора 34 в нижней части. На фиг. 3, показан период части управления прерывистой подачей катодного газа.
[0030] В этом варианте осуществления от момента t0 времени до момента t1 времени контроллер 20 прекращает подачу катодного газа на батарею 100 топливных элементов. В частности, контроллер 20 останавливает компрессор 34.
[0031] Затем, с момента t1 времени до момента t2 времени, напряжение FC меньше целевого напряжения V1; поэтому контроллер 20 подает катодный газ на батарею 100 топливных элементов. В частности, контроллер 20 приводит в действие компрессор 34. В данном случае период от момента t1 времени до момента t2 времени представляет собой период P1 подачи, в котором компрессор 34 приводится в действие.
[0032] Затем, в период от момента t2 времени до момента t3 времени, напряжение FC равно или больше целевого напряжения V1; поэтому контроллер 20 прекращает подачу катодного газа на батарею 100 топливных элементов. Точнее, период от момента t2 времени до момента t3 времени является периодом P2 остановки, в который компрессор 34 остановлен.
[0033] Аналогично, период от момента t3 времени до момента t4 времени представляет собой период P1 подачи, в который приводится в действие компрессор 34, а период от момента t4 времени до момента t5 времени представляет собой период P2 остановки, в котором компрессор 34 остановлен. В этом варианте осуществления один цикл, включающий в себя один период P1 подачи и один период P2 остановки, равен или длиннее двух секунд и равен или меньше пяти секунд.
[0034] Как описано выше, в период, когда батарея 100 топливных элементов не предусмотрена для генерирования электроэнергии, контроллер 20 управляет компрессором 34 таким образом, чтобы период P1 подачи и период P2 остановки проявлялись попеременно. Точнее, контроллер 20 поочередно выполняет (или переключает) подачу и остановку катодного газа компрессором 34. Так же, как показано на фиг. 3, период P1 подачи дольше, чем период P2 остановки. Прежде, чем система 10 топливных элементов будет приведена в состояние, показанное на фиг. 3, может быть период P2 остановки, который дольше, чем период P1 подачи. В частности, перед запуском первого периода P1 подачи может быть период P2 остановки, который дольше, чем период P1 подачи.
[0035] В системе 10 топливных элементов этого варианта осуществления, период P1 подачи превышает период P2 остановки, а расход воздуха, подаваемого компрессором 34 в период P1 подачи, меньше, чем расход воздуха, когда батарея 100 топливных элементов предусмотрена для выработки электроэнергии. Таким образом, согласно системе 10 топливных элементов этого варианта осуществления, скорость возрастания напряжения FC, которая увеличивается за счет воздуха, подаваемого компрессором 34, может быть снижена, так что диапазон изменения напряжения FC может быть уменьшен. В результате катализатор в батарее 100 топливных элементов с меньшей вероятностью ухудшается из-за чрезмерного увеличения напряжения FC, и батарея 100 топливных элементов может быстро реагировать на запрос о генерировании электроэнергии при наличии такого запроса. Кроме того, расход воздуха, подаваемого компрессором 34 в период P1 подачи, меньше, чем расход воздуха, когда батарея 100 топливных элементов предусмотрена для выработки электроэнергии; поэтому топливный КПД может быть повышен по сравнению со случаем, когда данные расходы воздуха установлены равными друг другу.
[0036] В системе 10 топливных элементов этого варианта осуществления период P1 подачи дольше, чем период P2 остановки. Поэтому улучшается текучесть водяного пара и воды в батарее 100 топливных элементов, при этом среда внутри системы 10 топливных элементов может оставаться благоприятной.
[0037] В системе 10 топливных элементов этого варианта осуществления контроллер 20 приводит в действие компрессор 34, когда напряжение батареи 100 топливных элементов меньше, чем заданное целевое напряжение V1, и останавливает компрессор 34, когда напряжение батареи 100 топливных элементов больше целевого напряжения V1. В то время, как целевое напряжение V1, используемое на этапе S120, и целевое напряжение V1, используемое на этапе S140, может быть установлено на различные значения, управление может быть упрощено, если целевое напряжение V1, используемое на этапе S120, и целевое напряжение V1, используемое на этапе S140, установлены на одно значение, как и в этом варианте осуществления.
[0038] В системе 10 топливных элементов этого варианта осуществления турбокомпрессор используется в качестве компрессора 34. Что касается турбокомпрессора, то потребление энергии в начале работы меньше, а быстродействие лучше, по сравнению с другими типами воздушных компрессоров. Таким образом, в соответствии с системой 10 топливных элементов, период P1 подачи и период P2 остановки можно быстро переключать, и потребление энергии может быть уменьшено, что приводит к повышению топливного КПД.
B: Второй вариант осуществления
[0039] Второй вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что контроллер 20 выполнен с возможностью зарядки аккумуляторной батареи 92 рекуперативной энергией, генерируемой при отключении привода компрессора 34, во время переключения из периода P1 подачи в период P2 остановки, однако первый и второй варианты осуществления идентичны друг другу в других аспектах. Согласно второму варианту осуществления, аккумуляторная батарея 92 заряжается рекуперативной энергией, при этом топливный КПД может быть повышен.
C: Третий вариант осуществления
[0040] Фиг. 4 представляет собой блок-схему управления прерывистой подачей катодного газа согласно третьему варианту осуществления. Третий вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления на этапе S150 и этапе S160, однако идентичен первому варианту осуществления в других аспектах.
[0041] В третьем варианте осуществления, когда контроллер 20 определяет, что напряжение FC меньше целевого напряжения V1 (этап S140: НЕТ), контроллер 20 определяет, меньше ли напряжение FC, чем нижнее предельное напряжение V2 (этап S150). Нижнее предельное напряжение V2 представляет собой напряжение, при котором катализатор, включенный в батарею 100 топливных элементов, переключается между реакцией окисления и реакцией восстановления, например, и определяется заранее путем эксперимента или моделирования. В этом варианте осуществления контроллер 20 сохраняет заранее нижнее предельное напряжение V2. В этом варианте осуществления нижнее предельное напряжение V2 меньше целевого напряжения V1.
[0042] Когда контроллер 20 определяет, что напряжение FC равно или больше, чем нижнее предельное напряжение V2 (этап S150: НЕТ), контроллер 20 продолжает подачу катодного газа (этап S130). С другой стороны, когда контроллер 20 определяет, что напряжение FC меньше, чем нижнее предельное напряжение V2 (этап S150: ДА), контроллер 20 выполняет процесс продувки (этап S160). После процесса продувки (этап S160) управление возвращается к этапу S110. В данном случае процесс продувки выполняется таким образом, чтобы уменьшить количество воды, которая существует в канале 60 катодного газа в батарее 100 топливных элементов. В этом варианте осуществления, воздух подается из компрессора 34 на батарею 100 топливных элементов при расходе, что в 10 раз превышает расход воздуха, подаваемого компрессором 34, в период P1 подачи. В этом варианте осуществления процесс продувки выполняется в течение нескольких секунд.
[0043] В третьем варианте осуществления, процесс продувки позволяет восстановить напряжение FC, уменьшенное из-за воды, которая существует в канале 60 катодного газа в батарее 100 топливных элементов.
[0044] Настоящее изобретение не ограничено вышеприведенными вариантами осуществления, однако может быть реализовано с различными конфигурациями в пределах его объема. Например, технические признаки в вариантах осуществления, которые соответствуют техническим признакам, описанным в «СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ», могут быть заменены другими признаками или объединены в соответствующих случаях, чтобы решить часть или все проблемы, упомянутые выше, или достичь части или всех результатов, упомянутых выше. Если есть какая-либо техническая особенность, которая не описана, как существенная в этом описании, указанная техническая особенность может быть удалена, если это необходимо.

Claims (16)

1. Система топливных элементов, содержащая:
батарею топливных элементов;
компрессор, который подает катодный газ на батарею топливных элементов; и
контроллер, выполненный с возможностью управления составляющими компонентами системы топливных элементов, включая компрессор,
при этом контроллер выполнен с возможностью управления компрессором таким образом, что период подачи, в течение которого компрессор подает катодный газ, и период остановки, в течение которого подача катодного газа останавливается, проявляются поочередно, когда батарея топливных элементов не предусмотрена для генерирования электроэнергии, и
контроллер, выполненный с возможностью управления компрессором таким образом, что период подачи дольше, чем период остановки, а расход катодного газа, подаваемого компрессором в период подачи, меньше, чем расход в случае, когда батарея топливных элементов предусмотрена для генерирования электроэнергии.
2. Система топливных элементов по п.1, дополнительно содержащая
аккумуляторную батарею,
при этом контроллер выполнен с возможностью зарядки аккумуляторной батареи рекуперативной электроэнергией, генерируемой при остановке привода компрессора, во время переключения от периода подачи к периоду остановки.
3. Система топливных элементов по п.1 или 2, дополнительно содержащая
датчик напряжения, который определяет напряжение батареи топливных элементов,
при этом контроллер выполнен с возможностью управления компрессором таким образом, что компрессор подает катодный газ, когда напряжение батареи топливных элементов меньше заранее заданного напряжения, и прекращает подачу катодного газа, когда напряжение батареи топливных элементов больше, чем заранее заданное напряжение.
4. Система топливных элементов по п.1 или 2, в которой упомянутый компрессор представляет собой турбокомпрессор.
5. Способ управления системой топливных элементов, содержащей батарею топливных элементов и компрессор, который подает катодный газ на батарею топливных элементов, при этом способ содержит:
управление компрессором таким образом, чтобы период подачи, в течение которого компрессор подает катодный газ, и период остановки, в течение которого подача катодного газа прекращается, проявлялись поочередно, когда батарея топливных элементов не предусмотрена для выработки электроэнергии, и
управление компрессором таким образом, чтобы период подачи был дольше, чем период остановки, а расход катодного газа, подаваемого компрессором в период подачи, был меньше, чем расход в случае, когда батарея топливных элементов предусмотрена для генерирования электрической энергии.
RU2018134961A 2017-11-09 2018-10-04 Система топливных элементов и способ управления ею RU2692475C1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017216002A JP6992420B2 (ja) 2017-11-09 2017-11-09 燃料電池システム及びその制御方法
JP2017-216002 2017-11-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2692475C1 true RU2692475C1 (ru) 2019-06-25

Family

ID=63713723

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018134961A RU2692475C1 (ru) 2017-11-09 2018-10-04 Система топливных элементов и способ управления ею

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10693160B2 (ru)
EP (1) EP3483969A1 (ru)
JP (1) JP6992420B2 (ru)
KR (1) KR102140528B1 (ru)
CN (1) CN109768305B (ru)
BR (1) BR102018071878A2 (ru)
RU (1) RU2692475C1 (ru)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7219170B2 (ja) * 2019-06-12 2023-02-07 株式会社Soken 燃料電池システム
JP7160025B2 (ja) * 2019-12-23 2022-10-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7294238B2 (ja) 2020-05-26 2023-06-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
AT523992B1 (de) * 2020-07-05 2022-06-15 Avl List Gmbh Verfahren zur Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeuges

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2361331C2 (ru) * 2005-01-11 2009-07-10 Тойота Джидоша Кабушики Кайша Батарея топливных элементов
RU2418692C2 (ru) * 2006-11-10 2011-05-20 Тойота Джидоша Кабушики Кайша Движущийся объект, оборудованный топливными элементами, и способ управления ими (варианты)
JP2012089523A (ja) * 2011-12-28 2012-05-10 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
CA2911367A1 (en) * 2014-11-14 2016-05-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and method for controlling rotational speed of air compressor
JP2016081694A (ja) * 2014-10-16 2016-05-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US20160181636A1 (en) * 2007-09-24 2016-06-23 GM Global Technology Operations LLC Open-loop system and method for fuel cell stack start-up with low-voltage source

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4182732B2 (ja) * 2002-11-22 2008-11-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム、およびこれを搭載した移動体、および燃料電池システムの制御方法
JP2005116402A (ja) * 2003-10-09 2005-04-28 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの起動方法
JP4645937B2 (ja) * 2004-05-12 2011-03-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE102007037096A1 (de) * 2007-08-07 2009-02-12 Daimler Ag Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem in einen Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems angeordneten Rezirkulationsgebläse
JP5381427B2 (ja) * 2009-07-07 2014-01-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US9444113B2 (en) * 2011-02-16 2016-09-13 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system with water production control, and vehicle equipped with the same
JP5811790B2 (ja) * 2011-11-10 2015-11-11 日産自動車株式会社 燃料電池システム
EP2779292B1 (en) * 2011-11-10 2016-08-17 Nissan Motor Co., Ltd Fuel cell system
JP5811791B2 (ja) 2011-11-10 2015-11-11 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2012134166A (ja) 2012-02-17 2012-07-12 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US9793558B2 (en) * 2012-04-06 2017-10-17 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
EP3026743B1 (en) * 2013-07-22 2018-02-21 Nissan Motor Co., Ltd Fuel cell production method and fuel cell
JP6206375B2 (ja) * 2014-11-12 2017-10-04 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池搭載車両
JP6507667B2 (ja) 2015-01-23 2019-05-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP6607404B2 (ja) * 2016-08-05 2019-11-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セルの発電検査方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2361331C2 (ru) * 2005-01-11 2009-07-10 Тойота Джидоша Кабушики Кайша Батарея топливных элементов
RU2418692C2 (ru) * 2006-11-10 2011-05-20 Тойота Джидоша Кабушики Кайша Движущийся объект, оборудованный топливными элементами, и способ управления ими (варианты)
US20160181636A1 (en) * 2007-09-24 2016-06-23 GM Global Technology Operations LLC Open-loop system and method for fuel cell stack start-up with low-voltage source
JP2012089523A (ja) * 2011-12-28 2012-05-10 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2016081694A (ja) * 2014-10-16 2016-05-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CA2911367A1 (en) * 2014-11-14 2016-05-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and method for controlling rotational speed of air compressor

Also Published As

Publication number Publication date
CN109768305A (zh) 2019-05-17
US10693160B2 (en) 2020-06-23
US20190140294A1 (en) 2019-05-09
JP2019087468A (ja) 2019-06-06
JP6992420B2 (ja) 2022-02-04
KR102140528B1 (ko) 2020-08-03
BR102018071878A2 (pt) 2019-06-04
KR20190053087A (ko) 2019-05-17
CN109768305B (zh) 2022-08-09
EP3483969A1 (en) 2019-05-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2692475C1 (ru) Система топливных элементов и способ управления ею
CN100481595C (zh) 燃料电池***以及残留燃料气体的去除方法
US10411280B2 (en) Fuel cell system and method of shutting down the same
US11705561B2 (en) Method and system for controlling hydrogen purge
RU2692478C1 (ru) Система топливных элементов и способ управления ею
US11101488B2 (en) Fuel cell system
US11171347B2 (en) Fuel cell system to control output of a fuel cell stack
KR20160056791A (ko) 연료 전지 시스템, 및 연료 전지 시스템의 제어 방법
JP2011015580A (ja) 燃料電池システムおよびその制御方法
JP2004253220A (ja) 燃料電池車両の制御装置
CN104160539A (zh) 燃料电池***以及燃料电池***的控制方法
CN101416339A (zh) 燃料电池***及其控制方法
JP2020102420A (ja) 燃料電池システム
CN101536231B (zh) 燃料电池***、燃料电池***的控制方法及移动体
US11456471B2 (en) Fuel cell system and method of controlling fuel cell system
CN113285105B (zh) 燃料电池***及其控制方法
CN113745604B (zh) 燃料电池***及其控制方法、非暂时性存储介质
JP2019079757A (ja) 燃料電池システム
JP6167864B2 (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池車両、燃料電池システムの制御方法
JP2013145709A (ja) 燃料電池システムおよびその制御方法
JP4564347B2 (ja) 燃料電池システム
JP2015170440A (ja) 燃料電池システム
JP2019087357A (ja) 燃料電池システム
JP5800279B2 (ja) 燃料電池システムおよびその制御方法
JP2021190306A (ja) 燃料電池システム