燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
【背景技术】
[0002]在日本JP2012-106411A中，作为以往的燃料电池系统，公开了如下的燃料电池系统:对压缩机和压力调节阀进行控制，来将正极气体的流量和压力控制为目标值。
【发明内容】
[0003]在当前正在开发的燃料电池系统中，基于燃料电池的状态来设定正极气体的目标流量和目标压力，对压缩机的供给流量和压力调节阀的开度进行控制，以使得成为该目标流量和目标压力。例如，关于压缩机，基于目标流量和目标压力来控制压缩机的转速，以控制压缩机的供给流量。
[0004]另外，在当前正在开发的燃料电池系统中，正在研究实施使负极气体的压力脉动的脉动运转。在实施脉动运转的情况下，燃料电池内的负极电极侧与正极电极侧的电解质膜间的压力差(以下称为“膜间压力差”。)由于负极气体的压力发生脉动而变动。当该膜间压力差变得过大时，预想外的应力施加于电解质膜，从而成为使燃料电池劣化的重要原因。
[0005]因而，期望的是，在基于燃料电池的状态而设定的正极气体的目标压力低于从负极气体的压力减去容许膜间压力差后得到的用于膜保护的下限压力的情况下，将该用于膜保护的下限压力设定为目标压力。
[0006]然而，该用于膜保护的下限压力是基于负极气体的压力而计算得到的，因此与负极气体的压力脉动连动地脉动(增减)。
[0007]因此，当将用于膜保护的下限压力设定为正极气体的目标压力并基于该目标压力和目标流量来控制压缩机时，压缩机的转速会伴随目标压力的脉动而周期性地增减，从而存在从压缩机产生蜂鸣声(日语:5音)等异响的担忧。
[0008]本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于在基于正极气体的目标流量和目标压力来控制压缩机的燃料电池系统中抑制从压缩机产生异响。
[0009]根据本发明的某个方式，提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统具备:压缩机，其对向燃料电池供给的正极气体的流量进行调节;压力调节阀，其对向燃料电池供给的正极气体的压力进行调节;脉动运转部，其使负极气体的压力脉动；目标流量设定部，其基于燃料电池的要求来设定正极气体的目标流量;第一目标压力设定部，其基于燃料电池的要求来设定正极气体的第一目标压力；第二目标压力设定部，其设定用于将燃料电池内的负极与正极间的压力差维持在规定的容许压力差范围内的正极气体的第二目标压力；目标压力设定部，其将第一目标压力和第二目标压力中的较大一方设定为目标压力；以及控制部，其基于目标流量和目标压力来控制压缩机和压力调节阀。而且，在目标压力伴随负极气体的压力脉动而脉动时，控制部基于用于限制该目标压力的脉动的限制压力以及目标流量来控制压缩机。
【附图说明】
[0010]图1是本发明的第一实施方式的燃料电池系统的概要图。
[0011]图2是说明本发明的第一实施方式的负极气体供给控制的流程图。
[0012]图3是基于目标输出电流来计算脉动时上限目标压力和脉动时下限目标压力的表。
[0013]图4是说明本发明的第一实施方式的正极气体供给控制的框图。
[0014]图5是说明本发明的第一实施方式的负极气体供给控制和正极气体供给控制的动作的时序图。
[0015]图6是说明本发明的第二实施方式的正极气体供给控制的框图。
[0016]图7是说明本发明的第二实施方式的负极气体供给控制和正极气体供给控制的动作的时序图。
[0017]图8是说明本发明的其它实施方式的正极气体供给控制的框图。
【具体实施方式】
[0018]下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
[0019](第一实施方式)
[°02°]燃料电池通过用负极(anode)电极(燃料极)和正极(cathode)电极(氧化剂极)将电解质膜夹在中间并向负极电极供给含氢的负极气体(燃料气体)、向正极电极供给含氧的正极气体(氧化剂气体)来进行发电。在负极电极和正极电极这两个电极处进行的电极反应如下。
[0021]负极电极:2?—>4H++4e...(I)
[0022]正极电极:4H++4e+O2一^21^0...(2)
[0023]通过该(I)、(2)的电极反应，燃料电池产生I伏特左右的电动势。
[0024]在将燃料电池用作汽车用动力源的情况下，由于要求的电力大，因此作为将数百块的燃料电池层叠所得的燃料电池堆来进行使用。然后，构成向燃料电池堆供给负极气体和正极气体的燃料电池系统，取出用于驱动车辆的电力。
[0025]图1是本发明的第一实施方式的燃料电池系统100的概要图。
[0026]燃料电池系统100具备燃料电池堆1、正极气体供排装置2、负极气体供排装置3以及控制器4。
[0027]燃料电池堆I是层叠数百块燃料电池而得的，接受负极气体和正极气体的供给，来发出驱动车辆所需的电力。
[0028]正极气体供排装置2向燃料电池堆I供给正极气体(空气)，并且将从燃料电池堆I排出的正极排气排出到外部大气。正极气体供排装置2具备正极气体供给通路21、正极气体排出通路22、过滤器23、正极压缩机24、中冷器(Inter coo Ier) 25、水分回收装置(Wa terRecovery Device;以下称为“WRD”。)26、正极压力调节阀27、旁路通路28、旁路阀29、第一气流传感器41、第二气流传感器42、正极压力传感器43以及温度传感器44。
[0029]正极气体供给通路21是流通向燃料电池堆I供给的正极气体的通路。正极气体供给通路21—端连接于过滤器23，另一端连接于燃料电池堆I的正极气体入口孔。
[0030]正极气体排出通路22是流通从燃料电池堆I排出的正极排气的通路。正极气体排出通路22—端连接于燃料电池堆I的正极气体出口孔，另一端为开口端。正极排气是电极反应中未被使用的氧、正极气体中所含的氮、还有通过电极反应而产生的水蒸气等的混合气体。
[0031]过滤器23将取入到正极气体供给通路21的正极气体中的异物去除。
[0032]正极压缩机24设置于正极气体供给通路21。正极压缩机24经由过滤器23将作为正极气体的空气取入到正极气体供给通路21，供给到燃料电池堆I。
[0033]中冷器25设置于比正极压缩机24更靠下游的正极气体供给通路21。中冷器25对从正极压缩机24喷出的正极气体进行冷却。
[0034]WRD 26分别与正极气体供给通路21和正极气体排出通路22连接，回收在正极气体排出通路22中流动的正极排气中的水分，以所回收的该水分来加湿在正极气体供给通路21中流动的正极气体。
[0035]正极压力调节阀27设置于比WRD 26更靠下游的正极气体排出通路22。正极压力调节阀27由控制器4来控制开闭，将供给到燃料电池堆I的正极气体的压力调节为期望的压力。
[0036]旁路通路28是为了能够根据需要将从正极压缩机24喷出的正极气体的一部分不经由燃料电池堆I地直接排出到正极气体排出通路22而设置的通路。旁路通路28—端连接于正极压缩机24与中冷器25之间的正极气体供给通路21，另一端连接于比正极压力调节阀27更靠下游的正极气体排出通路22。
[0037]旁路阀29设置于旁路通路28。旁路阀29由控制器4来控制开闭，调节在旁路通路28中流动的正极气体的流量(以下称为“旁路流量” O )。
[0038]第一气流传感器41设置于比正极压缩机24更靠上游的正极气体供给通路21。第一气流传感器41对供给到正极压缩机24的正极气体的流量(以下称为“压缩机供给流量”。)进行检测。
[0039]第二气流传感器42设置于比与旁路通路28连接的连接部更靠下游的正极气体供给通路。第二气流传感器42对从正极压缩机24喷出的正极气体中的供给到燃料电池堆I的正极气体的流量(以下称为“堆供给流量”。)进行检测。堆供给流量是从压缩机供给流量减去旁路流量后得到的流量。
[0040]正极压力传感器43设置于WRD 26的正极气体入口侧附近的正极气体供给通路21。正极压力传感器43对WRD 26的正极气体入口侧附近的正极气