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燃料电池系统的制作方法

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本申请以2019年7月16日在日本提出申请的专利申请第2019-131253号为基础,将基础申请的全部内容作为参照援用于此。

技术领域

本说明书中的发明涉及一种燃料电池系统。

背景技术

专利文献1公开了一种计算燃料电池的含水量并控制燃料电池内的含水量的燃料电池监视装置。燃料电池监视装置通过对燃料电池的输出信号叠加不同频率的信号来计算燃料电池的阻抗,并基于该阻抗计算燃料电池的含水量。现有技术文献的记载内容通过参照而作为本说明书中的技术要素的说明被援用。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2014-203562号公报

在现有技术文献的构成中,为了计算含水量而对燃料电池的输出信号叠加不同频率的信号。因此,在计算含水量时,需要由燃料电池进行发电。在上述的观点或者未言及的其他观点中,对燃料电池系统要求进一步的改良。



技术实现要素:

本发明的一个目的在于,提供一种无论有无发电都能够推定含水量并进行扫气的燃料电池系统。

在此公开的燃料电池系统具备:燃料电池,该燃料电池通过氧化气体与燃料气体的化学反应来进行发电;氧化气体供给装置,该氧化气体供给装置用于向燃料电池供给氧化气体;氧化气体流路部,该氧化气体流路部具有上游侧流路部和下游侧流路部,该上游侧流路部形成从氧化气体供给装置朝向燃料电池流动的氧化气体的流路部,该下游侧流路部形成从燃料电池朝向对大气开放的外部空间流动的氧化气体的流路部;氧化气体压力传感器,该氧化气体压力传感器测量上游侧流路部的内部的压力;以及控制部,该控制部能够执行含水量推定模式和扫气模式,该含水量推定模式推定包含燃料电池的氧化气体的流路中的含水量,该扫气模式降低包含燃料电池的氧化气体的流路中的含水量,控制部具备:物理量取得部,该物理量取得部取得在燃料电池流动的氧化气体流量和上游侧流路部中的氧化气体压力;压力损失运算部,该压力损失运算部基于上游侧流路部中的氧化气体压力和下游侧流路部中的压力计算氧化气体压力损失,该氧化气体压力损失是流过燃料电池之前和之后的氧化气体的压力损失;含水量运算部,该含水量运算部基于氧化气体流量和氧化气体压力损失计算包含燃料电池的氧化气体的流路中的含水量;以及扫气控制部,该扫气控制部在扫气模式下基于推定出的含水量控制氧化气体供给装置。

根据本发明的燃料电池系统,具备含水量运算部,该含水量运算部基于氧化气体流量和氧化气体压力损失计算包含燃料电池的氧化气体的流路中的含水量,扫气控制部在扫气模式下基于由含水量推定部推定出的含水量控制氧化气体供给装置。因此,能够根据因氧化气体的供给而变化的流量、压力损失的变化来推定含水量从而执行扫气模式。因此,能够提供一种无论有无发电都能够推定含水量并进行扫气的燃料电池系统。

本说明书中所公开的多个方式为了达到各自的目的而采用彼此不同的技术手段。要求保护的范围以及本项中记载的括号内的符号示意性地表示与后述实施方式的部分的对应关系,并没有限定技术范围的意图。本说明书中公开的目的、特征及效果通过后续的详细说明以及参照附图来进一步明确。

附图说明

图1是表示燃料电池系统整体的结构图。

图2是表示空气供给部的局部放大图。

图3是表示流动于正常时的燃料电池的空气流量的立体图。

图4是表示流动于积水时的燃料电池的空气流量的立体图。

图5是关于燃料电池系统的控制的框图。

图6是关于燃料电池系统的控制的流程图。

图7是关于图6的步骤S100的处理的流程图。

图8是表示用于图7的步骤S121的处理的映射图的图。

图9是关于第二实施方式中的燃料电池系统的控制的流程图。

图10是关于图9的步骤S200的处理的流程图。

图11是关于第三实施方式中的燃料电池系统的控制的流程图。

图12是关于图11的步骤S300的处理的流程图。

具体实施方式

参照附图说明多个实施方式。在多个实施方式中,有时对在功能上和/或结构上对应的部分和/或有关联的部分标注同一参照符号、或百位以上的位不同的参照符号。对于对应的部分和/或有关联的部分,能够参照其他实施方式的说明。

第一实施方式

燃料电池系统1例如搭载于燃料电池混合动力车(FCHV)并发电产生向行驶用电机供给的电力。另外,作为固定放置型燃料电池系统,能够同时获取电和热来进行热水供给和制热等。以下,以燃料电池系统1被用作为搭载于车辆的车辆用的燃料电池系统1的情况为例来进行说明。

燃料电池系统1是通过在燃料电池单元10中的燃料气体与氧化气体的化学反应来进行发电的系统。以下,以使用氢作为燃料气体,使用含氧的空气作为氧化气体的情况为例来进行说明。

在图1中,燃料电池系统1具备燃料电池11、氢供给部20、氢减压部30、空气供给部50以及FC冷却部60。燃料电池11具备燃料电池单元10。燃料电池单元10构成为在能够透过氢离子的电解质膜的一个面具备正极,在另一个面具备负极。燃料电池单元10是固体高分子型燃料电池,通过向正极供给作为氧化剂发挥功能的氧并向负极供给作为还原剂发挥功能的氢,从而通过化学反应来进行发电。燃料电池11构成为多个燃料电池单元10隔着分离件重叠。燃料电池11也被称为FC或FC堆。

氢供给部20是在燃料电池系统1中用于向燃料电池11供给作为燃料的氢的部分。氢供给部20具备填充部21和氢贮藏部25。填充部21是形成填充口的部分,该填充口是在从氢站向燃料电池系统1填充氢时作为氢的入口发挥功能的开口。氢贮藏部25是用于贮藏高压的氢的装置。氢贮藏部25具有多个罐。

氢供给部20具备填充流路部29u,该填充流路部29u将填充部21与氢贮藏部25连接从而提供氢的流路部。填充流路部29u具备分配部22,该分配部22分配氢并使氢分别流入多个罐。在分配部22设置有用于测量氢的压力的填充侧压力传感器22p。

氢供给部20具备高压流路部29d,该高压流路部29d构成用于从氢贮藏部25向燃料电池11供给氢的流路部的一部分。高压流路部29d具备罐开闭阀26,该罐开闭阀26用于控制在氢贮藏部25与燃料电池11之间的氢的流动。罐开闭阀26是能够对开度进行电控制的电驱动阀。罐开闭阀26也被称为罐关闭阀门。高压流路部29d具备合流部28,该合流部28使从多个罐流向燃料电池11的氢合流。在合流部28设置有用于测量氢的压力的高压传感器28p。

氢减压部30设置于氢供给部20与燃料电池11之间。氢减压部30是在燃料电池系统1中用于在向燃料电池11供给氢的过程中对氢的压力进行减压的部分。氢减压部30具备调节器31和喷射器35这两个减压装置。

调节器31是将流过高压流路部29d的高压的氢减压至比高压低的压力即中压的装置。调节器31是将调节器31的上游侧与下游侧的压力差保持在规定的值的机械式驱动阀。但是,作为调节器31,也可以使用能够对开度进行电控制的电驱动阀来对上游侧与下游侧的压力差来进行电控制。

喷射器35是将由调节器31减压而成为中压的氢减压至比中压低的压力即低压的装置。喷射器35构成为并联地配置多个能够对开度进行电控制的电驱动阀。喷射器35例如由三个电驱动阀构成。喷射器35作为用于控制流向燃料电池11的氢的量的装置发挥功能。换言之,在由燃料电池11消耗的氢的量较少的情况下,构成喷射器35的阀中的成为开状态的阀的数量减少。另一方面,在由燃料电池11消耗的氢的量较多的情况下,构成喷射器35的阀中的成为开状态的阀的数量增多。这样,通过控制构成喷射器35的多个阀中的成为开状态的阀的数量来控制流向燃料电池11的氢的量。

氢减压部30具备中压流路部39u,该中压流路部39u将高压流路部29d与喷射器35连接从而提供氢的流路部。调节器31位于高压流路部29d与中压流路部39u的边界上。在中压流路部39u设置有用于测量氢的压力的中压传感器33p。

氢减压部30具备低压流路部39d,该低压流路部39d将中压流路部39u与燃料电池11连接从而提供氢的流路部。喷射器35位于中压流路部39u与低压流路部39d的边界上。在低压流路部39d设置有用于测量氢的压力的低压传感器36p。

在燃料电池系统1中,氢以高压流路部29d、中压流路部39u、低压流路部39d的顺序朝向燃料电池11一边阶段性地降低压力一边流动。不过,氢的压力不限于高压、中压及低压的三阶段地降低的情况。

燃料电池系统1具备氢循环部,该氢循环部使燃料电池11中未被使用于化学反应的氢循环。氢循环部具备氢泵41和排水阀43。氢泵41是用于吸入从燃料电池11流出的氢并使其返回低压流路部39d的流体输送装置。氢泵41是能够对输出的大小进行电控制的电动泵。排水阀43是用于排出在燃料电池11中通过氢与氧的化学反应产生的水的装置。排水阀43在排水时有一部分的氢也与排水同时排气的情况。

氢循环部具备氢循环流路部49,该氢循环流路部49连接燃料电池11、氢泵41以及排水阀43并供氢等流体流动。氢循环流路部49从燃料电池11中的氢和水的流出部分连接到低压流路部39d,构成供流体循环的流路部。

空气供给部50是在燃料电池系统1中用于向燃料电池11供给作为氧化剂的含氧的空气的部分。对于空气供给部50的详细结构在后文进行说明。

FC冷却部60是在燃料电池系统1中用于冷却伴随着发电而发热的燃料电池11的部分。FC冷却部60具备冷却水泵61、散热器64以及送风机66。冷却水泵61是用于使冷却水流向燃料电池11的泵。冷却水泵61是能够对输出的大小进行电控制的电动泵。代替冷却水,也可以将利用气相与液相之间的相变化来冷却燃料电池11的制冷剂作为冷却用热介质。另外,作为冷却用热介质,不限于冷却水那样的液体,也可以使用气体。

散热器64是用于使冷却水与空气进行热交换从而冷却冷却水的装置。送风机66是控制在散热器64流动的空气的量从而控制散热器64对冷却水的冷却效果的装置。送风机66是能够对转速进行电控制的电动送风机。

FC冷却部60具备冷却流路部69,该冷却流路部69将燃料电池11、冷却水泵61以及散热器64连接为环状。冷却流路部69具备冷却水旁路流路部69i,该冷却水旁路流路部69i用于使冷却水不经过散热器64地循环到燃料电池11。在冷却水旁路流路部69i设置有控制流向冷却水旁路流路部69i的冷却水的量的冷却水旁通阀63。

在冷却流路部69中,在燃料电池11的冷却水的流动的下游侧且冷却水旁通阀63的上游侧设置有高温温度传感器62t。高温温度传感器62t是对通过与作为发热零件的燃料电池11的热交换而被加热成为高温的冷却水的温度进行测量的传感器。能够根据由高温温度传感器62t测量出的温度来推定燃料电池11的温度。在冷却流路部69中,在散热器64的冷却水的流动的下游侧且冷却流路部69中与冷却水旁路流路部69i的连接部分的上游侧设置有低温温度传感器65t。低温温度传感器65t是对通过与散热器64的热交换而被冷却成为低温的冷却水的温度进行测量的传感器。能够根据由低温温度传感器65t测量出的温度来推定散热器64的温度。

以下对空气供给部50的详细结构进行说明。在图2中,空气供给部50具备空气净化器51和空气压缩机52。空气净化器51是用于除去空气中包含的异物的装置。在空气净化器51的内部设置有过滤器,从通过空气净化器51的空气中除去异物。空气压缩机52是将吸入的空气压缩并向燃料电池11输送的装置。空气压缩机52是能够对运转控制进行电控制的电动压缩机。空气压缩机52提供氧化气体供给装置的一例。代替空气压缩机52,也可以将送风装置作为氧化气体供给装置来发挥功能。

空气供给部50具备空气流路部59,该空气流路部59连接燃料电池11、空气净化器51以及空气压缩机52并供空气等流体流动。空气流路部59具备作为将空气供给到燃料电池11的流路部的上游侧流路部59u和作为将流过燃料电池11的空气排出到外部的流路部的下游侧流路部59d。在下游侧流路部59d设置有消音器58。消音器58是用于将流体从燃料电池系统1的内部适当地向外部排出的装置。空气流路部59提供氧化气体流路部的一例。

下游侧流路部59d与排水阀43。因此,从排水阀43排出的水和氢与流过燃料电池11的空气合流之后,通过消音器58向对大气开放的外部空间排出。

空气流路部59具备空气旁路流路部59i,该空气旁路流路部59i供空气不经过燃料电池11地向消音器58流动。在上游侧流路部59u设置有控制流向空气旁路流路部59i的空气的量的分流阀门53。分流阀门53在从排水阀43排出的氢的量较多的情况下增多流向空气旁路流路部59i的空气的量。由此,稀释从消音器58向外部排出的氢,抑制向外部排出的氢浓度变得过高。在下游侧流路部59d设置有调压阀门54。通过控制调压阀门54的开度从而调整向燃料电池11供给的空气的量。调压阀门54通过在燃料电池系统1停止驱动时关闭流路从而能够发挥抑制燃料电池11中的氧化的功能。分流阀门53和调压阀门54是能够对开度进行电控制的电驱动阀。

分流阀门53也可以不是通过一个阀门切换燃料电池11侧的流路和空气旁路流路部59i侧的流路的结构。例如,也可以通过对燃料电池11侧的流路进行开闭的阀门和对空气旁路流路部59i侧的流路进行开闭的阀门这两个阀门来构成分流阀门53。空气旁路流路部59i提供氧化气体旁路流路部的一例。分流阀门53提供氧化气体旁通阀的一例。

也可以是不具备空气旁路流路部59i的结构。在该情况下,从空气压缩机52排出的空气必定流过燃料电池11。由此,能够省略空气旁路流路部59i,并且能够省略分流阀门53、调压阀门54等阀门。因此,容易简化空气供给部50的结构。

在上游侧流路部59u设置有进气温度传感器51t,该进气温度传感器51t对作为由空气压缩机52压缩的空气的进气的温度进行测量。进气温度传感器51t设置于空气净化器51的空气的流动的上游侧。在上游侧流路部59u设置有用于测量进气的流量的空气流量计51s。空气流量计51s设置于空气净化器51与空气压缩机52之间。

在上游侧流路部59u设置有供给空气温度传感器52t。供给空气温度传感器52t测量由空气压缩机52压缩后的空气的温度。供给空气温度传感器52t设置于空气压缩机52与分流阀门53之间。不过,也可以将供给空气温度传感器52t设置于分流阀门53与燃料电池11之间。供给空气温度传感器52t提供上游侧温度传感器的一例。

在上游侧流路部59u设置有空气压力传感器52p,该空气压力传感器52p对空气压缩机52的空气的流动的下游侧且分流阀门53的上游侧的空气的压力进行测量。空气压力传感器52p测量从空气压缩机52排出的空气的压力。空气压力传感器52p设置于空气压缩机52与分流阀门53之间。不过,也可以将空气压力传感器52p设置于分流阀门53与燃料电池11之间。空气压力传感器52p提供氧化气体压力传感器的一例。

在图3中,多个燃料电池单元10彼此等间隔地层叠配置。除了位于两端的燃料电池单元10,各燃料电池单元10的一个面形成用于向燃料电池单元10供给氢的单元间氢流路部111,燃料电池单元10的另一个面形成用于向燃料电池单元10供给空气的单元间空气流路部112。换言之,各燃料电池单元10构成为被单元间氢流路部111和单元间空气流路部112这两个流路部夹着。

图3中的箭头表示通过空气压缩机52供给向燃料电池11的空气的流动。单元间空气流路部112的流路面积是彼此相等的大小。因此,空气处于被均等地分配至各燃料电池单元10的状态。在该状态下,各燃料电池单元10能够适当地受到空气的供给。因此,燃料电池11处于能够高效地发电的状态。换言之,处于燃料电池11的正常状态。

在图4中,在一部分的单元间空气流路部112积存有水W。换言之,处于燃料电池11的积水状态。水W是通过氢与氧的化学反应而生成的生成水。生成水集中并生成在作为被供给氧的一侧的单元间空气流路部112。另外,水W是向燃料电池11供给的空气在燃料电池单元10的表面被冷却而该空气中含有的水分冷凝而成的冷凝水。冷凝水集中并生成在作为被供给含有水分的空气的一侧的单元间空气流路部112。出于这样的理由而产生的水W滞留于单元间空气流路部112,由此堵塞单元间空气流路部112的一部分。由此,单元间空气流路部112中能够供空气流通的面积减少。

图4中的箭头表示通过空气压缩机52向燃料电池11供给的空气的流动。在未积存水W的单元间空气流路部112中,流动有比积存有水W的单元间空气流路部112多的空气。在该状态下,有的燃料电池单元10的空气的供给量变得过少,存在无法适当地发电的燃料电池单元10。换言之,处于每个燃料电池单元10的发电量存在偏差的状态。

积存于单元间空气流路部112的水W较多的状态为含水量多的状态。由于含水量越增加则空气的流路变得越窄,因此压力损失变大。不过,通过使空气流向单元间空气流路部112,能够除去积存于单元间空气流路部112的水W。为了除去积存于单元间空气流路部112的水、异物而使空气流动,这被称为扫气。扫气包括在燃料电池11的非发电期间使空气流向燃料电池11的方式。扫气包括在燃料电池11的发电期间使发电所需的量以上的空气流向燃料电池11的方式。在空气流路部59中,也与单元间空气流路部112同样地,若水积存则空气的流路变窄,因此压力损失变大。通过执行扫气,也能够除去积存于单元间空气流路部112以外的空气的流路的水等。换言之,扫气包括以除去积存于空气流路部59的水等为目的而使空气流向包含燃料电池11的流路的方式。含水量指的是燃料电池11和空气流路部59所含有的水的量。换言之,含水量是燃料电池系统1整体所含有的水的量。不过,也可以仅将燃料电池11所含有的水的量作为含水量来处理。

在燃料电池11中,若含水量过少,则无法适当地引起氢与氧的化学反应,发电效率变低。另一方面,在含水量过多即所谓的溢流状态下,无法向燃料电池单元10供给适当的量的空气。因此,无法适当地引起氢与氧的化学反应,发电效率变低。总之,在燃料电池11进行发电时,优选在燃料电池11中维持适当的含水量的状态。

若燃料电池11的温度过冷,则有燃料电池11的水分冻结的可能性。因此,在燃料电池11不发电的状态长期持续的情况下,优选减少燃料电池11的含水量来防止水分的冻结。换言之,在燃料电池系统1停止驱动的期间,优选维持燃料电池11的含水量较少的干燥状态。在这样的燃料电池系统1中,无论发电状态如何,适当地掌握最新的含水量是非常重要的。

图5是表示控制系统的图。本说明书中的控制装置(ECU)有时也被称为电子控制装置(Electronic Control Unit)。控制装置由以下的算法提供:(a)作为被称为if-then-else形式的多个逻辑的算法;或者(b)通过机器学习调校的已学习模型、例如作为神经网络的算法。

控制装置由包含至少一个计算机的控制系统提供。控制系统有时包含通过数据通信装置联接的多个计算机。计算机包含作为硬件的处理器的至少一个硬件处理器。硬件处理器能够由以下的(i)、(ii)或(iii)提供。

(i)硬件处理器有时是执行储存于至少一个存储器的程序的至少一个处理器芯。在该情况下,计算机由至少一个存储器和至少一个处理器芯提供。处理器芯被称为CPU:Central Processing Unit(中央处理器)、GPU:Graphics Processing Unit(图像处理器)、RISC-CPU(精简指令集处理器)等。存储器也被称为存储介质。存储器是非暂时性地存储能够由处理器读取的“程序和/或数据”的非瞬态实体存储介质。存储介质由半导体存储器、磁盘或光盘等提供。程序有时以其单体流通或作为存储有程序的存储介质流通。

(ii)硬件处理器有时是硬件逻辑回路。在该情况下,计算机由包括被编程的多个逻辑单元(门电路)的数字电路提供。数字电路被称为逻辑电路阵列,例如ASIC:Application-Specific Integrated Circuit(专用集成电路)、FPGA:Field Programmable Gate Array(现场可编程门阵列)、PGA:Programmable Gate Array(可编程门阵列)、CPLD:Complex Programmable Logic Device(复杂可编程逻辑器件)等。数字电路有时具备存储程序和/或数据的存储器。计算机有时由模拟电路提供。计算机有时由数字电路与模拟电路的组合提供。

(iii)硬件处理器有时是上述(i)与上述(ii)的组合。(i)和(ii)配置于不同的芯片上、或共通的芯片上。在这些情况下,(ii)的部分也被称为加速器。

控制装置、信号源以及控制对象物提供各种要素。这些要素的至少一部分能够被称为块、组件或部分。进而,控制系统所包含的要素仅在有意图的情况下才被称为功能性构件。

本发明所记载的控制部及其方法可以通过专用计算机来实现,该专用计算机通过构成处理器和存储器来提供,该处理器被进行了编程以执行由计算机程序具体化的一个或多个功能。代替地,本发明所记载的控制部及其方法也可以通过专用计算机来实现,该专用计算机由通过一个以上的专用硬件逻辑回路构成处理器来提供。代替地,本发明所记载的控制部及其方法也可以通过一个以上的专用计算机来实现,该一个以上的专用计算机由被编程为执行一个或多个功能的处理器和存储器与由一个以上的硬件逻辑回路构成的处理器的组合构成。另外,计算机程序可以作为由计算机执行的指令而被存储于计算机可读取的非瞬态的实体记录介质。

在图5中,在控制部90连接有各压力传感器22p、28p、33p、36p、52p、各温度传感器51t、52t、62t、65t。控制部90取得由填充侧压力传感器22p测量出的填充侧压力。控制部90取得由高压传感器28p测量出的高压的供给侧压力。控制部90取得由中压传感器33p测量出的中压的供给侧压力。控制部90取得由低压传感器36p测量出的低压的供给侧压力。控制部90取得由空气压力传感器52p测量出的压缩后的空气的压力。控制部90取得由进气温度传感器51t测量出的进气温度。控制部90取得由供给空气温度传感器52t测量出的压缩后的空气的温度。控制部90取得由高温温度传感器62t测量出的刚流出燃料电池11后的冷却水温度。控制部90取得由低温温度传感器65t测量出的刚流出散热器64后的冷却水温度。

在控制部90连接有空气流量计51s和大气压传感器84p。控制部90取得由空气流量计51s测量出的进气流量。控制部90取得由大气压传感器84p测量出的大气压。

在控制部90连接有冷却水泵61、冷却水旁通阀63以及送风机66。控制部90控制冷却水泵61从而控制在冷却流路部69流动的冷却水的量。控制部90控制冷却水旁通阀63的开度从而控制在冷却水旁路流路部69i流动的冷却水的量。控制部90控制送风机66从而控制在散热器64流动的空气的量。

在控制部90连接有燃料电池11、罐开闭阀26、喷射器35以及氢泵41。控制部90控制燃料电池11从而控制发电量、发热量。控制部90控制罐开闭阀26的开度从而控制向燃料电池11供给的氢的量。控制部90控制喷射器35从而控制向燃料电池11供给的氢的量。控制部90控制氢泵41从而控制在氢循环流路部49循环的氢的量。

在控制部90连接有空气压缩机52、分流阀门53以及调压阀门54。控制部90控制空气压缩机52从而控制向燃料电池11供给的空气的量。控制部90控制分流阀门53从而控制向燃料电池11供给的空气的量。控制部90控制调压阀门54从而控制向燃料电池11供给的空气的量。

控制部90进行推定含水量所需的控制和执行扫气模式所需的的控制。控制部90具备物理量取得部91、压力损失运算部92、含水量运算部93、存储部94以及扫气控制部95。控制部90能够使用物理量取得部91、压力损失运算部92、含水量运算部93以及存储部94来执行推定燃料电池11的含水量的含水量推定模式。物理量取得部91取得推定含水量所需的各种物理量。压力损失运算部92根据物理量取得部91所取得的空气压力等物理量计算包含燃料电池11的空气的流路中的压力损失。含水量运算部93根据包含燃料电池11的空气的流路中的压力损失、空气流量等物理量计算包含燃料电池11的空气的流路中的含水量。存储部94存储在压力损失运算部92的运算中所使用的运算式。存储部94存储在含水量运算部93的运算中所使用的映射图M。扫气控制部95在扫气模式中控制空气压缩机52从而控制向燃料电池11输送的空气的量。

以下对作为燃料电池系统1的控制内容的含水量推定模式和扫气模式进行说明。含水量推定模式是用于推定包含燃料电池11的空气的流路中的含水量的模式。燃料电池系统1根据推定出的含水量进行增加含水量的控制、降低含水量的控制等。在燃料电池系统1驱动的期间,反复执行以持续推定最新的含水量。不过,可以是,在燃料电池11发电的情况下,基于阻抗取得含水量,在燃料电池11不发电的情况、燃料电池11的发电量微小的情况下,执行含水量推定模式等。另外,即使在燃料电池系统1未驱动的情况下,也可以基于外气温度为低温等条件而自动监视燃料电池系统1时执行含水量推定模式。

优选在执行含水量推定模式之前对空气流量计51s、供给空气温度传感器52t、空气压力传感器52p等各种传感器中有无异常进行确认。假设在各种传感器中存在异常的情况下,很可能无法正确地推定含水量。因此,优选不执行含水量推定模式而将在各种传感器产生异常的情况通知用户。

在图6中,当开始燃料电池系统1的驱动时,在步骤S100中执行含水量推定模式。不过,燃料电池系统1的驱动包括用户接通点火开关等开关的情况、燃料电池系统1自动开始驱动的情况等。燃料电池系统1自动开始的驱动包括防止冻结用的监视驱动、防止冻结用的扫气驱动。通过该自动驱动,即使在外气温度低的情况下,也能够自动地抑制存在于燃料电池单元10周围的水冻结。

以下对含水量推定模式的详细内容进行说明。在图7中,在步骤S101中驱动空气压缩机52。由此成为压缩后的空气向燃料电池11供给的状态。此时,向燃料电池11供给的空气的供给量优选至少在向燃料电池11供给的氢的供给量以上。另外,向燃料电池11供给的空气的供给量优选比燃料电池11所必需的空气的供给量多。在驱动空气压缩机52后,进入步骤S111。

在步骤S111中取得推定用参数。在此,推定用参数是指用于推定包含燃料电池11的空气的流路中的空气流量、空气压力损失的参数。作为推定用参数,例如包含由空气流量计51s测量出的空气的流量、由供给空气温度传感器52t测量出的压缩后的空气的温度、由空气压力传感器52p测量出的压缩后的空气的压力等物理量。另外,推定用参数例如包含与空气压缩机52的转速等的装置、零件的状态有关的信息。在取得推定用参数后,进入步骤S112。

在步骤S112中,推定在燃料电池11流动的空气的流量。在燃料电池11流动的空气流量被视作与由空气流量计51s测量出的流量相等。这里,在由空气流量计51s测量出的流量为以0℃、1atm作为基准状态的正常流量的情况下,需要使用由大气压的值和空气压力传感器52p测量出的空气的压力的值来将其转换为实际流动的流量即实际流量。从正常流量到实际流量的转换能够通过将大气压相对于由空气压力传感器52p测量出的空气的压力的比乘以正常流量来计算。具体而言,在通过空气压缩机52将空气压缩至大气压的两倍的压力的情况下,正常流量的1/2倍的大小为实际流量。空气流量提供氧化气体流量的一例。

通过使用表示由空气压缩机52的规格决定的转速、压缩比及流量这三个参数的关系的特性图即压缩特性图,能够不通过空气流量计51s测量流量而推定空气的流量。在该情况下,通过取得空气压缩机52的转速和被空气压缩机52压缩前后的压缩比的信息,由此能够根据压缩特性图来推定空气的流量。在推定出空气流量后,进入步骤S113。

在步骤S113中,推定在燃料电池11流动的空气压力损失。包含燃料电池11的空气的流路中的空气压力损失能够通过从即将流入燃料电池11前的压力减去刚流出燃料电池11后的压力来推定。在此,即将流入燃料电池11前的压力能够使用由空气压力传感器52p测定的压力。对于刚流出燃料电池11后的压力能够使用由大气压传感器84p测量出的大气压。因此,通过从空气压力传感器52p测量出的压力减去大气压,能够推定包含燃料电池11的空气的流路中的空气压力损失。不过,在不具备大气压传感器84p的情况下,也可以预先设定规定值作为大气压。空气压力损失提供氧化气体压力损失的一例。在推定出空气压力损失后,进入步骤S114。

在步骤S114中,取得修正用参数。这里,修正用参数是在为了使推定出的燃料电池11的空气流量、空气压力损失成为更正确的值的修正中所使用的参数。修正用参数例如含有分流阀门53、调压阀门54的开度的信息。修正用参数例如包含由供给空气温度传感器52t测量出的压缩后的空气温度的信息。在取得修正用参数后,进入步骤S115。

在步骤S115中,修正在步骤S112中推定出的空气流量、在步骤S113中推定出的空气压力损失。在分流阀门53将空气向上游侧流路部59u和空气旁路流路部59i这双方的流路部分流的情况下,基于分流阀门53的开度修正推定出的空气流量。更具体而言,以空气旁路流路部59i侧的开度越大推定出的空气流量就变得越小的方式进行修正。即,通过从空气压缩机52的排出量减去通过空气旁路流路部59i的量的流量来修正在燃料电池11流动的空气流量。另外,对于空气压力损失也同样,基于分流阀门53的开度修正推定出的空气压力损失。

基于调压阀门54的开度修正空气压力损失。更具体而言,调压阀门54的开度越小调压阀门54中的压力损失就变得越大。因此,以调压阀门54的开度越小则推定出的燃料电池11的空气压力损失就变得越小的方式进行修正。这里,在即使调压阀门54的开度最大仍存在因空气通过调压阀门54而产生的压力损失的情况下,优选根据调压阀门54中的压力损失来修正燃料电池11的空气压力损失。

基于由供给空气温度传感器52t测量出的空气温度修正空气流量。换言之,通过用实际的空气的温度修正以0℃为基准的正常流量,由此转换为实际流量。若将由供给空气温度传感器52t测量出的空气温度设为Tα℃,则从正常流量到实际流量的转换能够通过对正常流量乘以(273+Tα)/273来计算。例如,若空气温度为27.3℃,则正常流量乘以1.1倍的值为实际流量。在对空气流量、空气压力损失的推定值施加修正之后,进入步骤S121。

在步骤S121中,推定含水量。含水量能够根据施加修正后的空气流量和空气压力损失来推定。将图8所示的映射图M用于含水量的推定。映射图M预先存储于存储部94,表示空气流量、空气压力损失以及含水量的相关关系。在映射图M中存储有多个特性线L1、L2、L3。特性线L1、L2、L3为彼此大致相等的形状。特性线L1、L2、L3均显示出压力损失越多含水量就越多的倾向。

使用多个特性线中的哪个特性线来推定含水量由空气流量决定。在空气流量少的情况下,使用特性线L1,根据空气压力损失推定含水量。另一方面,在空气流量多的情况下,使用特性线L3并根据空气压力损失推定含水量。即使是相同的含水量,空气流量越多则空气压力损失越大。

在含水量的推定中,从多个特性线L1、L2、L3之中选择与推定出的空气流量最接近的值。这里,还可以在除了特性线L1、L2、L3以外存储与空气流量对应的特性线。存储的特性线的根数越多,越能够选择与当前的空气流量接近的特性线,因此能够提高含水量的推定精度。通过基于空气流量选择特性线并基于空气压力损失读取含水量,能够推定含水量。不过,含水量的推定方法不限于使用映射图M的上述方法。例如,代替使用映射图M,也可以使用运算式来推定含水量。在推定出含水量后,结束含水量推定模式,进入步骤S141。

在图6的步骤S141中,判定扫气前含水量是否在扫气开始量以上。扫气前含水量是执行扫气模式前的状态下的包含燃料电池11的空气的流路的含水量。在扫气前含水量为扫气开始量以上的情况下,判断为需要扫气,进入步骤S142。另一方面,在扫气前含水量小于扫气开始量的情况下,判断为不需要扫气,控制与含水量的推定及扫气有关的控制。如果是在燃料电池11的发电期间,则继续发电。若在非发电期间,则停止为了推定含水量而驱动的空气压缩机52。不过,在含水量因冷凝水而变化的可能性较高等的情况下,也可以不停止空气压缩机52而继续推定含水量。

在步骤S142中,执行扫气模式。扫气模式是通过向燃料电池11输送空气来降低含水量的模式。在扫气模式下,维持为了含水量的推定而驱动的空气压缩机52的驱动状态。不过,也可以变更空气压缩机52的输出。例如,也可以以比含水量推定模式下的空气压缩机52的转速高的转速来驱动。另外,也可以变更分流阀门53和调压阀门54的开度。例如,控制分流阀门53以将空气旁路流路部59i侧的开度设为零,并将调压阀门54的开度设为全开。由此,容易将流向燃料电池11空气的量确保为较多。在执行扫气模式后,进入步骤S150。

在步骤S150中,执行含水量推定模式。含水量推定模式下的控制内容与步骤S100相同。不过,不是推定扫气前含水量而是推定扫气期间含水量。这里,扫气期间含水量是在扫气模式的执行期间的包含燃料电池11的空气的流路的含水量。因此,推定由于扫气的进行而逐渐降低的含水量。在执行含水量推定模式后,进入步骤S181。

在步骤S181中,判定扫气期间含水量是否小于扫气停止量。扫气停止量是被设定为比扫气开始量少的量的含水量。在扫气期间含水量小于扫气停止量的情况下,判断为不需要进一步的扫气,进入步骤S182。另一方面,在扫气期间含水量为扫气停止量以上的情况下,判断为需要进一步的扫气,返回步骤S142并继续扫气模式。

在步骤S182中,停止扫气模式。在没有发电要求时等不需要驱动空气压缩机52的情况下,停止空气压缩机52并结束一系列的控制。或者,在有发电要求时等需要驱动空气压缩机52的情况下,继续驱动空气压缩机52以供给发电所需的量的空气。在停止扫气模式后,结束与含水量的推定、扫气有关的控制。

根据上述的实施方式,燃料电池系统1具备含水量运算部93,该含水量运算部93基于空气流量和空气压力损失计算包含燃料电池11的空气的流路中的含水量。因此,能够根据阻抗以外的物理量来推定燃料电池11的含水量。因此,即使在不供给氢的非发电时、氢的供给量少的微小发电时,也能够推定包含燃料电池11的空气的流路的含水量。换言之,无论作为燃料气体的氢的供给如何,都能够推定包含燃料电池11的空气的流路的含水量。

燃料电池系统1具备扫气控制部95,该扫气控制部95在扫气模式下基于推定出的含水量控制空气压缩机52。因此,能够提供无论有无发电都能够推定含水量的燃料电池系统1。因此,能够推定燃料电池11的非发电时的含水量,并准确地判断停止扫气模式的时刻。由此,通过在燃料电池11到达干燥状态前停止扫气模式,由此容易抑制燃料电池11成为不干燥的状态。或者,在燃料电池11到达干燥状态后也继续扫气模式,容易抑制在空气压缩机52不必要地消耗能量的情况。尤其是,在执行作为停止燃料电池11的驱动后、放置期间的干燥运转的扫气模式的情况等没有产生空气压缩机52的驱动声以外的声音的状况下,空气压缩机52的驱动声容易很明显。因此,优化干燥运转时的扫气模式的执行时间而不多不少地执行扫气模式是非常重要的。

控制部90分别推定作为扫气模式的执行前的含水量的扫气前含水量和作为扫气模式的执行期间的含水量的扫气期间含水量。因此,能够基于扫气期间含水量来控制扫气模式。换言之,能够基于因扫气模式的执行而变化后的含水量来控制扫气模式。因此,与不推定扫气期间含水量而根据扫气前含水量控制扫气模式的情况相比,容易适当地控制扫气模式。

扫气控制部95在扫气前含水量为扫气开始量以上的情况下开始扫气模式,在扫气期间含水量小于被设定为比扫气开始量少的量的扫气停止量的情况下停止扫气模式。换言之,扫气控制部95在扫气前含水量为扫气开始量以上的情况下开始扫气模式,并继续扫气模直到扫气期间含水量小于被设定为比扫气开始量少的量的扫气停止量。因此,能够基于因扫气模式的执行而变化后的含水量来判断扫气模式的结束时刻。因此,容易防止不必要地继续扫气模式的情况。或者,容易防止扫气模式的执行时间短并在燃料电池11成为干燥状态前结束扫气模式的情况。因此,能够优化扫气模式的执行时间。

控制部90推定燃料电池11停止发电的非发电时的含水量。换言之,维持燃料电池11停止的状态并推定含水量。因此,与根据燃料电池11中的阻抗推定含水量的情况不同,不需要出于推定含水量的目的而驱动燃料电池11开始发电。因此,能够长时间地维持停止燃料电池11的发电的状态。进而,在推定含水量时没有因发电而新增加水的情况。因此,能够抑制由于应当通过扫气除去的水增加而扫气模式的执行时间延长的情况。

控制部90推定燃料电池11停止驱动的放置期间的含水量。因此,与根据放置燃料电池11前的含水量和经过时间等来推定放置期间的含水量的情况相比,能够高精度地推定燃料电池11的含水量。因此,即使在由于放置期间产生的冷凝水等而含水量无论有否发电都增加的情况下,也能够掌握含水量的增加并谋求降低含水量的措施。

根据上述的实施方式,控制部90具备含水量运算部93,该含水量运算部93基于空气流量和空气压力损失计算包含燃料电池11的空气的流路的含水量。因此,能够根据阻抗以外的物理量推定包含燃料电池11的空气的流路的含水量。因此,即使在不供给氢的非发电时、氢的供给量较少的微小发电时,也能够推定包含燃料电池11的空气的流路的含水量。换言之,能够提供无论作为燃料气体的氢的供给如何都能够推定包含燃料电池11的空气的流路的含水量的燃料电池系统1。

由于无论氢的供给如何都能够推定含水量,因此能够在关闭罐开闭阀26的状态下推定含水量。因此,容易将作为燃料的氢的消耗量抑制得较低。另外,由于无论有否燃料电池11的发电都能够推定含水量,因此不需要出于推定含水量的目的而使燃料电池11发电。因此,容易抑制燃料电池系统1的燃料消耗并高效地进行发电。进而,容易自由地设定推定含水量的时刻。例如,即使在从燃料电池系统1停止驱动到再次开始驱动为止的所谓放置期间,也能够推定含水量。或者,能够推定燃料电池11在即将停止发电前的状态下的含水量。因此,容易基于适当的含水量控制燃料电池11的发电停止期间的扫气。

控制部90在含水量推定模式下基于分流阀门53的开度修正空气流量。因此,即使在一部分的空气流向空气旁路流路部59i的情况下,也能够高精度地推定流向燃料电池11的空气流量。

压力损失运算部92在含水量推定模式下基于由空气压力传感器52p测量出的空气压力与由大气压传感器84p测量出的大气压的差计算空气压力损失。因此,与将大气压作为预先设定的规定值处理的情况相比,能够高精度地推定空气压力损失。尤其是,当在高地、低地驱动燃料电池系统1的情况下,实际的大气压的值容易偏离预先设定的规定值。因此,通过大气压传感器84p测量实际的大气压对于燃料电池系统1搭载于车辆的情况等、燃料电池系统1的周围的大气压容易变化的情况是很重要的。

控制部90在含水量推定模式下使用由供给空气温度传感器52t测量出的空气的温度修正空气流量。因此,与无视空气的温度变化地计算空气流量的情况相比,能够高精度地推定空气流量。

在步骤S121中,也可以是,在使用映射图M推定出含水量后,基于燃料电池11的温度修正含水量。燃料电池11的温度越高,单元间空气流路部112就越大幅地热膨胀从而流路面积就越大。因此,单元间空气流路部112的空气压力损失容易变小。换言之,由于燃料电池11的温度高,因此可能含水量被推定为比实际的含水量少。因此,通过以燃料电池11的温度越高就含水量就变得越多的方式进行修正,由此能够修正由于单元间空气流路部112的热膨胀引起的含水量的误差。由此,容易提高含水量的推定精度。

控制部90使用映射图M推定含水量。因此,与代替映射图M而使用复杂的运算式来推定含水量的情况相比,能够简单地推定含水量。因此,容易在短时间内得出含水量的推定结果。因此,容易得到与当前的含水量接近的值来作为含水量的推定值。

第二实施方式

本实施方式是以先前的实施方式作为基础形态的变形例。在本实施方式中,进行切换并分开使用弱扫气模式和强扫气模式的输出不同的多个扫气模式。

在图9中,当开始燃料电池系统1的驱动时,在步骤S200中执行含水量推定模式。以下对含水量推定模式的详细内容进行说明。在图10中,在步骤S201中,以推定开始转速驱动空气压缩机52。这里,推定开始转速是指使由空气压力传感器52p进行测量的压力成为比大气压足够大的压力的转速。通过以推定开始转速驱动空气压缩机52,由此空气的供给量成为推定开始供给量,该推定开始供给量被设定为比燃料电池11的发电所需的空气的供给量多的量。换言之,通过以推定开始转速驱动空气压缩机52,由此供给能够将包含燃料电池11的空气的流路中的含水量的变化作为空气压力损失来检测的量的空气。由此,成为对燃料电池11充分地供给压缩后的空气的状态。在以推定开始转速驱动空气压缩机52旋转的情况下,向燃料电池11供给的空气的供给量比向燃料电池11供给的氢的供给量多。

也可以不将空气压缩机52的转速维持在推定开始转速而使其变动为推定开始转速以上的转速。或者,在通过多个空气压缩装置构成空气压缩机52的情况下,也可以通过增加驱动的空气压缩装置的数量来增加空气的供给量。在驱动空气压缩机52后,进入步骤S202。

在步骤S202中,控制分流阀门53和调压阀门54。具体而言,控制分流阀门53的开度以使空气不流向空气旁路流路部59i。此外,通过将调压阀门54设为全开,从而使通过调压阀门54而在流动于下游侧流路部59d的空气中产生的压力损失为最小。根据以上,在空气的流动中,成为在燃料电池11以外的部分产生的压力损失与在燃料电池11产生的压力损失相比足够地小的状态。在对分流阀门53和调压阀门54进行控制后,进入步骤S111。

在步骤S111中取得推定用参数后,进入步骤S112。在步骤S112中推定出空气流量后,进入步骤S113。在步骤S113中推定出空气压力损失后,进入步骤S121。在步骤S121中推定出含水量后,进入步骤S231。

在步骤S231中,判定发电是否在持续期间。在燃料电池11的发电在持续期间的情况下,判断为由于燃料电池11中的氢与氧的化学反应而生成有水,结束含水量推定模式。另一方面,在燃料电池11的发电没有继续的情况下,判断为在燃料电池11没有新生成水,进入步骤S232。

在步骤S232中,判定燃料电池11是否处于干燥状态。在燃料电池11处于干燥状态的情况下,进入步骤S233。另一方面,在燃料电池11不处于干燥状态的情况下,结束含水量推定模式。

燃料电池11是否处于干燥状态的判定方法的一例是判定空气流量是否在干燥状态流量以上。这里,干燥状态流量是指在燃料电池11的含水量大致为零的干燥状态下流动于燃料电池11的流量。在燃料电池11的干燥状态下,燃料电池11的内部的妨碍空气的流动的水几乎不存在。因此,在以相同的输出驱动空气压缩机52的情况下,与燃料电池11的含水量多的湿润状态的燃料电池11相比,干燥状态的燃料电池11的空气流量多。在空气流量为干燥状态流量以上的情况下,判断为几乎没有妨碍空气的流动的水,能够判定为燃料电池11处于干燥状态。另一方面,在空气流量小于干燥状态流量的情况下,判断为存在妨碍空气的流动的水,能够判定为燃料电池11不处于干燥状态。

燃料电池11是否处于干燥状态的判定方法的一例是在将空气压缩机52的输出设为恒定的状态下判定空气流量的变化量是否在规定值以下。在燃料电池11的湿润状态下,由于空气压缩机52的驱动而水被除去,空气流量逐渐增加。另一方面,在燃料电池11的干燥状态下,不存在要除去的水,空气流量为恒定。因此,成为空气流量的变化量为零的状态。因此,在空气流量的变化量为规定值以下的情况下,能够判定燃料电池11处于干燥状态。

燃料电池11是否处于干燥状态的判定方法的一例是判定空气压力损失是否小于干燥状态压力损失。这里,干燥状态压力损失是指在燃料电池11的含水量大致为零的干燥状态下在燃料电池11产生的压力损失。在干燥状态的燃料电池11中,燃料电池11的内部的妨碍空气的流动的水几乎不存在。因此,在以相同的输出驱动空气压缩机52的情况下,与燃料电池11的含水量多的湿润状态的燃料电池11相比,干燥状态的燃料电池11的方的空气压力损失小。在空气压力损失小于干燥状态压力损失的情况下,判断为几乎没有妨碍空气的流动的水,能够判定为燃料电池11处于干燥状态。在空气流量为干燥状态压力损失以上的情况下,判断为存在妨碍空气的流动的水,能够判定为燃料电池11不处于干燥状态。

燃料电池11是否处于干燥状态的判定方法的一例是在将空气压缩机52的输出设为恒定的状态下判定空气压力损失的变化量是否在规定值以下。在燃料电池11的湿润状态下,由于空气压缩机52的驱动而水被除去,空气压力损失逐渐下降。另一方面,在燃料电池11的干燥状态下,不存在要除去的水,空气压力损失为恒定。因此,成为空气压力损失的变化量为零的状态。因此,在空气压力损失的变化量为规定值以下的情况下,能够判定为燃料电池11处于干燥状态。

在步骤S233中,基于处于干燥状态的燃料电池11的空气流量和空气压力损失修正映射图M。更详细而言,用干燥状态下的空气流量和空气压力损失的值使特性线整体平行移动,以使得含水量成为最小。此时,优选不仅使一个特性线平行移动而是使多个特性线整体平行移动。由此,能够通过一次修正来修正映射图M整体。在推定出含水量后,结束含水量推定模式,进入步骤S141。

在图9的步骤S141中,判定扫气前含水量是否在扫气开始量以上。在扫气前含水量为扫气开始量以上的情况下,判断为需要扫气而进入步骤S242。另一方面,在扫气前含水量小于扫气开始量的情况下,判断为不需要执行扫气而结束与含水量的推定及扫气有关的控制。

在步骤S242中,执行弱扫气模式。弱扫气模式是以例如用户无法察觉空气压缩机52的驱动声、驱动振动的程度的转速驱动空气压缩机52的模式。不过,弱扫气模式下的空气压缩机52的转速不限于上述的转速。在执行弱扫气模式后,进入步骤S250。

在步骤S250中,执行含水量推定模式。含水量推定模式下的控制内容与步骤S200相同。不过,不是推定扫气前含水量,而是推定随着扫气的进行而逐渐降低的含水量即扫气期间含水量。在执行含水量推定模式后,进入步骤S261。

在步骤S261中,判定扫气期间含水量是否在切换量以上。这里,切换量是指作为用于判断是否需要切换扫气模式的强度的基准的含水量。切换量被设定为至少是扫气停止量以上的量。在扫气期间含水量为切换量以上的情况下,进入步骤S262。另一方面,在扫气期间含水量小于切换量的情况下,判断为不需要切换扫气模式的强度,进入步骤S264。

在步骤S262中,判定扫气期间含水量的变化量是否在切换变化量以下。扫气期间含水量的变化量是指每单位时间中的扫气期间含水量的减少量。在扫气期间含水量随着时间经过增加的情况下,扫气期间含水量的变化量为负值。切换变化量是指作为用于判断是否需要切换扫气模式的强度的基准的含水量的变化量。切换变化量例如为零。在扫气期间含水量的变化量在切换变化量以下的情况下,判断为在当前的扫气模式下含水量没有降低,进入步骤S263。另一方面,在扫气期间含水量的变化量大于切换变化量的情况下,判断为在当前的扫气模式下含水量降低,进入步骤S264。

在步骤S263中,执行强扫气模式。强扫气模式是例如以由空气压缩机52的规格决定的规格上限转速来驱动空气压缩机52旋转的模式。不过,强扫气模式下的空气压缩机52的转速不限于上述的转速,只要以至少大于弱扫气模式的输出驱动空气压缩机52即可。例如,也可以是,在通过两台空气压缩装置构成空气压缩机52的情况下,在弱扫气模式下仅驱动一台空气压缩装置,在强扫气模式下驱动两台空气压缩装置等。在执行强扫气模式后,进入步骤S270。

在步骤S264中,继续当前的扫气模式。即,如果当前的扫气模式是弱扫气模式则继续弱扫气模式。如果当前的扫气模式是强扫气模式则继续强扫气模式。在继续当前的扫气模式的状态下进入步骤S270。

在步骤S270中,执行含水量推定模式。含水量推定模式下的控制内容与步骤S200和步骤S250相同。这里,不是推定扫气前含水量,而是推定随着扫气的进行而逐渐降低的含水量即扫气期间含水量。在执行含水量推定模式后,进入步骤S281。

在步骤S281中,判定扫气期间含水量的变化量是否处于停止范围内。停止范围是扫气期间含水量的变化量从零到被设定为比切换变化量少的量的变化量为止的范围。在扫气期间含水量的变化量处于停止范围内的情况下,能够判断为由于扫气模式的执行而引起的扫气期间含水量的变化较小。因此,几乎没有应当通过扫气除去的水,判断为不需要进一步的扫气,进入步骤S182。在步骤S182中,停止扫气模式并结束与含水量的推定、扫气有关的控制。另一方面,在扫气期间含水量的变化量处于停止范围外的情况下,能够判断为由于扫气模式的执行而引起的扫气期间含水量的变化量较大。因此,仍然存在应当通过扫气除去的水,判断为需要进一步的扫气,返回步骤S250,继续扫气模式。

根据上述实施方式,扫气控制部95在扫气前含水量为扫气开始量以上的情况下开始扫气模式,在扫气期间含水量的变化量处于停止范围内的情况下停止扫气模式。因此,能够基于因扫气模式的执行而变化的含水量的变化量来判断扫气模式的结束时刻。因此,容易防止不必要地继续扫气模式的情况。另外,容易防止扫气模式的执行时间短并在燃料电池11成为干燥状态前结束扫气模式的情况。通过以上,能够优化扫气模式的执行时间。

在扫气期间含水量为切换量以上且扫气期间含水量的变化量为切换变化量以下的情况下,控制部90在扫气模式下执行提高空气压缩机52的输出的强扫气模式。因此,与继续弱扫气模式的情况相比,容易顺畅地除去水。另外,与从一开始就执行强扫气模式的情况相比,容易抑制由于在空气压缩机52产生的振动、声音而用户的舒适性受损的情况。尤其是在燃料电池系统1搭载于车辆的情况下,容易因向车室内传递的振动、声音而车室内的舒适性受损。因此,分开使用由弱扫气模式带来的对用户而言舒适性高的扫气模式和由强扫气模式带来的水的除去能力高的扫气模式在将燃料电池系统1搭载于车辆的情况下是非常重要的。

控制部90在含水量推定模式下控制空气压缩机52,以使空气压缩机52的空气的供给量在推定开始供给量以上。因此,容易抑制由于在燃料电池11流动的空气流量过少而导致含水量的推定值大幅偏离实际的含水量的情况。因此,能够稳定且高精度地推定燃料电池11的含水量。尤其是,在燃料电池11不发电的状态、发电量微小的状态下,由于发电所需的空气的供给量少,因此含水量的推定精度容易降低。但是,通过强制性地使空气的供给量成为推定开始供给量以上,由此容易较高地保持含水量的推定精度。

根据上述的实施方式,控制部90在含水量推定模式下控制空气压缩机52,以使空气压缩机52所提供的空气的供给量为推定开始供给量以上。因此,容易抑制由于在燃料电池11流动的空气流量过少而导致含水量的推定值大幅偏离实际的含水量的情况。因此,能够稳定且高精度地推定包含燃料电池11的空气的流路的含水量。尤其是,在燃料电池11不发电的状态、发电量微小的状态下,由于发电所需的空气的供给量少,因此含水量的推定精度容易降低。但是,通过强制性地使空气的供给量成为推定开始供给量以上,由此容易保持含水量的高推定精度。

控制部90在执行含水量推定模式的情况下控制空气压缩机52,以使向燃料电池11供给的氧的供给量比向燃料电池11供给的氢的供给量多。因此,确保燃料电池11的发电所需的氧的量,并且能够将在燃料电池11流动的空气流量确保为较多,并高精度地进行含水量的推定。

控制部90在含水量推定模式下控制分流阀门53来维持空气不流向空气旁路流路部59i的状态。因此,能够使绕过燃料电池11流向空气旁路流路部59i的空气流量为零。因此,能够不对从空气压缩机52排出的空气的流量中流向空气旁路流路部59i的空气的量进行修正地推定流向燃料电池11的空气流量。因此,容易高精度地推定流向燃料电池11的空气流量。

在含水量推定模式下,控制部90将燃料电池11不发电的状态且燃料电池11为干燥状态的情况视作含水量最低的状态而修正映射图M。因此,能够考虑燃料电池系统1的各机型的偏差、老化等地优化映射图M。因此,通过使用优化后的映射图M来推定含水量,由此容易提高含水量的推定精度。

在含水量推定模式下,控制部90以推定开始转速恒定地控制空气压缩机52的转速。因此,能够成为仅含水量的变化对流量的变化、压力损失的变化产生影响的状态。因此,容易根据空气的流量变化、压力变化捕捉含水量的变化。因此,与一边改变空气压缩机52的转速一边推定含水量的情况相比,容易高精度地推定含水量。

第三实施方式

本实施方式是以先前的实施方式为基础形态的变形例。在本实施方式中,判定有无积水异常。

在图11中,在开始燃料电池系统1的驱动时,在步骤S300中执行含水量推定模式。以下对含水量推定模式的详细内容进行说明。在图12中,在步骤S301中驱动空气压缩机52以使从空气压缩机52排出的空气的排出量为恒定。这里,空气流量根据含水量而变化。换言之,当含水量增加时空气难以流向包含燃料电池11的空气的流路,因此排出量容易减少。因此,通过提高空气压缩机52的转速来弥补空气流量的减少量从而将排出量保持为恒定。另一方面,当含水量减少时空气容易流向包含燃料电池11的空气的流路,因此排出量容易增加。因此,通过降低空气压缩机52的转速来吸收排出量的增加量从而将空气流量保持为恒定。在像这样执行反馈控制以使排出量为恒定并驱动空气压缩机52之后,进入步骤S311。

在步骤S311中,取得推定用参数。这里,取得由空气压力传感器52p测量出的压缩后的空气的压力作为推定用参数。在取得作为推定用参数的压缩后的空气压力后,进入步骤S312。

在步骤S312中,推定在燃料电池11流动的空气的流量。在燃料电池11流动的空气流量被视作与空气压缩机52的排出量相等。在推定出在燃料电池11流动的空气的流量后,进入步骤S313。

在步骤S313中,推定在燃料电池11流动的空气的压力损失。包含燃料电池11的空气的流路中的空气的压力损失能够通过从由空气压力传感器52p测定出的压力减去由大气压传感器84p测量出的大气压来推定。在推定出空气压力损失后,进入步骤S314。

在步骤S314中,取得修正用参数。这里,例如取得分流阀门53、调压阀门54的开度的信息作为修正用参数。在取得修正用参数后,进入步骤S315。

在步骤S315中,修正在步骤S312推定出的空气流量、在步骤S313中推定出的空气压力损失。在分流阀门53使空气分开流向上游侧流路部59u和空气旁路流路部59i这双方的流路部的情况下,基于分流阀门53的开度修正推定出的空气流量和空气压力损失。另外,基于调压阀门54导致的压力损失修正燃料电池11的空气压力损失。这里,在没有应当施加于空气流量的修正的情况下,空气压缩机52的排出量被直接作为燃料电池11的空气流量。在对空气流量、空气压力损失的推定值施加修正后,进入步骤S321。

在步骤S321中,推定含水量。含水量根据修正后的空气流量和修正后的空气压力损失来推定。在含水量的推定中使用图8所示的映射图M。映射图M预先存储于存储部94,表示空气流量、空气压力损失以及含水量的相关关系。在映射图M中存储有多个特性线L1、L2、L3,特性线L1、L2、L3为彼此大致相等的形状。

使用哪个特性线来推定含水量由在燃料电池11流动的空气流量决定。在空气流量少的情况下,使用特性线L1并根据空气压力损失推定含水量。另一方面,在空气流量多的情况下,使用特性线L3并根据空气压力损失推定含水量。因此,在步骤S301中,通过进行恒定控制以使空气流量与特性线L1、L2、L3的任意流量一致,从而能够高精度地推定含水量。在推定出含水量后,结束含水量推定模式,进入步骤S141。

在图11的步骤S141中,对扫气前含水量是否在扫气开始量以上进行判定。在扫气前含水量为扫气开始量以上的情况下,判断为需要扫气而进入步骤S142,在步骤S142中执行扫气模式后,进入步骤S350。另一方面,在扫气前含水量小于扫气开始量的情况下,判断为不需要扫气,结束与含水量的推定和扫气有关的控制。

在步骤S350中,执行含水量推定模式。含水量推定模式下的控制内容与步骤S300相同。不过,代替扫气前含水量而推定由于扫气的进行而逐渐降低的含水量即扫气期间含水量。在执行含水量推定模式后,进入步骤S361。

在步骤S361中,判定扫气期间含水量是否在扫气停止量以上。若扫气期间含水量在扫气停止量以上,则判断为扫气未结束,进入步骤S362。若扫气期间含水量小于扫气停止量,则判断为扫气结束,进入步骤S182。

在步骤S362中,判定含水量的变化量是否在异常判定变化量以下。这里,异常判定变化量是指作为判断在燃料电池11中是否发生积水等异常的基准的含水量的变化量。异常判定变化量例如为零。在含水量的变化量为异常判定变化量以下的情况下,发生积水等异常,判断为扫气没有进行,进入步骤S363。另一方面,在含水量的变化量大于异常判定变化量的情况下,判断为在进行扫气,返回步骤S142并继续扫气模式。

在步骤S363中,通知用户发生异常。这里,不仅通知用户在燃料电池11发生积水等异常,优选在发生异常的基础上还通知可否发电、能够发电的电力的预估量等信息。另外,在燃料电池系统1搭载于车辆等移动体的情况下,优选配合异常通知而根据需要通知停止移动体的移动那样的警告。另外,优选根据异常的种类推荐零件更换的内容、推荐执行消除异常的模式的内容。在通知异常后,进入步骤S182。

在步骤S182中,停止扫气模式并结束与含水量的推定、扫气有关的控制。若处于通知异常的状态下,优选持续异常的通知并结束与含水量的推定、扫气有关的控制。

根据上述实施方式,控制部90在扫气期间含水量为扫气停止量以上且扫气期间含水量的变化量为异常判定变化量以下的情况下,通知发生异常。因此,用户能够意识到在燃料电池系统1中发生积水等异常。例如,在发生积水等异常的情况下,成为燃料电池11的发电效率低的状态。用户意识到发生积水的异常,由此,用户能够选择是维持发电效率低的状态地通过燃料电池11发电还是在消除积水后通过燃料电池11发电。尤其是,在引起积水的水冻结而为冰的状态下,预想在到冰融化为止的期间持续积水的状态。在该情况下,用户能够选择通过由燃料电池11进行发电来产生热来融化冰的应对、等待外气温上升来融化冰的应对等各种应对。因此,为了使用户对发生的异常选择最佳的应对,通知用户发生异常是非常重要的。

根据上述实施方式,控制部90在含水量推定模式下控制空气压缩机52以使排出量恒定。因此,在将空气压缩机52的排出量视作燃料电池11的空气流量的情况下,能够通过仅推定燃料电池11的压力损失来推定含水量。因此,容易快速推定含水量。

其他实施方式

在空气流路部59中,也可以在空气压缩机52与燃料电池11之间具备中冷器等空气冷却装置。由此,能够使由空气压缩机52压缩而温度上升的空气在冷却后流向燃料电池11。因此,容易抑制燃料电池11的温度上升。因此容易抑制燃料电池11的劣化而维持发电效率高的状态。在该情况下,优选将空气压力传感器52p和供给空气温度传感器52t设置于中冷器的下游侧。

也可以在冷却水旁路流路部69i具备离子交换器。由此,能够稳定地确保用于冷却燃料电池11的冷却水的绝缘性。因此,容易提高燃料电池系统1的安全性。

本说明书和附图等中的发明不被例示的实施方式所限制。发明包含例示的实施方式以及本领域技术人员基于这些实施方式作出的变形方式。例如,发明不限定于在实施方式中所示的零件和/或要素的组合。发明能够通过多种组合来实施。发明可以具有能够追加到实施方式的追加部分。发明包含省略了实施方式的零件和/或要素的方式。发明包含对一个实施方式与其他实施方式之间的零件和/或要素进行置换或组合。所公开的技术范围不限定于实施方式的记载。应当理解为,所公开的数个技术范围通过要求保护的范围的记载来表示,并进一步包含与要求保护的范围的记载均等意义以及在范围内的全部变更。

说明书和附图等中的发明不由要求保护的范围的记载限定。说明书和附图等中的发明包含记载于要求保护的范围的技术思想,并进一步涉及比记载于要求保护的范围的技术思想更多样的广泛的技术思想。因此,能够从说明书和附图等的发明提取各种技术的思想而不拘泥于要求保护的范围的记载。


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