СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЕЮ Российский патент 2019 года по МПК H01M8/04 H01M8/4089 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Изобретение относится к системе топливных элементов и способу управления системой топливных элементов.

2. Описание предшествующего уровня техники

[0002] В системе топливных элементов, когда газовый канал блокируется выработанной водой (то есть, когда происходит затопление), значение напряжения каждого элемента (которое будет называться «напряжением элемента») уменьшается, как известно в данной области техники. В системе топливных элементов, описанной в публикации японской нерассмотренной патентной заявки № 2012-227008 (JP 2012-227008 A), когда самое низкое напряжение элемента становится ниже предварительно заданного значения, объем катодного газа, подаваемого на элементы, увеличивается, с тем, чтобы устранить затопление и, таким образом, восстановить напряжение элемента.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] В то же время, когда батарея топливных элементов не требуется для выработки электроэнергии, обычно приходится уменьшать расход катодного газа, подаваемого на батарею топливных элементов, или останавливать подачу. Если происходит проникновение анодного газа на сторону катода (так называемая «поперечная утечка»), в условиях, когда расход подаваемого катодного газа уменьшается, напряжение элемента падает. Авторами данного изобретения обнаружено, что, если поперечная утечка возникает в течение периода сразу после того, как батарея топливных элементов перестает требоваться для генерирования электроэнергии, а расход катодного газа снижается, давление газа на стороне катода уменьшается, а напряжение элемента соответственно быстро уменьшается. В этом случае, даже если расход подаваемого катодного газа увеличивается после обнаружения поперечной утечки, напряжение элемента не может быть восстановлено вовремя и может резко уменьшаться до напряжения, при котором элементы портятся. Таким образом, требуется технология предотвращения избыточного снижения напряжения элемента.

[0004] Первый объект изобретения относится к системе топливных элементов, содержащей батарею топливных элементов, имеющую множество единичных элементов, блок подачи анодного газа, который подает анодный газ на батарею топливных элементов, блок подачи катодного газа, который подает катодный газ на батарею топливных элементов, датчик напряжения, который определяет напряжение батареи топливных элементов, и контроллер, который управляет блоком подачи анодного газа и блоком подачи катодного газа. Контроллер осуществляет управление подачей катодного газа, чтобы повысить среднее напряжение элемента батареи топливных элементов за счет увеличения подачи катодного газа на батарею топливных элементов с помощью блока подачи катодного газа, когда электроэнергия, необходимая для генерирования батареей топливных элементов, равна нулю, а среднее напряжение элемента ниже предварительно заданного целевого напряжения. При управлении подачей катодного газа, контроллер определяет, удовлетворено ли предварительно заданное условие, указывающее, что поперечная утечка может произойти, и устанавливает целевое значение напряжения, когда предварительно заданное условие удовлетворено, на значение, которое выше, чем эталонное целевое напряжение, как целевое напряжение в случае, когда предварительно заданное условие не выполнено. Поперечная утечка представляет собой проникновение анодного газа от анодного электрода к катодному электроду в каждом из единичных элементов. При сконфигурированной таким образом системе топливных элементов, управление подачей катодного газа выполняется путем установки целевого напряжения на высокое значение, когда условие появления поперечной утечки выполняется. Таким образом, расход подаваемого катодного газа увеличивается в более ранний момент времени, и чрезмерное снижение напряжения элемента может эффективно быть сделано менее вероятным или маловероятным.

[0005] Система топливных элементов может дополнительно содержать блок измерения давления, который измеряет давление анодного газа батареи топливных элементов. Предварительно заданное условие может содержать условие, что давление анодного газа выше предварительно заданного порогового давления. При такой конфигурации системы топливных элементов можно легко определить условие, при котором может возникнуть поперечная утечка.

[0006] При управлении подачей катодного газа, контроллер может установить целевое напряжение на более высокое значение, когда давление анодного газа выше порогового давления, чем целевое напряжение, в случае, когда давление анодного газа ниже порогового давления. Таким образом, при такой конфигурации системы топливных элементов чрезмерное снижение напряжения элемента может быть эффективно сделано менее вероятным или маловероятным.

[0007] Предварительно заданное условие может включать в себя условие, что электроэнергия, требуемая для генерирования батареей топливных элементов, непосредственно перед тем, как требуемая электроэнергия уменьшается до нуля, равна или превышает предварительно заданную пороговую энергию. При такой конфигурации системы топливных элементов можно легко определить условие, при котором может возникнуть поперечная утечка.

[0008] Второй объект настоящего изобретения относится к способу управления системой топливных элементов, имеющей батарею топливных элементов со множеством единичных элементов. Способ содержит осуществление управления подачей катодного газа для повышения среднего напряжения элемента батареи топливных элементов за счет увеличения подачи катодного газа на батарею топливных элементов, когда электроэнергия, требуемая для генерирования батареей топливных элементов, равна нулю, а среднее напряжение элемента ниже предварительно заданного целевого напряжения. При управлении подачей катодного газа, определяют, выполняется ли предварительно заданное условие, указывающее, что может произойти поперечная утечка, и целевое напряжение устанавливается, когда заданное условие удовлетворено, на значение, которое выше, чем эталонное целевое напряжение, как целевое напряжение в случае, когда заданное условие не выполняется. Поперечная утечка представляет собой проникание анодного газа от анодного электрода к катодному электроду в каждом из элементов батареи топливных элементов.

[0009] Изобретение может быть реализовано в различных формах. Например, изобретение может быть реализовано в форме устройства для выработки электроэнергии, включающего в себя систему топливных элементов, транспортное средство, содержащее систему топливных элементов и так далее.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] Признаки, преимущества, а также техническая и промышленная значимость иллюстративных 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, схематично показывающий конфигурацию системы топливных элементов;

Фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую один пример процедуры управления подачей катодного газа;

Фиг. 3; представляет собой блок-схему, иллюстрирующую один пример процедуры процесса определения целевого напряжения;

Фиг. 4 представляет собой вид, показывающий взаимосвязь между давлением анодного газа, средним напряжением элемента и указанным расходом катодного газа;

Фиг. 5 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую один пример процесса определения целевого напряжения согласно второму варианту осуществления;

Фиг. 6 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением согласно третьему варианту осуществления

Фиг. 7 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением в соответствии с четвертым вариантом осуществления;

Фиг. 8 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением в соответствии с пятым вариантом осуществления; и

Фиг. 9. представляет собой график, показывающий взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением в соответствии с шестым вариантом осуществления.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

A. Первый вариант осуществления

[0011] На фиг. 1 схематично показана конфигурация системы 100 топливных элементов согласно одному варианту осуществления изобретения. Система 100 топливных элементов включает в себя батарею 10 топливных элементов, контроллер 20, блок 30 подачи катодного газа, блок 50 подачи анодного газа и блок 70 циркуляции хладагента. Система 100 топливных элементов также включает в себя преобразователь 80 постоянного тока, блок 81 управления электропитанием (который будет называться «БУЭ»), нагрузку 82, блок 83 измерения импеданса и датчик 84 напряжения. Система 100 топливных элементов этого варианта осуществления установлена, например, на транспортном средстве на топливных элементах.

[0012] Батарея 10 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 10 топливных элементов сформирована множеством единичных элементов 11, уложенных вместе. Каждый единичный элемент 11 имеет мембранный электрод в сборе (не показан), в котором анодный электрод (не показан) и катодный электрод (не показан) расположены на противоположных поверхностях электролитной мембраны (не показаны), а также пару разделителей (не показаны), между которыми находится мембранный электрод в сборе.

[0013] Контроллер 20 выполнен как компьютер, включающий в себя центральный процессор (ЦП), устройство памяти и схему сопряжения, к которой подключены соответствующие компоненты, которые будут описаны ниже. Контроллер 20 выдает сигнал для управления запуском и остановкой каждого устройства в системе 100 топливных элементов в соответствии с командой электронного блока 21 управления (ЭБУ). ЭБУ 21 является контроллером, который управляет всем устройством (например, транспортным средством), включая систему 100 топливных элементов. В транспортном средстве на топливных элементах, например, ЭБУ 21 управляет транспортным средством в соответствии с множеством входных значений, таких как величина нажатия педали акселератора, величина нажатия педали тормоза и скорость транспортного средства. ЭБУ 21 может входить, как часть функций контроллера 20. ЦП выполняет управляющие программы, хранящиеся в устройстве памяти, чтобы управлять выработкой электроэнергии с помощью системы 100 топливных элементов и осуществлять управление подачей катодного газа, которое будет описано позже.

[0014] Блок 30 подачи катодного газа включает в себя трубку 31 катодного газа, расходомер 32 воздуха, воздушный компрессор 33, первый запорный клапан 34, манометр 35, перепускной клапан 36, трубку 41 катодного отходящего газа и первый регулятор 42. Трубка 31 катодного газа соединена с батареей 10 топливных элементов, и подает воздух, забираемый снаружи, на батарею 10 топливных элементов.

[0015] Расходомер 32 воздуха расположен в трубке 31 катодного газа и измеряет расход воздуха, поступающего в трубку 31 катодного газа. Воздушный компрессор 33 сжимает воздух, поступающий снаружи, в соответствии с управляющим сигналом от контроллера 20 и подает сжатый воздух в виде катодного газа, на батарею 10 топливных элементов. Первый запорный клапан 34 размещен между воздушным компрессором 33 и батареей 10 топливных элементов. Манометр 35 измеряет давление (которое будет называться «давление катодного газа») на входном отверстии для катодного газа батареи 10 топливных элементов и отправляет результат измерения в контроллер 20. Перепускной клапан 36 размещен между воздушным компрессором 33 и трубкой 41 катодного отходящего газа и регулирует расход воздуха в батарее 10 топливных элементов и трубке 41 катодного отходящего газа.

[0016] Трубка 41 катодного отходящего газа выпускает катодный отходящий газ, выходящий из батареи 10 топливных элементов, наружу из системы 100 топливных элементов. Первый регулятор 42 регулирует давление на выходе катодного газа батареи 10 топливных элементов в соответствии с управляющим сигналом из контроллера 20.

[0017] Блок 50 подачи анодного газа включает в себя трубку 51 анодного газа, бачок 52 анодного газа, второй запорный клапан 53, второй регулятор 54, инжектор 55, манометр 56, трубку 61 анодного отходящего газа, газожидкостный сепаратор 62, воздушно-водный выпускной клапан 63, циркуляционную трубу 64 и насос 65 анодного газа. В нижеследующем описании, канал, содержащий участок трубки 51 анодного газа, расположенный ниже по потоку от инжектора 55, канал анодного газа в батарее 10 топливных элементов, трубка 61 анодного отходящего газа, газожидкостной сепаратор 62, циркуляционная труба 64 и насос 65 анодного газа будут называться «циркуляционным каналом 66». Циркуляционный канал 66 представляет собой канал, через который анодный отходящий газ батареи 10 топливных элементов циркулирует обратно в батарею 10 топливных элементов.

[0018] Бачок 52 анодного газа соединен с входным отверстием для анодного газа батареи 10 топливных элементов через трубку 51 анодного газа и подает анодный газ на батарею 10 топливных элементов. Второй запорный клапан 53, второй регулятор 54, инжектор 55 и манометр 56 находятся в трубке 51 анодного газа в данном порядке, если смотреть со стороны выше по потоку, а именно со стороны ближе к бачку 52 анодного газа.

[0019] Второй запорный клапан 53 открывается и закрывается в соответствии с управляющим сигналом от контроллера 20. Когда система 100 топливных элементов остановлена, второй запорный клапан 53 закрыт. Второй регулятор 54 регулирует давление водорода на стороне выше по потоку от инжектора 55 в соответствии с управляющим сигналом от контроллера 20. Инжектор 55 представляет собой запорный клапан с электромагнитным приводом, имеющий корпус клапана, который является электромагнитно приводимым в соответствии с циклом привода и периодом открытия клапана, установленного контроллером 20. Контроллер 20 регулирует расход анодного газа, подаваемого на батарею 10 топливных элементов, путем управления циклом привода и периодом открытия клапана инжектора 55. Манометр 56 измеряет давление на входном отверстии для анодного газа батареи 10 топливных элементов и отправляет результат измерения в контроллер 20. Манометр 56 может быть размещен на стороне выходного отверстия для анодного газа из батареи 10 топливных элементов. В этом случае вышеупомянутый манометр 35 также предпочтительно размещен на стороне выходного отверстия для катодного газа батареи 10 топливных элементов. В любом случае давление, измеренное манометром 56, можно назвать «давлением анодного газа». Манометр 56 также можно назвать «блоком измерения давления».

[0020] Трубка 61 анодного отходящего газа соединяет выпускное отверстие для анодного газа батареи 10 топливных элементов с газожидкостным сепаратором 62. Трубка 61 анодного отходящего газа выводит анодный отходящий газ, включающий газообразный водород и газообразный азот, которые не использовались при реакции выработки электроэнергии, на газожидкостный сепаратор 62.

[0021] Газожидкостный сепаратор 62 подключен между трубкой 61 анодного отходящего газа и циркуляционной трубой 64 циркуляционного канала 66. Газожидкостный сепаратор 62 отделяет воду, как примесь, от анодного отходящего газа в циркуляционном канале 66 и накапливает воду в нем.

[0022] Воздушно-водяной выпускной клапан 63 размещен ниже газожидкостного сепаратора 62. Воздушно-водяной выпускной клапан 63 выпускает воду, накопленную в газожидкостном сепараторе 62, и выпускает ненужный газ (главным образом, газообразный азот) в газожидкостном сепараторе 62. Во время работы системы 100 топливных элементов, воздушно-водяной выпускной клапан 63 обычно закрыт, и открывается и закрывается в соответствии с управляющим сигналом из контроллера 20. В этом варианте осуществления, воздушно-водяной выпускной клапан 63 соединен с трубкой 41 катодного отходящего газа, и вода и ненужный газ, выпускаемый через воздушно-водяной выпускной клапан 63, выпускаются наружу через трубку 41 катодного отходящего газа,

[0023] Циркуляционная труба 64 соединена с участком трубки 51 анодного газа, расположенной ниже по потоку от инжектора 55. Насос 65 анодного газа, который приводится в действие управляющим сигналом из контроллера 20, размещен в циркуляционной трубе 64. Анодный отходящий газ, от которого вода была отделена газожидкостным сепаратором 62, подается в трубку 51 анодного газа с помощью насоса 65 анодного газа. В этой системе 100 топливных элементов, анодный отходящий газ, содержащий водород, циркулирует и снова подается на батарею 10 топливных элементов, для повышения эффективности использования анодного газа.

[0024] Блок 79 циркуляции хладагента пропускает хладагент через батарею 10 топливных элементов, чтобы регулировать температуру батареи 10 топливных элементов. Блок 70 циркуляции хладагента включает в себя трубу 71 подачи хладагента, выходную трубу 72 для хладагента, радиатор 73, насос 74 хладагента, трехходовой клапан 75, обводную трубу 76 и температурный датчик 77. В качестве хладагента можно использовать воду, антифриз, например, этиленгликоль, воздух и т.п.

[0025] Труба 71 подачи хладагента соединена с входным отверстием для хладагента в батарее 10 топливных элементов, а труба 72 для выпуска хладагента соединена с выходным отверстием для хладагента батареи 10 топливных элементов. Радиатор 73, который соединен с трубой 72 для выпуска хладагента и трубой 71 подачи хладагента, охлаждает хладагент, вытекающий из трубы 72 для выпуска хладагента, с помощью воздушной струи от электрического вентилятора, например, и выпускает хладагент в трубу 71 подачи хладагента. Насос 74 хладагента размещен в трубе 71 подачи хладагента и подает хладагент под давлением на батарею 10 топливных элементов. Трехходовой клапан 75 регулирует расход хладагента в радиаторе 73 и обводной трубе 76. Температурный датчик 77 соединен с трубой 72 для выпуска хладагента и измеряет температуру хладагента, выпускаемого из батареи 10 топливных элементов. Температура, измеренная температурным датчиком 77, по существу равна температуре батареи 10 топливных элементов.

[0026] Преобразователь 80 постоянного тока поднимает выходное напряжение батареи 10 топливных элементов и подает его на БУЭ 81. БУЭ 81 включает в себя инвертор и подает электроэнергию на нагрузку 82 через инвертор под управлением контроллера 20. БУЭ 81 также ограничивает электрический ток батареи 10 топливных элементов под управлением контроллера 20. Амперметр 85, который измеряет ток батареи 10 топливных элементов, размещен между батареей 10 топливных элементов и преобразователем 80 постоянного тока.

[0027] Датчик 84 напряжения определяет напряжение батареи 10 топливных элементов. В этом варианте осуществления, датчик напряжения 84 вычисляет среднее напряжение элемента, исходя из напряжения батареи 10 топливных элементов. «Среднее напряжение элемента» представляет собой значение, полученное путем деления напряжения на противоположных концах батареи 10 топливных элементов на количество единичных элементов 11.

[0028] Амперметр 85 измеряет значение выходного тока батареи 10 топливных элементов. Блок 83 измерения импеданса измеряет импеданс переменного тока батареи 10 топливных элементов с использованием датчика напряжения 84 и амперметра 85 и отправляет свое измеренное значение на контроллер 20.

[0029] Электроэнергия батареи 10 топливных элементов подается на нагрузку 82, например, тяговый двигатель (не показан) для ведущих колес (не показан) и вышеупомянутый воздушный компрессор 33, насос 65 анодного газа и различные клапаны, через схему питания, включающую в себя БУЭ 81.

[0030] Блок-схема с фиг. 2 иллюстрирует один пример процедуры управления подачей катодного газа в соответствии с этим вариантом осуществления. Процедура на фиг. 2 запускается, когда система 100 топливных элементов переключается от нормальной работы до работы с требуемым нулевым выходом. «Работа с требуемым нулевым выходом» представляет собой режим работы системы 100 топливных элементов, выполняемый, когда электроэнергия, которую ЭБУ 21 требует генерировать батареей 10 топливных элементов, была равна нулю. «Работа с требуемым нулевым выходом» также будет называться «периодической работой». Во время работы с требуемым нулевым выходом, батареей 10 топливных элементов может генерироваться небольшой ток, чтобы не допустить, чтобы напряжение элемента 11 было равно напряжению разомкнутой цепи. При работе с требуемым нулевым выходом,, электроэнергия для каждого устройства подается от другого источника питания (не показан), например, аккумуляторной батареи. «Работа с требуемым нулевым выходом» также включает в себя случай, когда электроэнергия, генерируемая батареей 10 топливных элементов, заряжает аккумуляторную батарею или тому подобное, без использования для приведения в действие нагрузки 82, например, электродвигателя. При работе с требуемым нулевым выходом, вспомогательные устройства останавливаются, насколько это возможно, для повышения топливного КПД. В частности, предпочтительно останавливать воздушный компрессор 33, насколько это возможно, во время работы с требуемым нулевым выходом, поскольку большой объем электроэнергии потребляется воздушным компрессором 33.

[0031] Контроллер 20 запускает управление подачей катодного газа, показанное на фиг. 2, когда начинается работа с требуемым нулевым выходом. Контроллер 20 заканчивает управление с фиг. 2, когда выдается команда на остановку работы с требуемым нулевым выходом, а более конкретно, когда электроэнергия, которую ЭБУ 21 требует для генерирования батареей 10 топливных элементов, перестает быть нулевой, точнее, когда ЭБУ 21 требует, чтобы батарея 10 топливных элементов генерировала электроэнергию.

[0032] На этапе S100, контроллер 20 уменьшает расход катодного газа, подаваемого на батарею 10 топливных элементов. В этом варианте осуществления, воздушный компрессор 33 останавливается, и подача катодного газа прекращается. Более конкретно, расход катодного газа, подаваемого на батарею 10 топливных элементов воздушным компрессором 33, установлен равным нулю. Таким образом, предпочтительно останавливать воздушный компрессор 33 с точки зрения повышения топливного КПД. Кроме того, с точки зрения повышения топливного КПД, предпочтительно, чтобы расход подаваемого анодного газа был равен нулю. Могут быть использованы различные способы для снижения расхода катодного газа, подаваемого на батарею 10 топливных элементов, без остановки подачи катодного газа. Например, расход катодного газа, подаваемого на батарею 10 топливных элементов, может быть уменьшен путем регулирования открытия перепускного клапана 36 при сохранении воздушного компрессора 33 в приводимом состоянии.

[0033] Затем контроллер 20 определяет целевое напряжение Vm среднего напряжения элемента на этапе S110. Эта операция будет называться «операцией определения целевого напряжения». Целевое напряжение Vm предпочтительно устанавливается выше 0 В и более предпочтительно устанавливается на значение, равное или превышающее 0,6 В и равное или меньшее 0,85 В. Подробная информация об операции определения целевого напряжения будет описана ниже.

[0034] Затем, на этапе S120, контроллер 20 получает среднее напряжение Vfc элемента и определяет, ниже ли среднее напряжение Vfc элемента, чем целевое напряжение Vm. Когда среднее Vfc напряжение ниже целевого напряжения Vm, контроллер 20 переходит к этапу S130, чтобы увеличить расход катодного газа, подаваемого на батарею 10 топливных элементов. В этом варианте осуществления запускается воздушный компрессор 33, и подача катодного газа возобновляется. Расход подаваемого в это время катодного газа заранее определяется эмпирически и может быть установлен по желанию. Расход катодного газа, подаваемого на этапе S130, также может быть определен на основе карты или функции, которая определяет взаимосвязь между состояниями батареи 10 топливных элементов и расходом катодного газа. С другой стороны, когда среднее напряжение Vfc элемента равно или превышает целевое напряжение Vm, контроллер 20 возвращается к этапу S100. А именно, подачу катодного газа снижают или останавливают до тех пор, пока напряжение Vfc элемента не станет ниже целевого напряжения Vm. В этом случае этап S110 может выполняться только тогда, когда процедура на фиг. 2 выполняется впервые.

[0035] После увеличения расхода катодного газа, подаваемого на батарею 10 топливных элементов на этапе S130, контроллер 20 снова получает среднее напряжение Vfc элемента и определяет, превышает ли среднее напряжение Vfc элемента целевое напряжение Vm. Когда среднее напряжение Vfc элемента выше, чем целевое напряжение Vm, контроллер 20 возвращается к этапу S100 и уменьшает расход катодного газа, подаваемого на батарею 10 топливных элементов. В этом варианте осуществления, контроллер 20 останавливает воздушный компрессор 33, и прекращает подачу катодного газа. С другой стороны, когда среднее напряжение Vfc элемента равно или ниже целевого напряжения Vm, контроллер 20 возвращается к этапу S140 и продолжает подачу катодного газа. Таким образом, на этапах S130, S140 расход подаваемого катодного газа временно увеличивается до тех пор, пока среднее напряжение Vfc элемента не превысит целевое напряжение Vm.

[0036] В качестве целевого напряжения Vm, используемого на этапе S140, может использоваться значение, превышающее целевое напряжение Vm, используемое на этапе S120. Однако целевое напряжение Vm, используемое на этапе S140, и целевое напряжение Vm, используемое на этапе S120, предпочтительно устанавливают на одно и то же значение, так что управление упрощается. Между этапом S130 и этапом S140 снова может быть выполнена операция определения целевого напряжения.

[0037] В то время как среднее напряжение Vfc элемента используется для выполнения определений на этапах S120, S140 в процедуре на фиг. 2, напряжение на противоположных концах батареи 10 топливных элементов может быть использовано вместо среднего напряжения Vfc элемента для определения на этапе S120, S140. Так как среднее напряжение Vfc элемента получается путем деления напряжения на противоположных концах батареи 10 топливных элементов на количество единичных элементов 11, как описано выше, определения, сделанные на основе напряжения на противоположных концах батареи 10 топливных элементов, эквивалентны определениям, сделанным на основе среднего напряжения элемента.

[0038] Блок-схема с фиг. 3 иллюстрирует один пример процедуры операции определения целевого напряжения. Первоначально контроллер 20 определяет на этапе S200, удовлетворено ли условие, при котором вероятно может возникнуть состояние поперечной утечки (которое будет называться «условием возникновения поперечной утечки»), то есть проникание анодного газа от анодного электрода к катодному электроду в единичном элементе 11. В качестве условия поперечной утечки, например, можно использовать любое из следующих условий.

Первое условие возникновения поперечной утечки: давление анодного газа выше предварительно заданного порогового давления.

Второе условие возникновения поперечной утечки: электроэнергия, требуемая для генерирования системой 100 топливных элементов, непосредственно перед началом работы с требуемым нулевым выходом, была равна или больше предварительно заданной пороговой энергии.

Третье условие возникновения поперечной утечки: температура батареи 10 топливных элементов выше предварительно заданной пороговой температуры.

Четвертое условие возникновения поперечной утечки: относительная влажность электролитной мембраны единичного элемента 11 батареи 10 топливных элементов выше предварительно заданной пороговой влажности.

Пятое условие возникновения поперечной утечки: разность между давлением анодного газа и давлением катодного газа выше предварительно заданного порогового значения.

[0039] Когда выполняется первое условие возникновения поперечной утечки, давление газа на стороне анода велико в каждом единичном элементе 11; поэтому вероятность возникновения поперечной утечки высока. Если среднее напряжение Vfc элемента снижается в состоянии, когда давление анодного газа велико, наклон кривой снижения, вероятно, будет большим. Таким образом, когда условие, при котором давление анодного газа является высоким, используется в качестве условия возникновения поперечной утечки, то может быть успешно и правильно определено, чрезмерно ли снижено напряжение элемента. Пороговое давление может быть эмпирически определено заранее. В качестве порогового давления можно использовать значение в диапазоне от 130 кПа до 160 кПа, например.

[0040] Когда выполняется второе условие возникновения поперечной утечки, относительно большой объем анодного газа подается на батарею 10 топливных элементов, чтобы генерировать достаточно большую электроэнергию. Соответственно, в этом случае давление газа на стороне анодного электрода каждого единичного элемента 11 является высоким, и с большой вероятностью может возникнуть поперечная утечка; поэтому определение на этапе S200 может быть выполнено только на основе требуемой электроэнергии без использования давления анодного газа. Если среднее напряжение Vfc элемента снижается, а требуемая электроэнергия является большой, наклон кривой снижения, вероятно, будет большим. Таким образом, когда условие, при котором требуемая электроэнергия является большой, используется в качестве условия возникновения поперечной утечки, то может быть успешно и правильно определено, чрезмерно ли снижено напряжение элемента. Пороговая электроэнергия может быть эмпирически определена заранее. Например, в качестве пороговой электроэнергии может использоваться значение в диапазоне от 10 Вт до 20 Вт на элемент 11.

[0041] Когда выполняется третье условие возникновения поперечной утечки, температура в каждом единичном элементе 11 высока; поэтому скорость вибрации молекул возрастает, и поперечная утечка, вероятней всего, возникнет. Пороговую температуру можно заранее определить эмпирически. Например, в качестве пороговой температуры может использоваться значение в диапазоне от 70 ° С до 90°С.

[0042] Когда выполняется четвертое условие возникновения поперечной утечки, относительная влажность мембраны электролита высока в каждом единичном элементе 11; поэтому количество воды, содержащейся в электролитной мембране, велико, и анодный газ может растворяться в воде электролитной мембраны. В результате может возникнуть поперечная утечка. Относительную влажность электролитной мембраны можно оценить по импедансу переменного тока (AC). Импеданс переменного тока соответствует значению сопротивления электролитной мембраны единичного элемента 11 и взаимосвязан с содержанием воды в электролитной мембране. Более конкретно, значение импеданса увеличивается при снижении содержания воды в электролитной мембране, точнее, при снижении относительной влажности электролитной мембраны. Напротив, значение импеданса уменьшается, когда содержание воды в электролитной мембране повышается, точнее, когда относительная влажность электролитной мембраны возрастает. Пороговую влажность можно заранее определить эмпирически. Например, в качестве пороговой влажности можно использовать значение в диапазоне от 60% до 70%.

[0043] Когда выполняется пятое условие возникновения поперечной утечки, разность между парциальным давлением анодного газа на стороне анодного электрода и на стороне катодного электрода велика; поэтому может произойти поперечная утечка. Пороговое значение может быть эмпирически определено заранее. Например, в качестве порогового значения может использоваться значение в диапазоне от 20 кПа до 30 кПа.

[0044] Вышеуказанные условия могут быть объединены, если необходимо, для использования в качестве условия возникновения поперечной утечки. В этом варианте осуществления используется первое условие возникновения поперечной утечки.

[0045] На этапе S200 с фиг. 3, когда условие возникновения поперечной утечки не выполняется, контроллер 20 переходит к этапу S210, чтобы определить эталонное целевое напряжение Vref в качестве целевого напряжения Vm. Эталонное целевое напряжение Vre может быть определено эмпирически заранее, как напряжение, которое позволяет системе 100 топливных элементов вернуться от работы с требуемым нулевым выходом к нормальной работе, без задержки срабатывания, когда требуется генерирование электроэнергия. С другой стороны, когда условие возникновения поперечной утечки выполняется, контроллер 20 переходит к этапу S215, чтобы определить значение Vup, которое выше эталонного целевого напряжения Vref, в качестве целевого напряжения Vm.

[0046] Временная диаграмма на фиг. 4 показывает один пример взаимосвязи между давлением анодного газа, средним напряжением Vfc элемента и указанным расходом катодного газа. Диаграмма в верхней части показывает изменение давления анодного газа, а диаграмма в средней части обозначает изменения среднего напряжения Vfc элемента и целевого напряжения Vm. Диаграмма в нижней части показывает изменение указанного расхода (который будет называться «расходом катодного газа») подаваемого катодного газа. Как показано на фиг. 4, контроллер 20 переключает систему 100 топливных элементов с нормальной работы на работу с требуемым нулевым выходом в момент t0 времени. В примере с фиг. 4, генерирование электроэнергии прекращается в батарее 10 топливных элементов, а указанный расход катодного газа устанавливается на ноль. Когда указанный расход катодного газа равен нулю, работа воздушного компрессора 33 прекращается.

[0047] Как показано на диаграмме в верхней части фиг. 4, давление анодного газа постепенно уменьшается из-за поперечной утечки анодного газа с момента t0 времени, в который система 100 топливных элементов переключается на работу с требуемым нулевым выходом. Затем, в момент t2 времени, давление анодного газа уменьшается до порогового давления Pt, на основании которого определяется, выполняется ли условие возникновения поперечной утечки.

[0048] Как показано на диаграмме в средней части фиг. 4, когда система 100 топливных элементов переключается с нормальной работы на работу с требуемым нулевым выходом, в ситуации, когда вероятна поперечная утечка, среднее напряжение Vfc элемента быстро снижается. Если среднее напряжение Vfc элемента чрезмерно понижено, характеристики единичного элемента 11 могут ухудшаться. Поэтому, в примере на фиг. 4, в момент t1 времени, при котором среднее напряжение Vfc элемента становится ниже целевого напряжения Vm, контроллер 20 возобновляет подачу катодного газа на батарею 10 топливных элементов с помощью воздушного компрессора 33. Таким образом, чрезмерное уменьшение среднего напряжения Vfc элемента становится менее вероятным или маловероятным за счет регулирования подачи катодного газа, более конкретно, за счет установки целевого напряжения Vm на значение Vup выше эталонного целевого напряжения Vref, так что подача катодного газа начинается в более ранней момент t1 времени.

[0049] Как показано на диаграмме в нижней части фиг. 4, подача катодного газа прекращается в течение периода с момента t0 времени до момента t1 времени; таким образом, указанный расход воздуха устанавливается на ноль Контроллер 20 выполняет этап S130 с фиг. 2 (возобновляет подачу катодного газа в примере с фиг. 4) в момент t1 времени и выполняет управление этапами S100 - S140 в каждом цикле управления. В результате расход катодного газа скачкообразно увеличивается. После момента t2 времени условие возникновения поперечной утечки не выполняется; поэтому на этапе S110 с фиг. 2, целевое напряжение Vm устанавливается на эталонное целевое напряжение Vref, а также выполняется управление скачкообразно увеличивающимся расходом подаваемого катодного газа. В этом примере с фиг. 4, указанный расход катодного газа после момента t2 времени, в который условие возникновения поперечной утечки перестает удовлетворяться, устанавливается на значение, меньшее, чем указанный расход Q1 катодного газа, в период от t1 времени до момента t2 времени, в который условие возникновения поперечной утечки удовлетворяется. Однако изобретение не ограничивается этим, и указанный расход катодного газа может быть определен по желанию.

[0050] В соответствии с системой 100 топливных элементов этого варианта осуществления, когда условие возникновения поперечной утечки удовлетворяется, контроллер 20 устанавливает целевое напряжение Vm на значение выше, чем в случае, когда условие возникновения поперечной утечки не выполняется, и выполняет регулировку подачи катодного газа для увеличения среднего напряжения Vfc элемента. Таким образом, смещается вперед момент времени, в течение которого расход подаваемого катодного газа увеличивается (то есть расход катодного газа увеличивается в более раннее время), а чрезмерное уменьшение напряжения элемента становится менее вероятным или маловероятным.

[0051] Кроме того, условие возникновения поперечной утечки, используемое в этом варианте осуществления, заключается в том, что давление анодного газа выше предварительно заданного порогового давления; поэтому возникновение поперечной утечки может быть с легкостью обнаружено

B. Второй вариант осуществления

[0052] Блок-схема с фиг. 5 иллюстрирует один пример процедуры управления подачей катодного газа в соответствии со вторым вариантом осуществления. Конфигурация системы топливных элементов согласно второму варианту осуществления идентична конфигурации системы топливных элементов согласно первому варианту осуществления и не будет здесь описана. Управление подачей катодного газа согласно второму варианту осуществления отличается от управления в соответствии с первым вариантом осуществления тем, что процесс продувки жидкой водой выполняется, когда накапливается жидкая вода, однако идентично таковому в первом варианте осуществления на других этапах. Процесс продувки жидкой водой представляет собой способ для уменьшения воды, которая остается в батарее 10 топливных элементов, и воды, осажденной на трубах, клапанах и т. д. системы 100 топливных элементов, путем управления соответствующими составными частями системы 100 топливных элементов.

[0053] В вышеприведенном первом варианте осуществления после определения того, что среднее напряжение Vfc элемента ниже целевого напряжения Vm на этапе S140, контроллер 20 возвращается к этапу S140 и продолжает подавать катодный газ. Во втором варианте осуществления после определения того, что среднее напряжение Vfc элемента ниже целевого напряжения Vm на этапе S140, контроллер 20 выполняет процесс продувки жидкой водой по мере необходимости в соответствии с этапами S150, S160.

[0054] На этапе S140 контроллер 20 снова получает среднее напряжение Vfc элемента. Когда полученное среднее напряжение Vfc элемента равно или ниже целевого напряжения Vm, контроллер 20 переходит к этапу S150 и определяет, ниже ли полученное на этапе S140 среднее напряжение Vfc элемента, чем нижнее предельное напряжение Vlow. Нижнее предельное напряжение Vlow может быть эмпирически определено заранее, в качестве значения напряжения, на основании которого определяется, что жидкая вода накапливается в батарее 10 топливных элементов (например, значения напряжения, при котором катализатор единичного элемента 11 переключается между окислением и восстановлением). Нижнее предельное напряжение Vlow представляет собой значение, равное или превышающее 0,4 В, и равное или меньшее 0,7 В, и устанавливается на значение, меньшее, чем целевое напряжение Vm, используемое на этапе S140. Когда среднее напряжение Vfc элемента ниже, чем нижнее предельное напряжение Vlow, контроллер 20 переходит к этапу S160 и выполняет процесс продувки жидкой водой. С другой стороны, когда среднее напряжение Vfc элемента равно или больше, чем нижнее предельное напряжение Vlow, контроллер 20 возвращается к этапу S140 и продолжает подавать катодный газ.

[0055] После выполнения процесса продувки жидкой водой на этапе S160, контроллер 20 возвращается к этапу S100. Согласно способу продувки жидкой водой по этому варианту осуществления, контроллер 20 управляет блоком 30 подачи катодного газа для чрезмерного впрыска катодного газа на батарею 10 топливных элементов. Например, предпочтительно вводить катодный газ в течение нескольких секунд при расходе, который в 10 раз больше, чем расход, необходимый для поддержания обычного напряжения, более конкретно, катодный газ, обозначающий расход после момента t2 времени, когда условие возникновения поперечной утечки не выполняется, как показано на фиг. 4.

[0056] В соответствии с системой 100 топливных элементов этого варианта осуществления, как описано выше, контроллер 20 выполняет процесс продувки, когда происходит накопление жидкой воды. Таким образом, чрезмерное понижение напряжения элемента может быть сделано менее вероятным или маловероятным.

C. Другие варианты осуществления

[0057] Конфигурация системы топливных элементов согласно третьему варианту осуществления, описанная ниже, является идентичной системе топливных элементов в соответствии с первым вариантом осуществления, и таким образом, не будет описана здесь. Управление подачей катодного газа согласно третьему варианту осуществления отличается от первого варианта осуществления во взаимосвязи между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm в процессе определения целевого напряжения, однако оно идентично режиму первого варианта осуществления на других этапах.

[0058] На диаграмме с фиг. 6 показана взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm, используемым в процессе определения целевого напряжения в третьем варианте осуществления. В этом примере, когда давление анодного газа равно или превышает пороговое давление Pt, при котором или выше которого выполняется условие возникновения поперечной утечки, наклон снижения кривой среднего напряжения Vfc элемента немедленно после переключения на работу с требуемым нулевым выходом резче при повышении давления анодного газа; поэтому целевое напряжение Vm устанавливается на большее значение при возрастании давления анодного газа. В то время как целевое напряжение Vm устанавливается на одно из трех значений, выбранных в соответствии с давлением анодного газа в третьем варианте осуществления, целевое напряжение Vm может быть установлено по - разному. Таким образом, при конфигурированной таким образом системе 100 топливных элементов, поскольку целевое напряжение Vm устанавливается на большее значение по мере увеличения давления анодного газа, чрезмерное снижение напряжения элемента может эффективно быть сделано менее вероятным или маловероятным.

[0059] На диаграмме с фиг. 7 показана взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm, используемым в процессе определения целевого напряжения в соответствии с четвертым вариантом осуществления. Этот пример аналогичен приведенному на фиг. 6, в котором целевое напряжение Vm устанавливается на большее значение при повышении давления анодного газа, однако взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm представлена непрерывной кривой. С этой конфигурацией также, поскольку целевое напряжение Vm установлено таким образом, чтобы увеличиваться по мере увеличения давления анодного газа, чрезмерное снижение напряжения элемента может эффективно быть сделано менее вероятным или маловероятным.

[0060] На графике с фиг. 8 показана взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm, используемая в процессе определения целевого напряжения в соответствии с пятым вариантом осуществления. Этот пример аналогичен приведенному на фиг. 6 в том, что целевое напряжение Vm устанавливается на большее значение при повышении давления анодного газа, однако взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm определяется в соответствии с температурой батареи 10 топливных элементов. На фиг. 8 график G1a обозначает взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm, когда температура батареи 10 топливных элементов высока, а график G1b обозначает взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm, когда температура батареи 10 топливных элементов низкая. Критериальная температура, на основе которой определяется, является ли температура батареи 10 топливных элементов высокой или низкой, эмпирически определяется заранее и может быть определена по желанию. Сравнение между графиком G1a и графиком G1b показывает, что целевое напряжение Vm на графике G1b ниже, чем на графике G1a. Таким образом, целевое напряжение Vm устанавливается на более высокое значение, когда температура батареи 10 топливных элементов высока, чем в случае, когда температура низкая. График G1a и график G1b могут быть идентичны друг другу, когда давление анодного газа равно или ниже порогового давления Pt. При этой конфигурации также, целевое напряжение Vm устанавливается таким образом, чтобы увеличиваться по мере увеличения давления анодного газа в диапазоне, в котором выполняется условие возникновения поперечной утечки, так что чрезмерное снижение напряжения элемента может эффективно быть сделано менее вероятным или маловероятным.

[0061] На графике с фиг. 9 показана взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm, используемым в процессе определения целевого напряжения в соответствии с шестым вариантом осуществления. Этот пример аналогичен приведенному на фиг. 8 в том, что взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm определяется в соответствии с температурой батареи 10 топливных элементов, а целевое напряжение Vm устанавливается на большее значение при повышении давления анодного газа. Однако в примере фиг. 9, пороговые значения давления анодного газа, при которых изменяется значение целевого напряжения, устанавливаются в зависимости от температуры батареи 10 топливных элементов. На фиг. 9 график G2a обозначает взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm, когда температура батарея 10 топливных элементов высока, а график G2b обозначает взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm, когда температура батареи 10 топливных элементов низкая. Сравнение между графиком G2a и графиком G2b показывает, что пороговые значения давления анодного газа, при которых изменяется значение целевого напряжения Vm, больше на графике G2b, чем такие значения на графике G2a. Например, давление анодного газа в качестве порогового значения условия возникновения поперечной утечки составляет Pt1 на графике G2a и составляет Pt2, которое больше, чем Pt1, на графике G2b. Кроме того, целевое напряжение Vm ниже на графике G2b. При этой конфигурации также целевое напряжение Vm устанавливается таким образом, чтобы увеличиваться по мере увеличения давления анодного газа в диапазоне, в котором выполняется условие возникновения поперечной утечки, так что чрезмерное снижение напряжения элемента может эффективно быть сделано менее вероятным или маловероятным.

[0062] В вариантах осуществления, показанных на фиг. 8 и фиг. 9, процесс определения целевого напряжения выполняется с использованием графиков, на которых взаимосвязь между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm отличается в зависимости от температуры батареи топливных элементов. Вместо этого процесс определения целевого напряжения может быть выполнен с использованием графика, на котором соотношение между давлением анодного газа и целевым напряжением Vm отличается, в соответствии с относительной влажностью электролитной мембраны каждого единичного элемента 11 батареи 10 топливных элементов. Более конкретно, целевое напряжение Vm устанавливается на более высокое значение, когда относительная влажность электролитной мембраны каждого единичного элемента 11 батареи 10 топливных элементов высока, чем в случае, когда относительная влажность низкая.

[0063] Настоящее изобретение не ограничено вышеприведенными вариантами осуществления, и 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 всего результата, упомянутого выше. Если есть какой-либо технический признак, который не описан как существенный в этом описании, этот технический признак может быть удален соответствующим образом.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системе топливных элементов и способу управления указанной системой, и может быть использовано в различных устройствах для выработки электроэнергии. Контроллер системы топливных элементов выполняет управление подачей катодного газа, чтобы повысить среднее напряжение элемента батареи топливных элементов за счет увеличения подачи катодного газа на батарею топливных элементов, когда электроэнергия, требуемая для генерирования батареей топливных элементов, равна нулю, а среднее напряжение элемента ниже предварительно заданного целевого напряжения. При управлении подачей катодного газа контроллер устанавливает целевое значение напряжения, когда предварительно заданное условие, указывающее на вероятность возникновения перекрестной утечки, удовлетворяется, на значение выше, чем эталонное выходное напряжение в качестве выходного напряжения в случае, когда это условие не удовлетворяется. Предотвращение резкого снижения напряжения, которое может привести к снижению срока службы топливных элементов, а также повышение эффективности работы топливных элементов является техническим результатом изобретения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система топливных элементов, содержащая:

батарею топливных элементов, имеющую множество единичных элементов;

блок подачи анодного газа, который подает анодный газ на батарею топливных элементов;

блок подачи катодного газа, который подает катодный газ на батарею топливных элементов;

датчик напряжения, который определяет напряжение батареи топливных элементов; и

контроллер, который управляет блоком подачи анодного газа и блоком подачи катодного газа,

в которой контроллер выполняет управление подачей катодного газа, чтобы повысить среднее напряжение элемента батареи топливных элементов за счет увеличения подачи катодного газа на батарею топливных элементов с помощью блока подачи катодного газа, когда электроэнергия, необходимая для генерирования батареей топливных элементов, равна нулю, а среднее напряжение элемента ниже, чем предварительно заданное целевое напряжение, и

при управлении подачей катодного газа контроллер определяет, выполняется ли предварительно заданное условие, указывающее, что может произойти поперечная утечка, и когда выполняется предварительно заданное условие, устанавливает целевое напряжение на значение, которое выше, чем эталонное целевое напряжение, как целевое напряжение в случае, когда предварительно заданное условие не выполняется, при этом поперечная утечка представляет собой проникновение анодного газа от анодного электрода к катодному электроду в каждом из единичных элементов.

2. Система топливных элементов по п.1, дополнительно содержащая блок измерения давления, который измеряет давление анодного газа батареи топливных элементов,

в которой предварительно заданное условие содержит условие, что давление анодного газа выше предварительно заданного порогового давления.

3. Система топливных элементов по п.2, в которой при управлении катодным газом контроллер устанавливает целевое напряжение на более высокое значение, когда давление анодного газа выше порогового давления, чем целевое напряжение в случае, когда давление анодного газа ниже порогового давления.

4. Система топливных элементов по любому из пп.1-3, в которой предварительно заданное условие содержит условие, что электроэнергия, требуемая для генерирования батареей топливных элементов непосредственно перед тем, как требуемая электроэнергия уменьшается до нуля, равна или больше, чем предварительно заданная пороговая электроэнергия.

5. Способ управления системой топливных элементов, имеющей батарею топливных элементов с множеством единичных элементов, при этом способ содержит:

осуществление управления подачей катодного газа, чтобы повысить среднее напряжение элемента батареи топливных элементов за счет увеличения подачи катодного газа на батарею топливных элементов, когда электроэнергия, требуемая для генерирования батареей топливных элементов, равна нулю, а среднее напряжение элемента ниже предварительно заданного целевого напряжения,

в котором при управлении подачей катодного газа определяется, выполняется ли предварительно заданное условие, указывающее на вероятность возникновения поперечной утечки, и целевое напряжение устанавливается, когда предварительно заданное условие удовлетворено, на значение, которое больше, чем эталонное целевое напряжение, как целевое напряжение в случае, когда предварительно заданное условие не выполняется, при этом поперечная утечка представляет собой проникновение анодного газа от анодного электрода к катодному электроду в каждом из единичных элементов батареи топливных элементов.