СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
SYSTEM OF FUEL ELEMENTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе топливных элементов.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Традиционно топливные элементы формируются из множества единичных ячеек, соединенных последовательно. Каждая единичная ячейка генерирует электроэнергию из топливного газа, содержащего водород, который подается на анод, и газа-окислителя, который подается на катод. Количество подаваемого газа-реагента (например, топливного газа или газа-окислителя), необходимого для каждой единичной ячейки, зависит от требуемого генерируемого тока (т.е. от тока нагрузки). Поэтому в системе топливных элементов количество подаваемого газа-реагента регулируется в соответствии с током нагрузки таким образом, чтобы его не было недостаточно.
Однако в некоторых случаях газа-реагента в одной или более единичных ячейках может быть недостаточно по сравнению с требуемым количеством. К таким примерам относится случай, когда газовый канал в единичной ячейке закупоривается водой, вырабатываемой во время генерации электрической мощности (энергии), или случай, когда вода в газовом канале замерзает и тем самым закупоривает газовый канал. Если газа-реагента становится недостаточно для обеспечения необходимого количества подачи, то протекание требуемого тока не может вызываться исключительно реакциями генерации мощности газов-реагентов (т.е. нормальными реакциями генерирования мощности). Однако, поскольку единичные ячейки соединены последовательно, то даже единичной ячейке, имеющей недостаток в подаче количества газа-реагента, требуется обеспечить такую же величину электрического тока, как другим нормальным единичным ячейкам. Поэтому при форсированном протекании тока в единичной ячейке, имеющей недостаток в подаче газа-реагента, могут происходить следующие аномальные химические реакции.
2
2
2
2
+
-
+
-
2+
-
С анода элемента, имеющего недостаток в подаче топливного газа, несмотря на отсутствие водорода, необходимо выделять электроны. В результате происходит реакция окисления воды (2HO→ O+4H+4e), реакция окисления углерода (C+2HO→CO+4H+4e) и реакция вымывания (элюирования) платины Pt (Pt→Pt+2e), а также реакция окисления электролитического компонента, и т.д. С другой стороны, единичной ячейке, имеющей недостаток в подаче газового окислителя, несмотря на отсутствие кислорода, необходимо принять электроны на катод. В результате возникает явление, при котором протоны передвигаются со стороны анода на сторону катода через электролитическую мембрану и рекомбинируют с электронами. Возникает так называемое явление «водородной накачки».
В частности, аномальные химические реакции, происходящие из-за недостатка топливного газа, приводят к разрушению и деградации MEA (Membrane Electrode Assembly - Набор Мембранных Электродов). Поэтому в системе топливных элементов важно детектировать недостаток подачи топливного газа на раннем этапе. Такое детектирование может достигаться посредством измерения напряжения каждой единичной ячейки. Потенциал анода единичной ячейки, имеющей недостаток в подаче топливного газа, увеличивается в ответ на аномальные химические реакции и становится выше, чем потенциал катода. Возникает так называемое явление «обратного потенциала». Поэтому посредством мониторинга напряжения (т.е. обратного потенциала) каждой единичной ячейки может быть определен недостаток подачи топливного газа.
В системах топливных элементов из уровня техники, если напряжение какой-либо единичной ячейки падает ниже предварительно заданного порогового напряжения, выполняется предварительно определенный процесс восстановления напряжения, например задается более низкое значение тока нагрузки или временно приостанавливается генерация мощности. Технологии, относящиеся к обратному потенциалу топливного элемента, описаны, например, в публикации заявки на патент, поданной в Японии № 2006-147178 (JP-A-2006-147178), в публикации заявки на патент, поданной в Японии № 11-67254 (JP-A-11-67254), в публикации заявки на патент, поданной в Японии № 2004-30979 (JP-A-2004-30979), в публикации заявки на патент, поданной в Японии № 2006-73501 (JP-A-2006-73501), в публикации заявки на патент, поданной в Японии № 2006-49259 (JP-A-2006-49259), и в публикации заявки на патент, поданной в Японии № 2004-241236 (JP-A-2004-241236).
Когда топливные элементы запускаются при низкой температуре, в особенности, запускаются при температуре ниже точки замерзания, газовые каналы могут закупориваться льдом или водой, посредством этого топливному элементу может не хватать топливного газа. Для удаления льда или воды, закупоривающей газовые каналы, можно использовать саморазогревание топливного элемента. Для увеличения саморазогревания топливных элементов эффективно создавать недостаточную величину подачи газа-окислителя. Поэтому подача меньшего количества газа-окислителя, чем требуется, по току нагрузки, может увеличивать перенапряжение на катоде и, поэтому может ускорять саморазогревание топливного элемента.
При недостаточной подаче газа-окислителя потенциал катода значительно падает по отношению к рабочему потенциалу. Кроме того, сопротивление MEA при низких температурах становится выше, таким образом, чтобы потери напряжения на сопротивление МЕА также становились заметными. В результате напряжение элемента иногда может становиться отрицательным, как в случае недостаточной подачи топливного газа. Однако, в отличие от увеличения потенциала анода, вызванного недостаточной подачей топливного газа, уменьшение потенциала катода, вызванного недостаточной подачей газа-окислителя, допустимо. Если это не обеспечивается, прогрев топливного элемента не может быть ускорен, так что пусковые характеристики топливного элемента при низких температурах будут ухудшаться.
Однако на практике может быть измерено только напряжение элемента, а единичной ячейки каждый из потенциалов анода и катода на практике измерен быть не может без использования контрольных электродов. Поэтому, в соответствии с системой топливных элементов из уровня техники, когда в целях нагрева системы топливных элементов при низких температурах запуска, принудительно подается недостаточное количество газа-окислителя, невозможно определить, вызван ли обратный потенциал единичной ячейки увеличением потенциала анода или нет. Следовательно, значение порогового напряжения, используемого для определения момента начала упомянутого выше процесса восстановления напряжения, не может быть задано более высоким для предпочтительной защиты набора мембранных электродов.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание системы топливных элементов, которая эффективно, без излишней остановки или ограничения генерации мощности, предотвращает деградацию MEA, происходящую в результате недостаточной подачи топливного газа.
Допустимо обратное напряжение единичной ячейки до тех пор, пока это обратное напряжение единичной ячейки вызвано увеличением потенциала на аноде. Поэтому система топливных элементов изобретения включает в себя средство для различия причин обратного напряжения единичной ячейки.
Система топливных элементов в соответствии с первым аспектом изобретения включает в себя единичную ячейку, генерирующую электрическую мощность посредством электрохимической реакции между топливным газом, подаваемым к аноду единичной ячейки, и газом-окислителем, подаваемым к катоду единичной ячейки; топливный элемент, сформированный единичной ячейкой; средство измерения напряжения для измерения напряжения единичной ячейки; средство управления генерацией мощности для ограничения генерации мощности топливного элемента при напряжении единичной ячейки ниже предварительно определенного порогового напряжения; средство измерения внутреннего сопротивления (IR) для измерения внутреннего сопротивления единичной ячейки; средство задания порогового напряжения для задания предварительно определенного порогового напряжения на основании IR сопротивления и тока нагрузки.
Средство задания порогового напряжения может хранить карту данных, которые приблизительно совпадают с вольт-амперными характеристиками при недостаточной подаче топливного газа к аноду, и может задавать предварительно определенное пороговое значение напряжения на основе напряжения по отношению к току нагрузки, полученному из карты данных и IR потерь, рассчитанных из IR сопротивления и тока нагрузки.
Система топливных элементов может дополнительно включать в себя средство измерения температуры элемента для измерения температуры единичной ячейки, а средство задания порогового напряжения может хранить карту данных, которые аппроксимируют вольт-амперные характеристики для множества температур элементов в случае, когда к аноду подается недостаточно топливного газа, и может на основе отношения напряжения к току нагрузки и температуры элемента, полученных из карты данных и IR потерь, рассчитанных из IR сопротивления и тока нагрузки, задавать значение порогового напряжения.
Система топливных элементов может также включать в себя средство управления подачей газа-окислителя при недостаточной подаче газа в топливный элемент по отношению к требуемому количеству газа-окислителя, из тока нагрузки.
Система топливных элементов в соответствии со вторым аспектом изобретения включает в себя единичную ячейку, генерирующую электрическую мощность посредством электрохимической реакции между топливным газом, подаваемым к аноду единичной ячейки, и газом-окислителем, подаваемым к катоду единичной ячейки топливный элемент, сформированный единичной ячейкой; средство измерения напряжений для измерения напряжения единичной ячейки; средство управления генерацией мощности для ограничения генерации мощности единичной ячейки, когда напряжение единичной ячейки принимает значение ниже предварительно определенного порогового напряжения; средство измерения температуры элемента для измерения температуры единичной ячейки и средство задания порогового напряжения для задания предварительно определенного значения порогового напряжения на основе измеренной температуры единичной ячейки.
Система топливных элементов дополнительно может также включать в себя средство управления подачей газа-окислителя при недостаточной подаче газа-окислителя в топливный элемент по отношению к требуемому количеству газа-окислителя, в зависимости от тока нагрузки.
Средство задания порогового напряжения может хранить карту данных, которая предсказывает температурную зависимость IR сопротивления единичной ячейки и задает предварительно определенное пороговое напряжение на основе IR потерь, рассчитанных из тока нагрузки и IR сопротивления относительно температуры единичной ячейки, полученной из карты данных.
Система топливных элементов в соответствии с третьим аспектом изобретения включает в себя единичную ячейку, генерирующую электрическую мощность посредством электрохимической реакции между топливным газом, подаваемым к аноду единичной ячейки элемента, и газом-окислителем, подаваемым к катоду единичной ячейки; топливный элемент, сформированный единичной ячейкой; средство управления подачей газа-окислителя для переключения между первым режимом подачи, при котором подается достаточно газа-окислителя к топливному элементу в соответствии с необходимым количеством газа-окислителя, определяемым током нагрузки, и вторым режимом подачи, при котором к топливному элементу подается недостаточное количество газа-окислителя в соответствии с необходимым количеством газа-окислителя; средство измерения напряжения для измерения напряжения на единичной ячейке; средство управления генерацией мощности для ограничения генерации мощности в топливном элементе, когда напряжение на единичной ячейке падает ниже предварительно определенного порогового значения; средство задания порогового напряжения для задания предварительно определенного порогового напряжения в соответствии с режимом подачи газа-окислителя.
Система топливных элементов в соответствии с четвертым аспектом изобретения включает в себя единичную ячейку, генерирующую электрическую мощность посредством проведения электрохимической реакции между топливным газом, подаваемым к аноду единичной ячейки, и газом-окислителем, подаваемым к катоду единичной ячейки; топливный элемент, сформированный единичной ячейкой; средство измерения напряжения для измерения напряжения единичной ячейки; средство управления напряжением единичной ячейки для ограничения снижения напряжения на единичной ячейке при падении напряжения единичной ячейки ниже предварительно определенного порогового значения; средство подачи газа-окислителя для подачи газа в топливный элемент; средство управления подачей газа-окислителя для переключения между количеством подачи газа-окислителя, соответствующим первому коэффициенту полезного действия генерации мощности топливного элемента, и количеством подачи газа-окислителя, соответствующим второму коэффициенту полезного действия генерации мощности, меньшему, чем первый; и средство задания порогового напряжения для задания предварительно определенного порогового напряжения в соответствии с коэффициентом полезного действия генерации мощности топливного элемента. Средство управления напряжением единичной ячейки ограничивает снижение напряжения на единичной ячейке, используя более низкое пороговое напряжение, чем при первом коэффициенте полезного действия генерации мощности, когда топливный элемент генерирует мощность при втором коэффициенте полезного действия генерации мощности.
Средство подачи газа-окислителя может переключаться между количеством подачи газа-окислителя в соответствии с первым значением теплоты сгорания топливного элемента и количеством подачи газа-окислителя в соответствии со вторым значением теплоты сгорания топливного элемента, большим, чем первая теплота сгорания, а средство управления напряжением на единичной ячейке может ограничивать снижение напряжения единичной ячейки, используя более низкое пороговое напряжение, чем при первом значении теплоты сгорания, при котором топливный элемент генерирует мощность при втором значении теплоты сгорания.
Средство управления напряжением единичной ячейки может снижать ток нагрузки, когда напряжение единичной ячейки падает до предварительно определенного порогового напряжения.
Топливный элемент может быть сформирован посредством последовательного соединения множества единичных ячеек.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
на Фиг. 1 представлена диаграмма сравнения потенциалов электродов единичной ячейки для режима напряжения холостого хода и режима нормальной генерации мощности;
на Фиг. 2 представлена диаграмма сравнения потенциалов электродов единичной ячейки для режима нормальной генерации мощности и режима недостатка газа катода;
на Фиг. 3 представлена диаграмма сравнения потенциалов электродов единичной ячейки для режима нормальной генерации мощности и режима недостатка газа анода;
на Фиг. 4 представлена конструктивная схема комплекта топливных элементов в соответствии с реализацией изобретения;
на Фиг. 5 представлена блок-схема последовательности операций управления генерацией мощности топливного элемента, которое выполняют в варианте 1 воплощения изобретения;
на Фиг. 6 представлена диаграмма, показывающая вольт-амперные характеристики для использования при управлении, показанном на Фиг. 5 при недостатке в единичной ячейке газа анода;
на Фиг. 7 представлена блок-схема другого варианта последовательности операций управления генерацией мощности топливного элемента, которое является модификацией варианта 1 воплощения изобретения;
на Фиг. 8 представлена блок-схема последовательности операций управления генерацией мощности топливного элемента, которая является модификацией варианта 2 воплощения изобретения;
на Фиг. 9 представлена температурная карта допустимого отрицательного потенциала для использования в способе управления, представленном на Фиг. 8.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Перед описанием вариантов воплощения настоящего изобретения, со ссылкой на Фиг.1, 2 и 3, будет описан обратный потенциал.
На Фиг. 1 представлена диаграмма сравнения потенциалов электродов единичной ячейки для режима напряжения холостого хода (здесь и далее просто «OCV») и для режима нормальной генерации мощности. На Фиг. 1 потенциал анода обозначен «AN», а потенциал катода - «CA». Здесь предполагается, что потенциал анода OCV равен 0 В, а потенциал анода - 1 В. Как показано на Фиг. 1, в процессе нормальной генерации мощности, то есть, когда к единичной ячейке приложена нагрузка, потенциал анода слегка повышается, а потенциал катода слегка падает. Более того, IR потери (т.е. потери напряжения единичной ячейки) возникают от IR сопротивления каждой единичной ячейки (т.е. внутреннего сопротивления каждой единичной ячейки) таким образом, что наблюдаемый потенциал катода (на Фиг. 1 показан пунктирной линией) продолжает падать. Разность потенциалов между наблюдаемыми потенциалами катода и анода представляет собой напряжение единичной ячейки во время генерации мощности. В связи с этим отношение между напряжением на единичной ячейке, потенциалом катода, потенциалом анода и IR потерями при генерации мощности может быть выражено следующим уравнением (1).
Напряжение на единичной ячейке = Потенциал катода - Потенциал анода - IR потери (1).
В процессе генерации мощности, когда единичная ячейка имеет недостаток газа катода (т.е. при недостаточной подаче газа-окислителя), потенциалы электродов каждой единичной ячейки становятся такими, как показано на Фиг. 2. На Фиг. 2 представлена сравнительная диаграмма потенциалов электродов в режиме нормальной генерации мощности и в режиме нехватки газа катода. При недостатке газа катода потенциал на катоде падает. В результате разность между потенциалами катода и анода уменьшается и, иногда, потенциал катода может становиться ниже потенциала анода (см. Фиг. 2). Наблюдаемый потенциал катода (показан пунктирной линией на Фиг. 2), включающий IR потери, также продолжает дополнительно падать таким образом, что напряжение единичной ячейки показывает отрицательное значение.
С другой стороны, в процессе генерации мощности, когда единичная ячейка имеет недостаток газа анода (т.е. при недостаточной подаче топливного газа), потенциалы электродов каждой единичной ячейки становятся такими, как показано на Фиг. 3. На Фиг. 3 представлена сравнительная диаграмма потенциалов электродов в режиме нормальной генерации мощности и в режиме нехватки газа анода. Как показано на Фиг. 3, при недостатке анодного газа потенциал анода значительно возрастает и становится выше потенциала катода. Так возникает обратный потенциал, как при нехватке катодного газа. При изменении тока возникают IR потери, поэтому наблюдаемый потенциал катода падает (см. пунктирную линию на Фиг. 3). В результате напряжение единичной ячейки показывает большое отрицательное значение.
Таким образом, в обоих случаях, как при недостатке анодного, так и при недостатке катодного газа, напряжение единичной ячейки может иметь отрицательное значение. Однако явление обратного потенциала, происходящее из-за недостатка газа анода, может быть проблемой. По мере того как потенциал анода превышает допустимое значение, происходят химические реакции, такие как реакция окисления углерода и реакция десорбции Pt, которые приводят к возникновению деградации MEA. С другой стороны, несмотря на то, что в случае недостатка газа катода может возникнуть «явление накачки водорода», существует преимущество ускорения самонагревания каждой единичной ячейки посредством эффективного использования недостатка газа катода при запуске топливного элемента при низкой температуре.
В связи с этим в изобретении только отрицательное напряжение элемента, вызванное недостатком газа анода, рассматривается как недопустимый обратный потенциал, в то время как отрицательное напряжение элемента, вызванное недостатком газа катода, допускается. То есть в случае возникновения явления обратного потенциала, только когда проведена оценка того, что обратный потенциал является результатом недостатка газа анода, выполняется предварительно определенный процесс восстановления напряжения. Таким образом, деградацию MEA, вызванную недостатком газа анода, можно предотвратить без необходимого выполнения процесса восстановления напряжения.
Ниже будет описан способ определения причины возникновения отрицательного напряжения элемента. Если каждая единичная ячейка снабжена контрольным электродом для измерения потенциалов анода и катода, то легко определить, вызвано ли отрицательное напряжение элемента недостатком газа анода. Однако в топливном элементе, состоящем из множества единичных ячеек, практически сложно обеспечить каждую единичную ячейку контрольным электродом и измерить потенциалы анода и катода. С другой стороны, напряжение единичной ячейки, т.е. разность между наблюдаемыми потенциалами катода и анода, может быть легко измерено. Каждый из следующих двух способов определения является способом, в котором причина отрицательного напряжения элемента может быть определена на основе напряжения единичной ячейки, которое может быть измерено на практике.
Первый способ определения представляет собой способ, в котором для каждой единичной ячейки во время недостатка газа анода рассчитывается самое высокое напряжение единичной ячейки и сравнивается с измеренным напряжением единичной ячейки. Как показано на Фиг. 3, напряжение единичной ячейки при недостатке газа анода изменяется в соответствии с IR потерями. Однако самое высокое напряжение единичной ячейки достигается при минимальных IR потерях, т.е. когда электролитическая мембрана топливного элемента с полимерным электролитом находится во влажном состоянии. Поэтому, если измеренное напряжение единичной ячейки больше, чем самое высокое напряжение элемента в условиях недостатка газа анода, можно определить, что отрицательное напряжение элемента не является результатом недостатка газа анода.
В частности, вышеупомянутое самое высокое напряжение единичной ячейки может быть получено следующим способом. При усиленной недостаточной подаче газа анода и генерации электрической мощности единичной ячейки (единичная ячейка для тестирования) измеряется изменение разности потенциалов по отношению к току нагрузки. Затем из измеренных вольт-амперных характеристик (I-V) при недостатке газа анода подготавливается карта данных и сохраняется в средстве управления системой топливных элементов. Далее измеряется IR сопротивление каждой единичной ячейки топливного элемента и из измеренного IR сопротивления и тока нагрузки при генерации мощности рассчитываются IR потери. Посредством коррекции значения напряжения из карты данных с IR потерями для каждой единичной ячейки может быть получено самое высокое напряжение единичной ячейки при недостатке газа анода.
Вторым способом определения является способ, в котором напряжение единичной ячейки оценивается при недостатке только газа катода и сравнивается с измеренным напряжением единичной ячейки. Как показано на Фиг. 2, при недостатке газа катода разность между потенциалами катода и анода очень мала. Поэтому если потенциал анода, вызванный недостатком газа анода, не растет, напряжение единичной ячейки при недостатке газа катода в общем случае становится равным отрицательному напряжению единичной ячейки, вызванному IR потерями. Таким образом, если измеренное напряжение единичной ячейки становится ниже отрицательного напряжения единичной ячейки, вызванного IR потерями, может быть определено, что потенциал анода, вызванный недостатком газа анода, растет.
В частности, IR сопротивление, которое необходимо для расчета IR потерь, может также быть измерено с использованием измерительных приборов. Альтернативно, IR сопротивление может быть также оценено по температуре единичной ячейки, т.к. оно сильно зависит от температуры MEA. Если температурная зависимость IR сопротивления предсказуема и подготовлена карта данных, то она сохраняется в средстве управления системой топливных элементов, при этом IR сопротивление может быть получено с использованием температуры, измеренной с помощью термометра.
В системе топливных элементов в соответствии со следующим вариантом 1 воплощения, управление генерацией мощности системы топливных элементов осуществляется с использованием описанного ранее первого способа определения. В системе топливных элементов в соответствии со следующим вариантом 2 воплощения изобретения управление генерацией мощности системы топливных элементов осуществляется с использованием описанного ранее второго способа определения. Подробности вариантов воплощения изобретения будут описаны ниже со ссылками на чертежи.
Вариант 1 воплощения изобретения будет описан со ссылкой на Фиг. 4-7.
Система топливных элементов в соответствии с вариантом 1 воплощения изобретения показана на Фиг. 4. Несмотря на то что на Фиг. 4 показан пример конструкции системы топливных элементов, для которой может применяться изобретение, изобретение может также применяться для системы топливных элементов другой конструкции. Например, на Фиг. 4 представлена так называемая «система рециркуляции газа анода», но изобретение также применимо для так называемой «системы тупикового анода», в которой анодный газ не рециркулируется.
Система топливных элементов снабжена топливным элементом 4 в качестве источника питания. Топливный элемент 4 составлен из множества единичных ячеек 2, соединенных последовательно. Каждая единичная ячейка 2 генерирует электрическую энергию из топливного газа, содержащего водород, который подается к аноду (здесь и далее «анодный газ»), и газ-окислитель, содержащий кислород, который подается к катоду (здесь и далее «катодный газ»).
Канал 10 для подачи катодного газа подключен к приемному отверстию катода 4 топливного элемента. Кроме того, канал 12 для отработанного катодного газа для выброса отработанного газа из катода подключается к выпускному отверстию катода топливного элемента 4. Эта система топливных элементов в качестве катодного газа использует воздух. Воздушный компрессор 14 расположен у входного отверстия канала 10 катодного газа. Воздушный компрессор 14 берет воздух из атмосферы и закачивает его в канал 10 катодного газа. Канал 12 вывода отработанного газа снабжен первым клапаном 16 регулировки давления.
Канал 20 анодного газа для подачи анодного газа подключен к приемному отверстию анода топливного элемента 4. Кроме того, канал 22 для отработанного анодного газа для возврата отработанного газа из анода (отработанного анодного газа) в канал 20 анодного газа подключен к выпускному отверстию анода топливного элемента 4. В этой системе топливных элементов анодный газ подается из средства 24 подачи анодного газа, такого как резервуар с водородом, риформер-аппарат и т.д., в канал 20 анодного газа. В канале 20 анодного газа расположен второй клапан 26 регулировки давления. Насос 28 для рециркуляции отработанного анодного газа располагается в канале 22 для отработанного анодного газа.
В такой системе топливных элементов управление генерацией энергии топливного элемента 4 осуществляется блоком 30 управления. Приводы воздушного компрессора 14, первый клапан 16 регулировки давления, второй клапан 26 регулировки давления, насос 28 и т.д. подключены к выходной стороне блока 30 управления. С другой стороны, к входной стороне блока 30 управления подключены вольтметр 32 для измерения напряжения на каждой единичной ячейке 2, измеритель 34 сопротивления для измерения IR сопротивления каждой единичной ячейки 2 и термометр 36 для измерения температуры каждой единичной ячейки 2. На основании значений измерений, полученных измерительными приборами 32, 34, 36, блок 30 управления определяет состояние генерации мощности топливного элемента 4 и на основании результата этого определения настраивает рабочий диапазон каждого привода.
В этом варианте 1 воплощения блок 30 управления управляет генерацией мощности топливного элемента 4 в соответствии с последовательностью этапов способа, представленных на Фиг. 5. Последовательность, показанная на Фиг. 5, выполняется при запуске системы топливных элементов.
На этапе S10 (Фиг. 5) с помощью термометра 36 измеряется температура каждой единичной ячейки 2. Затем, на этапе S12, для каждой единичной ячейки 2 в соответствии с измеренной температурой единичной ячейки выбирается соответствующая карта I-V характеристики. Карта I-V характеристики отражает «карту данных, полученных путем аппроксимации I-V характеристик при недостатке анодного газа», как описано в первом способе определения. В варианте 1 воплощения карты I-V характеристики подготавливаются при различных температурах. Это делается потому, что I-V характеристики единичной ячейки 2 при недостатке анодного газа могут различаться в зависимости от температуры единичной ячейки.
На этапе S14 измерителем 34 сопротивления измеряется IR сопротивление каждой единичной ячейки 2. Затем, на этапе S16, напряжение в карте I-V характеристики корректируется на величину IR потерь. Это называется «IR коррекция I-V характеристики». IR потери каждой единичной ячейки могут быть рассчитаны из тока нагрузки (плотности тока) и измеренного IR сопротивления. На Фиг. 6 представлена диаграмма, показывающая I-V характеристики после IR коррекции, т.е. отношение между скорректированным в соответствии с IR напряжением и плотностью тока при недостатке анодного газа.
0
0
0
На этапе S18, с помощью карты I-V характеристики после IR корректировки, определяется самое высокое напряжение каждой единичной ячейки 2. Конкретно из карты, как показано на Фиг. 6, получено напряжение V, откорректированное в соответствии с IR сопротивлением, которое соответствует плотности тока I во время генерации мощности, а откорректированное в соответствии с IR напряжение V считается самым высоким напряжением единичной ячейки. Если измеренное напряжение единичной ячейки превышает расчетное самое высокое напряжение, то можно считать, что в единичной ячейке 2 не может быть недостатка анодного газа. С другой стороны, если измеренное напряжение единичной ячейки меньше, чем расчетное самое высокое напряжение, то можно считать, что есть вероятность недостатка анодного газа в единичной ячейке 2. Так как самое высокое напряжение единичной ячейки рассчитывается, отражая IR потери, напряжение единичной ячейки может снижаться из-за увеличения IR потерь. Однако это не следует путать со снижением напряжения ячейки, вызванным увеличением потенциала анода.
Затем, на этапе S20, начинается генерация мощности топливного элемента 4. Затем, на этапе S22, вольтметром 32 измеряется напряжение каждой единичной ячейки 2 и определяется, является ли измеренное напряжение единичной ячейки меньшим, чем самое высокое напряжение единичной ячейки, полученное на этапе S18. Определение на этапе S22 выполняется для каждой единичной ячейки.
Если на этапе S22 оказывается, что напряжение любой единичной ячейки 2 ниже самого высокого напряжения единичной ячейки (т.е. YES на этапе S22), то способ переходит к этапу S24. На этапе S24 выполняется предварительно определенный процесс восстановления напряжения. Процесс восстановления напряжения происходит путем понижения нагрузки на топливный элемент 4. Примерами процесса являются в т.ч.: 1) понижение стехиометрического отношения воздуха посредством изменения скорости вращения воздушного компрессора 14; 2) увеличение скорости рециркуляции анодного газа посредством изменения скорости вращения насоса 28; 3) снижение генерации мощности топливного элемента 4 посредством увеличения электрической мощности, подаваемой вторичным элементом. Процесс восстановления напряжения выполняется до тех пор, пока напряжение единичной ячейки не станет выше самого высокого напряжения во всех единичных ячейках 2.
Если напряжение единичной ячейки превышает самое высокое напряжение единичной ячейки во всех единичных ячейках 2 на этапе S22 (т.е. NO на этапе S22), выбирается процесс этапа S26. На этапе S26 продолжается нормальная генерация мощности.
В соответствии со стандартной последовательностью шагов, описанной выше, пороговое напряжение, связанное с процессом восстановления напряжения (т.е. самое высокое напряжение единичной ячейки) может устанавливаться на минимальное значение в таком диапазоне, что потенциал анода не будет превышать допустимое значение. Путем строгой установки порогового напряжения таким способом становится возможным предотвратить остановку или ограничение генерации мощности посредством ненужного выполнения процесса восстановления напряжения.
Кроме того, вышеупомянутая последовательность шагов может выполняться в комбинации с генерацией мощности при нагревании при низкотемпературном запуске топливного элемента 4. Генерация мощности при нагревании представляет собой способ, который увеличивает перенапряжение катода для ускорения саморазогрева топливного элемента 4 путем недостаточной подачи катодного газа в топливный элемент 4 по отношению к требуемому количеству подачи катодного газа, соответствующему току нагрузки, т.е. активно вызывая недостаток катодного газа. При вынужденном недостатке катодного газа потенциал катода падает. Однако путаницы между падением потенциала катода и увеличением потенциала анода можно избежать, выполняя вышеописанную последовательность шагов.
В частности, в варианте 1 воплощения блок 30 управления, выполняющий процессы этапа S22 и S24, может быть рассмотрен как «средство управления генерацией электрической мощности». Кроме того, блок 30 управления, выполняющий процессы этапов S10, S12, S14, S16 и S18, может рассматриваться как «средство задания порогового напряжения». Кроме того, блок 30 управления, выполняющий вышеупомянутую генерацию мощности при нагревании, может рассматриваться как «средство управления подачей газа-окислителя».
В модификации варианта 1 воплощения последовательность шагов, представленная на блок-схеме Фиг. 5, может быть заменена последовательностью, представленной на блок-схеме на Фиг. 7. В частности, последовательность шагов, показанная на Фиг. 7, включает в себя процессы, похожие на процессы способа, показанного на Фиг. 5. Одинаковым процессам присвоены номера аналогичных этапов на Фиг. 7.
В стандартной последовательности шагов, представленной на Фиг. 7, при выполнении условий этапа S22 выполняется определение на этапе S30. На этапе S22, с помощью вольтметра 32 выполняется измерение напряжения каждой единичной ячейки 2 и определяется, является ли измеренное напряжение ниже самого высокого напряжения единичной ячейки, определяемого на этапе S18. Если напряжение хотя бы одной единичной ячейки 2 ниже самого высокого напряжения единичной ячейки, выполняется определение на этапе S30.
На этапе S30 измеряется пройденное время, после которого напряжение единичной ячейки 2, которое ниже самого высокого напряжения единичной ячейки, становится отрицательным. Затем определяется, не превысило ли пройденное время предварительно определенное допустимое время α. Допустимое время α задается на основе продолжительности срока эксплуатации системы топливных элементов или срока эксплуатации транспортного средства, на котором эта система топливных элементов смонтирована.
Если на этапе S30 пройденное время, после того как напряжение единичной ячейки стало отрицательным, превысило допустимое время α, последовательность шагов выбирает этап S24. На этапе S24 выполняется предварительно определенный процесс восстановления напряжения. С другой стороны, если пройденное время, после того как напряжение единичной ячейки стало отрицательным, не превысило допустимое время α, выбирается процесс этапа S26, даже если напряжение единичной ячейки ниже самого высокого напряжения единичной ячейки. На этапе S26 продолжается процесс нормальной генерации мощности.
Даже если напряжение единичной ячейки падает ниже самого высокого напряжения единичной ячейки, это не обязательно означает, что появляется такая деградация MEA и генерация мощности мгновенно становится невозможной. По отношению к этому, в соответствии с последовательностью шагов, показанной на Фиг. 7, даже если напряжение единичной ячейки становится отрицательным, это отрицательное состояние напряжения единичной ячейки допустимо на некоторое время, и поэтому на соответствующий период времени может продолжиться нормальная генерация мощности.
Далее вариант 2 воплощения изобретения будет описан со ссылкой на Фиг. 4, 8 и 9. Система топливных элементов по варианту 2 воплощения изобретения может быть, по сути, описана со ссылкой на Фиг. 4, аналогично варианту 1 воплощения. То есть система топливных элементов в соответствии с вариантом 2 воплощения изобретения имеет конструкцию, опускающую измеритель 34 сопротивления из конструкции, представленной на Фиг. 4.
В варианте 2 воплощения блок 30 управления управляет генерацией мощности топливного элемента 4 в соответствии с последовательностью шагов, показанной на блок-схеме на Фиг. 8. Последовательность шагов на Фиг. 8 выполняется при запуске системы топливных элементов.
На этапе S100 с помощью термометра 36 измеряется температура каждой единичной ячейки 2. Затем на этапе S102 в соответствии с измеренной температурой единичной ячейки для каждой единичной ячейки 2 выбирается соответствующее допустимое отрицательное напряжение. Пример карты допустимого отрицательного напряжения элемента показан на Фиг. 9. Как показано на Фиг. 9, карта допустимого отрицательного напряжения элемента представляет собой допустимое отрицательное напряжение элемента по отношению к току нагрузки (плотности тока) при различных температурах. Допустимое напряжение единичной ячейки на данной карте соответствует IR потерям, рассчитываемым на основе IR сопротивления и плотности тока. Как описано выше в контексте второго способа определения, карта данных, полученная с прогнозом температурной зависимости IR сопротивления, сохраняется в блоке 30 управления. Блок 30 управления считывает с карты данных IR сопротивление, зависящее от температуры единичной ячейки и, на основе IR сопротивления и плотности тока, рассчитывает IR потери (допустимое отрицательное напряжение элемента).
0
0
Далее, на этапе S104, при помощи карты допустимого отрицательного напряжения ячейки определяется самое высокое напряжение в каждой единичной ячейке 2. Конкретно из карты, представленной на Фиг. 9, получается допустимое отрицательное напряжение V элемента, соответствующее плотности тока I, и оно считается самым высоким напряжением элемента. Если напряжение единичной ячейки превышает самое высокое напряжение единичной ячейки, можно считать, что нет вероятности недостатка анодного газа в единичной ячейке 2. С другой стороны, если напряжение единичной ячейки ниже самого высокого напряжения ячейки, можно считать, что есть вероятность недостатка анодного газа в единичной ячейке 2. Так как самое высокое напряжение единичной ячейки рассчитывается отражая IR потери, напряжение единичной ячейки может падать из-за возрастания IR потерь. Однако это не следует путать с падением напряжения единичной ячейки, вызванным увеличением потенциала анода.
Затем, на этапе S106, начинается генерация мощности топливного элемента 4 с нагревом. При генерации мощности с нагревом перенапряжение на катоде увеличивается для ускорения саморазогрева топливного элемента 4 посредством недостаточной подачи катодного газа к топливному элементу 4 по отношению к требуемому количеству подачи катодного газа, исходя из тока нагрузки, т.е. посредством интенсивного вызывания недостатка катодного газа.
Затем, на этапе S108, с помощью вольтметра 32, измеряется напряжение на каждой единичной ячейке 2 и определяется, ниже ли измеренное напряжение ячейки, чем самое высокое напряжение единичной ячейки, полученное на этапе S104. Определение на этапе S108 проводится для каждой единичной ячейки 2.
Если на этапе S108 напряжение какой-либо единичной ячейки 2 окажется ниже самого высокого напряжения единичной ячейки, последовательность шагов выбирает процесс S110. На этапе S110 выполняется предварительно определенный процесс восстановления напряжения. Процесс восстановления напряжения является аналогичным процессу, описанному в варианте 1 воплощения, поэтому его подробное описание может быть опущено. Процесс восстановления напряжения выполняется до тех пор, пока напряжение единичной ячейки не станет выше самого высокого напряжения единичной ячейки во всех единичных ячейках 2.
Если на этапе S108 напряжение единичной ячейки превысит самое высокое напряжение единичной ячейки всех единичных ячеек 2, выбирается этап S112. На этапе S112 продолжается генерация мощности с нагревом.
В соответствии со стандартной процедурой, описанной ниже, пороговое напряжение, связанное с процессом восстановления напряжения (т.е. с самым высоким напряжением единичной ячейки), может быть жестко задано, когда топливный элемент 4 выполняет генерацию мощности с нагревом. Поэтому посредством ненужного выполнения процесса восстановления напряжения возможно предотвратить остановку или ограничение генерации мощности. Благодаря ускорению нагрева посредством использования саморазогрева могут быть улучшены пусковые качества при низких температурах.
Кроме того, в варианте 2 воплощения блок 30 управления, выполняющий процессы этапа S108 и S110, может рассматриваться в изобретении в качестве «средства управления генерацией электрической мощности». Кроме того, блок 30 управления, выполняющий процессы этапов S100, S102 и S104, может рассматриваться в изобретении в качестве «средства задания порогового напряжения». Кроме того, блок 30 управления, выполняющий процессы этапов S106, может рассматриваться в изобретении в качестве «средства управления подачей газа-окислителя».
Несмотря на то что изобретение до сих пор описывалось со ссылкой на примеры его воплощения, необходимо понимать, что изобретение не ограничивается описанными вариантами воплощения или конструкциями. Напротив, изобретение предназначено для охвата различных модификаций и равноценных компоновок. Кроме того, несмотря на то что различные элементы примеров воплощения показаны в различных комбинациях и конфигурациях, другие комбинации и конфигурации, включающие в себя большее или меньшее количество элементов или только один элемент, также находятся в пределах сущности и объема изобретения.
Например, несмотря на то что в варианте 1 воплощения IR сопротивление каждой единичной ячейки измеряется измерителем сопротивления, IR сопротивление вместо этого может быть измерено косвенным образом по другой физической величине. Например, IR сопротивление может быть рассчитано на основе измеренных значений температуры единичной ячейки и уровня влажности MEA. Кроме того, несмотря на то что в вариантах 1 и 2 реализации измерение температуры единичной ячейки выполняется для каждой единичной ячейки, при этом температура единичной ячейки может быть измерена на одном характерном элементе, а значение измерения может использоваться для остальных единичных ячеек.
Кроме того, для управления генерацией мощности в варианте 2 воплощения может заимствоваться такая же модификация управления, как в варианте 1 воплощения. Т.е. даже если напряжение единичной ячейки станет ниже самого большого напряжения единичной ячейки, процесс восстановления напряжения может не выполняться незамедлительно, а может выполняться после некоторого времени, с момента, когда напряжение единичной ячейки, ставшее отрицательным, превысит допустимое время α. Поэтому пусковые характеристики при низких температурах могут быть улучшены за счет временной задержки выполнения процесса восстановления напряжения.
Как показано на Фиг. 2, при недостатке катодного газа потенциал катода ограничивается очень низким электрическим потенциалом по сравнению с потенциалом при нормальной генерации мощности. Поэтому в режиме генерации мощности с нагревом, использующем недостаток катодного газа, снижается влияние колебаний катода на напряжение единичной ячейки, а пороговое напряжение (самое высокое напряжение единичной ячейки) может быть соответствующим образом задано более жестко. Конкретно, несмотря на то что в режиме нормальной генерации мощности пороговое напряжение задается относительно высоким (положительное напряжение), принимая в расчет колебания потенциала катода, пороговое напряжение в режиме генерации мощности с нагревом может задаваться отрицательным напряжением. Если задание порогового напряжения переключается между нормальным режимом генерации мощности и режимом генерации мощности с нагревом, становится возможным предотвратить ненужную остановку или ограничение генерации мощности, по крайней мере, в режиме генерации с нагревом, без увеличения риска деградации MEA, приводящей к недостатку анодного газа.
В частности, подача катодного газа в топливную батарею 4 может отдельно управляться в режиме нормальной генерации мощности и в режиме генерации мощности с нагревом. Способом управления может быть управление потоком газа или управление давлением. Когда катодный газ подается в достаточной степени в соответствии с требуемым количеством подачи катодного газа, исходя из тока нагрузки (более точно, требуемым молярным объемом кислорода), выполняется нормальная генерация мощности. Блок 30 управления, который управляет подачей катодного газа, таким образом, может рассматриваться в изобретении как «средство управления подачей газа-окислителя». Кроме того, блок 30 управления, который переключает задание порогового напряжения в соответствии с режимами генерации мощности, может рассматриваться в изобретении как «средство задания порогового напряжения».
В частности, коэффициент полезного действия генерации мощности топливного элемента 4 в режиме генерации мощности с нагревом (т.е. второй коэффициент полезного действия генерации мощности) ниже, чем коэффициент полезного действия генерации мощности в режиме нормальной генерации мощности (т.е. первый коэффициент полезного действия генерации мощности). В варианте 3 воплощения изобретения блок 30 управления ограничивает уменьшение напряжения единичной ячейки (например, снижает ток нагрузки), когда напряжение единичной ячейки 2 падает до предварительно определенного порогового напряжения. Также блок 30 управления управляет подачей газа-окислителя, на основе коэффициента полезного действия генерации мощности топливного элемента и переключает задание предварительно определенного порогового напряжения в соответствии с коэффициентом полезного действия генерации мощности. Т.е. когда топливный элемент 4 выполняет генерацию мощности со вторым коэффициентом полезного действия, блок 30 управления задает более низкое пороговое напряжение, чем при первом коэффициенте полезного действия, и, используя более низкое пороговое напряжение, ограничивает снижение напряжения единичной ячейки.
С другой стороны, теплота сгорания топливного элемента 4 в режиме генерации мощности с нагревом (т.е. вторая теплота сгорания) больше теплоты сгорания в режиме нормальной генерации мощности (т.е. первой теплоты сгорания). Поэтому блок 30 управления может управлять подачей газа-окислителя на основе теплоты сгорания топлива в топливном элементе и ограничивать уменьшение напряжения единичной ячейки, используя более низкое пороговое напряжение, чем при первой теплоте сгорания, когда топливный элемент 4 генерирует мощность со второй теплотой сгорания.