КОМПЛЕКС ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ
COMPLEX OF FUEL CELL AND METHOD OF CONTROLLING IT

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Изобретение относится к топливному элементу.
2. Описание аналогов
[0002] Топливный элемент обычно имеет секционную структуру, в которой укомплектовано множество отдельных ячеек, служащих в качестве вырабатывающих электроэнергию элементов. Химически активные газы поступают в соответствующие газовые проточные каналы, предусмотренные для каждой отдельной ячейки, через соответствующие коллекторы и подаются в вырабатывающую электроэнергию часть каждой отдельной ячейки. Однако если газовые проточные каналы части отдельных ячеек заблокированы замороженной водой или т.п., количество химически активных газов, подаваемых в часть отдельных ячеек, становится недостаточным, поэтому указанная часть отдельных ячеек может генерировать отрицательное напряжение. В этом отношении, когда работа топливного элемента продолжается в состоянии, в котором часть отдельных ячеек генерирует отрицательное напряжение, не только в целом снижается эффективность выработки электроэнергии топливным элементом, но также могут деградировать электроды этих отдельных ячеек. До настоящего времени предлагались различные способы предотвращения снижения эффективности выработки электроэнергии топливным элементом или деградации топливного элемента, возникающих из-за такого отрицательного напряжения (см. публикацию японской патентной заявки №2006-179389 (JP-А-2006-179389), публикацию японской патентной заявки №2007-035516 (JP-А-2007-035516) и т.п.).
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Изобретение обеспечивает технологию предотвращения снижения эффективности и деградации топливного элемента из-за отрицательного напряжения.
[0004] Изобретение направлено на решение по меньшей мере части вышеописанных проблем и может быть воплощено в следующих примерах осуществления или альтернативных примерах осуществления.
[0005] В одном аспекте изобретения обеспечивается комплекс топливного элемента, который производит электроэнергию, вырабатываемую в ответ на запрос от внешней нагрузки. Комплекс топливного элемента включает: топливный элемент, имеющий по меньшей мере один вырабатывающий электроэнергию элемент; блок обнаружения отрицательного напряжения, сконфигурированный для обнаружения отрицательного напряжения в указанном по меньшей мере одном вырабатывающем электроэнергию элементе; блок управления, сконфигурированный для регулирования выходной электрической мощности топливного элемента; и блок определения суммарной величины тока, сконфигурированный для определения суммарной величины тока, которую получают путем интегрирования по времени выходного тока топливного элемента, при этом блок управления сконфигурирован для предварительного запоминания корреляции между суммарными величинами тока, допустимыми в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение в указанном по меньшей мере одном вырабатывающем электроэнергию элементе, и плотностями тока, допустимыми в указанный период, а также блок управления сконфигурирован, чтобы выполнять процесс ограничения выхода для ограничения выходной электрической мощности топливного элемента, с тем чтобы попадать в допустимый рабочий диапазон, определяемый допустимыми суммарными величинами тока и допустимыми плотностями тока указанной корреляции, когда в указанном по меньшей мере одном вырабатывающем электроэнергию элементе обнаружено отрицательное напряжение. В данном случае авторы настоящего изобретения обнаружили, что в вырабатывающем электроэнергию элементе, в котором генерируется отрицательное напряжение, момент времени, в который начинается окисление электрода и начинает снижаться эффективность выработки электроэнергии, может определяться выходным током топливного элемента за период времени, в течение которого генерируется отрицательное напряжение, и суммарной величиной тока, полученной путем интегрирования тока по времени. При таким образом сконфигурированном комплексе топливного элемента, когда генерируется отрицательное напряжение, выходная электрическая мощность топливного элемента ограничивается так, чтобы попадать в предварительно установленный допустимый рабочий диапазон, определяемый допустимыми суммарными величинами тока и допустимыми плотностями тока. Таким образом, путем предварительной установки допустимого рабочего диапазона, который не приводит к снижению эффективности вырабатывающего электроэнергию элемента, генерирующего отрицательное напряжение, можно предотвратить снижение эффективности топливного элемента, возникающее из-за отрицательного напряжения, а также предотвратить окисление электрода (деградацию электрода).
[0006] Кроме того, в комплексе топливного элемента, когда корреляция отображается графиком, на котором по первой оси указана суммарная величина тока, а по второй оси указана плотность тока топливного элемента, то корреляция может быть отображена в виде обращенной выпуклостью вниз кривой, по которой допустимая плотность тока уменьшается при увеличении допустимой суммарной величины тока. В случае указанного выше комплекса топливного элемента в корреляции между суммарными величинами тока и плотностями тока, хранящимися в блоке управления, допустимый рабочий диапазон может быть установлен в соответствующих границах, в которых не происходит снижение эффективности вырабатывающего электроэнергию элемента, в котором генерируется отрицательное напряжение. Таким образом, можно дополнительно соответствующим образом предотвратить снижение эффективности и деградацию топливного элемента из-за отрицательного напряжения.
[0007] Кроме того, в комплексе топливного элемента блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы в процессе ограничения выхода при возрастании суммарной величины тока уменьшать плотность тока топливного элемента по обращенной выпуклостью вниз кривой, которая указывает максимальные значения допустимых плотностей тока. В случае указанного выше комплекса топливного элемента, когда генерируется отрицательное напряжение, можно ограничить выходную электрическую мощность топливного элемента по граничным значениям (допустимым предельным значениям) допустимого рабочего диапазона. Таким образом, можно предотвратить снижение эффективности и деградацию топливного элемента из-за отрицательного напряжения при устранении избыточных ограничений выходной электрической мощности топливного элемента.
[0008] Кроме того, топливный элемент может дополнительно включать: блок регулирования рабочего состояния, сконфигурированный так, чтобы включать по меньшей мере увлажнительный блок, регулирующий степень влажности химически активного газа, подаваемого в топливный элемент, для регулирования уровня влажности внутри топливного элемента, или блок подачи хладагента, регулирующий расход хладагента, подаваемого в топливный элемент, для регулирования рабочей температуры топливного элемента; и блок изменения корреляции, сконфигурированный для изменения корреляции в ответ на по меньшей мере уровень влажности внутри топливного элемента или рабочую температуру топливного элемента, при этом блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы когда плотность тока, соответствующая выходному току, требуемому внешней нагрузкой, в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение в указанном по меньшей мере одном вырабатывающем электроэнергию элементе, превышает заданное значение, заставить блок регулирования рабочего состояния регулировать по меньшей мере уровень влажности внутри топливного элемента или рабочую температуру топливного элемента для расширения допустимого рабочего диапазона таким образом, что блок изменения корреляции изменяет корреляцию. Здесь корреляция между суммарными величинами тока и плотностями тока, которые допустимы для топливного элемента в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение, изменяется в зависимости от уровня влажности внутри топливного элемента или рабочей температуры топливного элемента. Если комплекс топливного элемента сконфигурирован указанным образом, то даже если ток, требуемый для топливного элемента, выходит за пределы допустимого рабочего диапазона топливного элемента, то требуемый ток может быть в пределах допустимого рабочего диапазона за счет того, что регулируется по меньшей мере уровень влажности внутри топливного элемента или рабочая температура топливного элемента, чтобы расширить допустимый рабочий диапазон.
[0009] Кроме того, в комплексе топливного элемента блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы когда процесс ограничения выхода завершается, в энергонезависимой памяти сохранять суммарную величину выходного тока топливного элемента в процессе ограничения выхода, а также блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы когда процесс ограничения выхода возобновляется, выполнять процесс ограничения тока с использованием итоговой суммарной величины тока, получаемой путем сложения сохраненной суммарной величины тока с суммарной величиной выходного тока топливного элемента после возобновления процесса ограничения выхода. В случае указанного выше комплекса топливного элемента суммарная величина тока записывается даже после перезапуска комплекса топливного элемента. Следовательно, даже в случае повторного выполнения процесса ограничения тока после перезапуска комплекса топливного элемента, процесс ограничения тока выполняется с использованием итоговой суммарной величины тока, получаемой путем суммирования на основании записанной в памяти суммарной величины тока.
[0010] Кроме того, комплекс топливного элемента может дополнительно включать блок предупредительной сигнализации, сконфигурированный для оповещения пользователя о деградации топливного элемента, при этом блок управления может быть сконфигурирован для предварительного запоминания нижнего предельного значения плотности тока топливного элемента, а также блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы когда плотность тока топливного элемента ниже, чем нижнее предельное значение в процессе ограничения выхода, заставить блок принудительной сигнализации оповещать пользователя о деградации топливного элемента. В случае указанного выше комплекса топливного элемента, если топливный элемент не восстановился из состояния отрицательного напряжения, но в процессе ограничения выхода достигнуто предварительно установленное нижнее предельное значение плотности тока топливного элемента, то пользователь оповещается о деградации топливного элемента. Таким образом, пользователь имеет возможность подходящим образом узнать о моменте времени, в который топливному элементу следует пройти текущее техническое обслуживание.
[0011] Кроме того, комплекс топливного элемента может дополнительно включать: блок подачи хладагента, сконфигурированный для подачи хладагента в топливный элемент, чтобы регулировать температуру топливного элемента; и блок измерения температуры, сконфигурированный для измерения рабочей температуры топливного элемента, при этом блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы в процессе ограничения выхода получать оценочную величину нагрева топливного элемента, которая является величиной нагрева топливного элемента, когда топливный элемент заставляют производить электроэнергию при плотности тока, основанной на значении команды плотности тока для топливного элемента, и регулировать количество хладагента, подаваемого в топливный элемент блоком подачи хладагента, на основании рабочей температуры, измеренной блоком измерения температуры, и оценочной величины нагрева. В случае указанного выше комплекса топливного элемента, даже если выходная электрическая мощность топливного элемента ограничена выполнением процесса ограничения выхода, расход подаваемого хладагента регулируется подходящим образом, поэтому облегчается повышение рабочей температуры топливного элемента, в то время как осуществляется процесс ограничения выхода. Следовательно, существует высокая вероятность, что топливный элемент восстанавливается из состояния отрицательного напряжения.
[0012] В комплексе топливного элемента блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы в процессе ограничения выхода использовать оценочную величину нагрева и рабочую температуру, измеренную блоком измерения температуры, для вычисления оценочного повышения температуры топливного элемента, когда топливный элемент заставляют производить электроэнергию в течение заданного периода времени, пока в топливный элемент подается хладагент, а также блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы когда оценочное повышение температуры ниже или равно заданному пороговому значению, заставлять топливный элемент вырабатывать электроэнергию в состоянии, в котором блок подачи хладагента заставляют прекратить подачу хладагента в топливный элемент. В случае указанного выше комплекса топливного элемента, когда трудно привести рабочую температуру топливного элемента к запрограммированному значению из-за того, что выход электроэнергии от топливного элемента ограничен процессом ограничения выхода, подача хладагента к топливному элементу прекращается. Таким образом, облегчается повышение температуры топливного элемента, в то время как выполняется процесс ограничения выхода, поэтому существует высокая вероятность, что топливный элемент восстанавливается из состояния отрицательного напряжения.
[0013] В дополнение к этому, в комплексе топливного элемента блок управления сконфигурирован так, чтобы в процессе ограничения выхода, когда скорость повышения рабочей температуры топливного элемента ниже предварительно установленного порогового значения, заставить топливный элемент вырабатывать электроэнергию в состоянии, в котором блок подачи хладагента заставляют прекратить подачу хладагента в топливный элемент. В случае указанного выше комплекса топливного элемента, если степень повышения температуры топливного элемента не достигла запрограммированного значения в соответствии с действительной измеренной рабочей температурой топливного элемента, в то время как осуществляется процесс ограничения выхода, то подача хладагента к топливному элементу прекращается. Таким образом, облегчается повышение температуры топливного элемента, в то время как осуществляется процесс ограничения выхода, поэтому существует высокая вероятность, что топливный элемент восстанавливается из состояния отрицательного напряжения.
[0014] Другой аспект настоящего изобретения обеспечивает способ управления комплексом топливного элемента, производящим в ответ на запрос от внешней нагрузки электроэнергию, вырабатываемую топливным элементом, имеющим по меньшей мере один вырабатывающий электроэнергию элемент. Способ управления включает: обнаружение отрицательного напряжения в указанном по меньшей мере одном вырабатывающем электроэнергию элементе; определение суммарной величины тока, получаемой интегрированием по времени выходного тока топливного элемента в период, в течение которого в указанном по меньшей мере одном вырабатывающем электроэнергию элементе генерируется отрицательное напряжение; обращение к предварительно установленной корреляции между суммарными величинами тока, допустимыми в период, в течение которого в указанном по меньшей мере одном вырабатывающем электроэнергию элементе генерируется отрицательное напряжение, и плотностями тока, допустимыми в указанный период; и выполнение процесса ограничения выхода для ограничения выходной электрической мощности топливного элемента, с тем чтобы попадать в допустимый рабочий диапазон, определяемый допустимыми суммарными величинами тока и допустимыми плотностями тока указанной корреляции.
[0015] В другом дополнительном аспекте настоящего изобретения обеспечивается комплекс топливного элемента, который производит электроэнергию, вырабатываемую в ответ на запрос от внешней нагрузки. Комплекс топливного элемента включает: топливный элемент, имеющий по меньшей мере один вырабатывающий электроэнергию элемент; блок управления, сконфигурированный для регулирования выходной электрической мощности топливного элемента; блок определения суммарной величины тока, сконфигурированный для определения суммарной величины тока, которую получают путем интегрирования по времени выходного тока топливного элемента, при этом блок управления сконфигурирован для предварительного запоминания корреляции между суммарными величинами тока, допустимыми в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение в указанном по меньшей мере одном вырабатывающем электроэнергию элементе, и плотностями тока, допустимыми в указанный период, а также блок управления сконфигурирован так, чтобы когда удовлетворяется предварительно установленное условие окружающей среды, указывающее возможность генерирования отрицательного напряжения, определять, что в указанном по меньшей мере одном вырабатывающем электроэнергию элементе генерируется отрицательное напряжение и затем выполнять процесс ограничения выхода для ограничения выходной электрической мощности топливного элемента так, чтобы попадать в допустимый рабочий диапазон, определяемый допустимыми суммарными величинами тока и допустимыми плотностями тока указанной корреляции. Даже когда отрицательное напряжение не генерируется в таким образом сконфигурированном комплексе топливного элемента, но условие окружающей среды, которое предполагается эмпирически или экспериментально как случай, в котором высока вероятность генерирования отрицательного напряжения, выполняется процесс ограничения выхода. Таким образом, дополнительно можно надежно предотвратить снижение эффективности и деградацию топливного элемента.
[0016] Кроме того, в комплексе топливного элемента, когда корреляция отображается графиком, на котором по первой оси указана суммарная величина тока топливного элемента, а по второй оси указана плотность тока топливного элемента, корреляция может быть отображена в виде обращенной выпуклостью вниз кривой, по которой допустимая плотность тока уменьшается при увеличении допустимой суммарной величины тока. В случае указанного выше комплекса топливного элемента, в корреляции между суммарными величинами тока и плотностями тока, хранящимися в блоке управления, допустимый рабочий диапазон может быть установлен в подходящих границах, в которых не происходит снижение эффективности вырабатывающего электроэнергию элемента, генерирующего отрицательное напряжение. Таким образом, можно дополнительно подходящим образом предотвратить снижение эффективности и деградацию топливного элемента из-за отрицательного напряжения.
[0017] Кроме того, в комплексе топливного элемента блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы в процессе ограничения выхода при возрастании суммарной величины тока уменьшать плотность тока топливного элемента по обращенной выпуклостью вниз кривой, которая указывает максимальные значения допустимых плотностей тока. В случае указанного выше комплекса топливного элемента, когда генерируется отрицательное напряжение, можно ограничить выходную электрическую мощность топливного элемента по допустимым предельным значениям допустимого рабочего диапазона. Таким образом, можно предотвратить снижение эффективности и деградацию топливного элемента из-за отрицательного напряжения при устранении в то же время избыточных ограничений выходной электрической мощности топливного элемента.
[0018] Кроме того, комплекс топливного элемента может дополнительно включать: блок регулирования рабочего состояния, сконфигурированный так, чтобы включать по меньшей мере увлажнительный блок, регулирующий степень влажности химически активного газа, подаваемого в топливный элемент, для регулирования уровня влажности внутри топливного элемента, или блок подачи хладагента, регулирующий расход хладагента, подаваемого в топливный элемент, для регулирования рабочей температуры топливного элемента; и блок изменения корреляции, сконфигурированный для изменения корреляции в ответ на по меньшей мере уровень влажности внутри топливного элемента или рабочую температуру топливного элемента, при этом блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы когда плотность тока, соответствующая выходному току, требуемому внешней нагрузкой, в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение в указанном по меньшей мере одном вырабатывающем электроэнергию элементе, превышает заданное значение, заставить блок регулирования рабочего состояния регулировать по меньшей мере уровень влажности внутри топливного элемента или рабочую температуру топливного элемента для расширения допустимого рабочего диапазона таким образом, что блок изменения корреляции изменяет корреляцию. В вышеуказанном комплексе топливного элемента даже если ток, требуемый для топливного элемента, выходит за пределы допустимого рабочего диапазона топливного элемента, то требуемый ток может быть в пределах допустимого рабочего диапазона за счет того, что регулируется по меньшей мере уровень влажности внутри топливного элемента или рабочая температура топливного элемента, чтобы расширить допустимый рабочий диапазон.
[0019] Кроме того, в комплексе топливного элемента, блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы когда процесс ограничения выхода завершается, в энергонезависимой памяти сохранять суммарную величину выходного тока топливного элемента в процессе ограничения выхода, а также блок управления сконфигурирован так, чтобы когда процесс ограничения выхода возобновляется, выполнять процесс ограничения тока с использованием итоговой суммарной величины тока, получаемой путем сложения сохраненной суммарной величины тока с суммарной величиной выходного тока топливного элемента после возобновления процесса ограничения выхода. В случае указанного выше комплекса топливного элемента даже в случае повторного выполнения процесса ограничения тока после перезапуска комплекса топливного элемента, процесс ограничения тока выполняется с использованием итоговой суммарной величины тока, получаемой путем суммирования на основании записанной в памяти суммарной величины тока.
[0020] Кроме того, комплекс топливного элемента может дополнительно включать блок предупредительной сигнализации, сконфигурированный для оповещения пользователя о деградации топливного элемента, при этом блок управления может быть сконфигурирован для предварительного запоминания нижнего предельного значения плотности тока топливного элемента, а также блок управления сконфигурирован так, чтобы когда плотность тока топливного элемента ниже, чем нижнее предельное значение в процессе ограничения выхода, заставить блок принудительной сигнализации оповещать пользователя о деградации топливного элемента. В случае указанного выше комплекса топливного элемента, если топливный элемент не восстановился от отрицательного напряжения, но в процессе ограничения выхода достигнуто предварительно установленное нижнее предельное значение плотности тока топливного элемента, то пользователь оповещается о деградации топливного элемента. Таким образом, пользователь имеет возможность подходящим образом узнать о моменте времени, в который топливному элементу следует пройти техническое обслуживание.
[0021] Кроме того, комплекс топливного элемента может дополнительно включать: блок подачи хладагента, сконфигурированный для подачи хладагента в топливный элемент, чтобы регулировать температуру топливного элемента; и блок измерения температуры, сконфигурированный для измерения рабочей температуры топливного элемента, при этом блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы в процессе ограничения выхода получать оценочную величину нагрева топливного элемента, которая является величиной нагрева топливного элемента, когда топливный элемент заставляют производить электроэнергию при плотности тока, основанной на значении команды плотности тока для топливного элемента, и регулировать количество хладагента, подаваемого в топливный элемент блоком подачи хладагента на основании рабочей температуры, измеренной блоком измерения температуры, и оценочной величины нагрева. В случае указанного выше комплекса топливного элемента, даже если выходная электрическая мощность топливного элемента ограничена выполнением процесса ограничения выхода, расход подаваемого хладагента регулируется подходящим образом, поэтому повышение рабочей температуры топливного элемента, в то время как выполняется процесс ограничения выхода, облегчается. Следовательно, существует высокая вероятность, что топливный элемент восстанавливается из состояния отрицательного напряжения.
[0022] Кроме того, в комплексе топливного элемента блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы в процессе ограничения выхода использовать оценочную величину нагрева и рабочую температуру, измеренную блоком измерения температуры, для вычисления оценочного повышения температуры топливного элемента, когда топливный элемент заставляют производить электроэнергию в течение заданного периода времени, пока в топливный элемент подается хладагент, а также блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы когда оценочное повышение температуры ниже или равно заданному пороговому значению, заставлять топливный элемент вырабатывать электроэнергию в состоянии, в котором блок подачи хладагента заставляют прекратить подачу хладагента в топливный элемент. В случае указанного выше комплекса топливного элемента, когда трудно привести рабочую температуру топливного элемента к запрограммированному значению из-за того, что выходная электрическая мощность топливного элемента ограничена процессом ограничения выхода, подача хладагента к топливному элементу прекращается. Таким образом, облегчается повышение температуры топливного элемента при выполнении процесса ограничения выхода, поэтому существует высокая вероятность, что топливный элемент восстанавливается из состояния отрицательного напряжения.
[0023] В дополнение к этому в комплексе топливного элемента блок управления может быть сконфигурирован так, чтобы в процессе ограничения выхода, когда скорость повышения рабочей температуры топливного элемента ниже предварительно установленного порогового значения, заставить топливный элемент вырабатывать электроэнергию в состоянии, в котором блок подачи хладагента заставляют прекратить подачу хладагента в топливный элемент. В случае указанного выше комплекса топливного элемента, если степень повышения температуры топливного элемента не достигла запрограммированного значения в соответствии с измеренной рабочей температурой топливного элемента, в то время как выполняется процесс ограничения выхода, то подача хладагента к топливному элементу прекращается. Таким образом, облегчается повышение температуры топливного элемента, в то время как выполняется процесс ограничения выхода, поэтому существует высокая вероятность, что топливный элемент восстанавливается из состояния отрицательного напряжения.
[0024] Еще в одном аспекте настоящего изобретения обеспечивается способ управления комплексом топливного элемента, производящим в ответ на запрос от внешней нагрузки электроэнергию, вырабатываемую топливным элементом, имеющим по меньшей мере один вырабатывающий электроэнергию элемент. Способ управления включает: определение суммарной величины тока, получаемой интегрированием по времени выходного тока топливного элемента в период, в течение которого удовлетворяется предварительно установленное условие окружающей среды, указывающее возможность генерирования отрицательного напряжения в указанном по меньшей мере одном вырабатывающем электроэнергию элементе;
обращение к предварительно установленной корреляции между суммарными величинами тока, допустимыми в период, в течение которого в указанном по меньшей мере одном вырабатывающем электроэнергию элементе генерируется отрицательное напряжение, и плотностями тока, допустимыми в указанный период; и
выполнение процесса ограничения выхода для ограничения выходной электрической мощности топливного элемента так, чтобы попадать в допустимый рабочий диапазон, определяемый допустимыми суммарными величинами тока и допустимыми плотностями тока указанной корреляции.
[0025] Необходимо отметить, что указанные аспекты настоящего изобретения могут быть реализованы в различных формах, например, в такой форме как комплекс топливного элемента, как транспортное средство, оборудованное указанным комплексом топливного элемента, как способ управления комплексом топливного элемента, как компьютерная программа, предназначенная для реализации функций указанного комплекса, транспортного средства и способа управления, и как носитель записи, предназначенный для записи указанной компьютерной программы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0026] Далее будут описаны признаки, преимущества, техническая и промышленная значимость иллюстративных примеров осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одни и те же номера позиций обозначают одни и те же элементы и где:
ФИГ.1 представляет собой схематическое изображение, показывающее конфигурацию комплекса топливного элемента в соответствии с первым примером осуществления изобретения;
ФИГ.2 представляет собой схематическое изображение, показывающее электрическую конфигурацию комплекса топливного элемента в соответствии с первым примером осуществления изобретения;
ФИГ.3А и 3В представляют собой графики для иллюстрации управления выходом топливного элемента комплекса топливного элемента в соответствии первым примером осуществления изобретения;
ФИГ.4А, 4В и 4С представляют собой графики для иллюстрации снижения эффективности топливного элемента из-за отрицательного напряжения, генерируемого по причине недостаточной подачи водорода в комплекс топливного элемента;
ФИГ.5 представляет собой блок-схему для иллюстрации процедуры процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения в комплексе топливного элемента;
ФИГ.6 представляет собой график для иллюстрации момента, в который в комплексе топливного элемента происходит переход отрицательного напряжения от допустимого уровня выработки электроэнергии к уровню снижения эффективности.
ФИГ.7 представляет собой график для иллюстрации допустимого рабочего диапазона топливного элемента, определенного с помощью эксперимента, в комплексе топливного элемента;
ФИГ.8А, 8В и 8С представляют собой графики для иллюстрации процесса ограничения тока в комплексе топливного элемента.
ФИГ.9 представляет собой схематическое изображение, показывающее электрическую конфигурацию комплекса топливного элемента в соответствии с первым альтернативным примером осуществления изобретения по отношению к первому примеру осуществления;
ФИГ.10 представляет собой блок-схему для иллюстрации процедуры процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения в соответствии с первым альтернативным примером осуществления по отношению к первому примеру осуществления;
ФИГ.11 представляет собой схематическое изображение, показывающее электрическую конфигурацию комплекса топливного элемента в соответствии со вторым альтернативным примером осуществления по отношению к первому примеру осуществления;
ФИГ.12 представляет собой блок-схему для иллюстрации процедуры процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения в соответствии со вторым альтернативным примером осуществления по отношению к первому примеру осуществления;
ФИГ.13 представляет собой блок-схему для иллюстрации процедуры процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения в соответствии со вторым примером осуществления;
ФИГ.14 представляет собой график для иллюстрации процесса ограничения тока в соответствии со вторым примером осуществления;
ФИГ.15 представляет собой схематическое изображение, показывающее электрическую конфигурацию комплекса топливного элемента в соответствии с третьим примером осуществления;
ФИГ.16 представляет собой блок-схему для иллюстрации процедуры процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения в соответствии с третьим примером осуществления;
ФИГ.17 представляет собой график, показывающий изменение допустимого рабочего диапазона в результате изменения уровня влажности внутри топливного элемента в соответствии с третьим примером осуществления изобретения;
ФИГ.18 представляет собой блок-схему, показывающую процедуру процесса изменение допустимого диапазона в соответствии с третьим примером осуществления;
ФИГ.19 представляет собой график, показывающий пример карты определения влажности, используемой для определения запрограммированной влажности внутри топливного элемента в соответствии с третьим примером осуществления;
ФИГ.20А, 20В и 20С представляют собой графики для иллюстрации процесса определения запрограммированной влажности внутри топливного элемента с использованием карты определения влажности и процесс изменения карты допустимого диапазона в соответствии с третьим примером осуществления;
ФИГ.21А и 21В представляют собой графики для иллюстрации процесса изменения допустимого диапазона в комплексе топливного элемента в соответствии с четвертым примером осуществления;
ФИГ.22 представляет собой блок-схему, показывающую процедуру процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения в соответствии с пятым примером осуществления;
ФИГ.23 представляет собой блок-схему, показывающую процедуру процесса регулирования хладагента в соответствии с пятым примером осуществления;
ФИГ.24 представляет собой блок-схему, показывающую процедуру процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения в соответствии с шестым примером осуществления;
ФИГ.25А и 25В представляют собой блок-схемы, соответственно показывающие первый и второй процессы регулирования хладагента в соответствии с шестым примером осуществления;
ФИГ.26А и 26В представляют собой графики для иллюстрации изменения во времени температуры ячейки с отрицательным напряжением в условиях низкотемпературной внешней среды в соответствии с базисными примерами настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0027] ФИГ.1 представляет собой схематическое изображение, показывающее конфигурацию комплекса топливного элемента в соответствии с первым примером осуществления изобретения. Комплекс 100 топливного элемента включает топливный элемент 10, блок управления 20, блок подачи катодного газа 30, блок выпуска катодного газа 40, блок подачи анодного газа 50, блок циркуляции и выпуска анодного газа 60 и блок подачи хладагента 70.
[0028] Топливный элемент 10 представляет собой полимерный электролитический топливный элемент, в который подают водород (анодный газ) и воздух (катодный газ) в качестве химически активных газов для выработки электроэнергии. Топливный элемент 10 имеет секционную структуру, в которой укомплектовано множество вырабатывающих электроэнергию элементов 11, называемых отдельными ячейками. Каждый вырабатывающий электроэнергию элемент 11 включает мембранный электродный узел (не показан) и два сепаратора (не показаны). Мембранный электродный узел представляет собой вырабатывающий электроэнергию элемент, в котором электроды расположены на обеих поверхностях мембраны-электролита. В электродный узел вставлены два сепаратора.
[0029] В данном случае мембрана-электролит может быть выполнена в виде тонкой пленки из твердого полимера, обладающей подходящей протонной проводимостью во влажном состоянии. Кроме того, каждый электрод может быть изготовлен из углерода (С). Необходимо отметить, что на поверхности электрода, обращенной к мембране-электролиту, расположен катализатор (например, платина (Pt)), предназначенный для активизации реакции генерирования электроэнергии. Для каждого вырабатывающего электроэнергию топливного элемента 11 предусмотрены коллекторы (не показаны) для химически активных газов и хладагента. Химически активные газы в коллекторах подаются в вырабатывающую электроэнергию часть каждого вырабатывающего электроэнергию элемента 11 через соответствующие газовые проточные каналы, предусмотренные для каждого вырабатывающего электроэнергию элемента 11.
[0030] Блок управления 20 выполнен в виде микрокомпьютера, включающего центральный процессор и основное запоминающее устройство. Блок управления 20 принимает запрос от внешней нагрузки 200 на выход электроэнергии. В ответ на запрос блок управления 20 управляет конструктивными узлами комплекса 100 топливного элемента, описываемого ниже, так, чтобы заставлять топливный элемент 10 вырабатывать электроэнергию.
[0031] Блок подачи катодного газа 30 включает магистраль катодного газа 31, воздушный компрессор 32, измеритель расхода воздуха 33, двухпозиционный клапан 34 и увлажнительный блок 35. Магистраль катодного газа 31 соединена с катодом топливного элемента 10. Воздушный компрессор 32 сообщен с топливным элементом 10 через магистраль катодного газа 31. Воздушный компрессор 32 всасывает и сжимает наружный воздух и подает сжатый воздух в качестве катодного газа в топливный элемент 10.
[0032] Измеритель расхода воздуха 33 замеряет расход наружного воздуха, всасываемого воздушным компрессором 32 на входном участке воздушного компрессора 32, и затем передает измеренный расход в блок управления 20. На основе измеренного расхода блок управления 20 управляет воздушным компрессором 32, чтобы регулировать количество воздуха, подаваемого в топливный элемент 10.
[0033] Двухпозиционный клапан 34 расположен между воздушным компрессором 32 и топливным элементом 10. Двухпозиционный клапан 34 открывается или закрывается в зависимости от потока подаваемого воздуха в магистрали катодного газа 31. В частности, двухпозиционный клапан 34 является нормально закрытым и открывается, когда воздух, имеющий заданное давление, подается от воздушного компрессора 32 в магистраль катодного газа 31.
[0034] Увлажнительный блок 35 увлажняет воздух высокого давления, закачиваемый из воздушного компрессора 32. Чтобы поддержать влажное состояние мембран-электролитов для обеспечения подходящей протонной проводимости, блок управления 20 использует увлажнительный блок 35 с целью регулирования степени увлажнения воздуха, подаваемого в топливный элемент 10, и тем самым регулирования влажного состояния внутри топливного элемента 10.
[0035] Блок выпуска катодного газа 40 включает магистраль выпуска отработавшего катодного газа 41, регулирующий давление клапан 43 и блок измерения давления 44. Магистраль отработавшего катодного газа 41 соединена с катодом топливного элемента 10 и выводит катодный отработавший газ из комплекса 100 топливного элемента наружу. Регулирующий давление клапан 43 регулирует давление катодного отработавшего газа (противодавление топливного элемента 10) в магистрали отработавшего катодного газа 41. Блок измерения давления 44 расположен на входном участке регулирующего давление клапана 43. Блок измерения давления 44 измеряет давление катодного отработавшего газа и затем передает данные измерения давления в блок управления 20. Блок управления 20 регулирует степень открывания регулирующего давление клапана 43 на основании давления, измеренного блоком измерения давления 44.
[0036] Блок подачи анодного газа 50 включает магистраль анодного газа 51, резервуар для водорода 52, двухпозиционный клапан 53, регулятор 54, инжектор 55 и два блока измерения давления 56и и 56d. Резервуар для водорода 52 соединен с анодом топливного элемента 10 через магистраль анодного газа 51 и подает водород, заправленный в резервуар, в топливный элемент 10. Необходимо отметить, что в качестве источника подаваемого водорода вместо резервуара для водорода 52 комплекс 100 топливного элемента может включать преобразователь. Преобразователь осуществляет преобразование топлива на углеводородной основе для получения водорода.
[0037] Двухпозиционный клапан 53, регулятор 54, первый блок измерения давления 56и, инжектор 55 и второй блок измерения давления 56d предусмотрены в магистрали анодного газа 51 в указанном порядке, начиная с входной стороны (стороны, примыкающей к резервуару для водорода 52). Двухпозиционный клапан 53 открывается или закрывается по команде блока управления 20. Двухпозиционный клапан 53 регулирует поток водорода из резервуара для водорода 52 в направлении входной стороны инжектора 55. Регулятор 54 представляет собой редукционный клапан для регулирования давления водорода на участке перед инжектором 55. Степень открывания регулятора 54 регулируется блоком управления 20.
[0038] Инжектор 55 представляет собой двухпозиционный клапан с электромагнитным управлением, запорный элемент которого приводится в действие электромагнитным путем в соответствии с интервалом приведения в действие или продолжительностью открытого состояния клапана, устанавливаемых блоком управления 20. Блок управления 20 регулирует интервал приведения в действие или продолжительность открытого состояния клапана инжектора 55 с целью регулирования количества водорода, подаваемого в топливный элемент 10. Первый и второй блоки измерения давления 56u и 56d измеряют, соответственно, давление водорода на участке перед инжектором 55 и давление водорода на участке после инжектора 55 и затем передают данные измеренного давления в блок управления 20. Блок управления 20 использует эти данные измеренного давления для определения интервала приведения в действие или продолжительности открытого состояния клапана инжектора 55.
[0039] Блок циркуляции и выпуска анодного газа 60 включает магистраль выпуска отработавшего анодного газа 61, газожидкостный сепаратор 62, циркуляционную магистраль анодного газа 63, циркуляционный насос для водорода 64, анодную водоотводную магистраль 65 и спускной клапан 66. Магистраль выпуска отработавшего анодного газа 61 соединяет выпуск анода топливного элемента 10 с газожидкостным сепаратором 62. По магистрали выпуска отработавшего анодного газа 61 отводится отработавший анодный газ, включающий непрореагировавший газ (водород, азот и т.п.), который не был использован в реакции получения электроэнергии, в газожидкостный сепаратор 62.
[0040] Газожидкостный сепаратор 62 сообщен с циркуляционной магистралью анодного газа 63 и анодной водоотводной магистралью 65. Газожидкостный сепаратор 62 разделяет газовые компоненты и воду, содержащуюся в отработавшем анодном газе. Газожидкостный сепаратор 62 направляет газовые компоненты в циркуляционную магистраль анодного газа 63, а воду - в анодную водоотводную магистраль 65.
[0041] Циркуляционная магистраль анодного газа 63 сообщена с магистралью анодного газа 51 на участке после инжектора 55. В циркуляционной магистрали анодного газа 63 предусмотрен циркуляционный насос для водорода 64. Водород, содержащийся в газовых компонентах, отделенных газожидкостным сепаратором 62, закачивается в магистраль анодного газа 51 циркуляционным насосом для водорода 64. При этом в комплексе 100 топливного элемента водород, содержащийся в анодном отработавшем газе, циркулирует и снова подается в топливный элемент 10, благодаря чему улучшается эффективность использования водорода.
[0042] Анодная водоотводная магистраль 65 используется для отвода воды, отделенной газожидкостным сепаратором 62, за пределы комплекса 100 топливного элемента. В анодной водоотводной магистрали 65 предусмотрен спускной клапан 66. Спускной клапан 66 открывается или закрывается по команде от блока управления 20. Обычно блок управления 20 во время работы комплекса 100 топливного элемента закрывает спускной клапан 66 и открывает его в заданный момент времени водоотвода, установленный заранее, или момент времени, в который выпускается наружу инертный газ, входящий в состав отработавшего анодного газа.
[0043] Блок подачи хладагента 70 включает магистраль хладагента 71, радиатор 72, циркуляционный насос для хладагента 73 и два блока измерения температуры хладагента 74 и 75. Магистраль хладагента 71 соединяет впускной коллектор хладагента с выпускным коллектором хладагента. Впускной коллектор хладагента и выпускной коллектор хладагента предназначены для топливного элемента 10. Магистраль хладагента 71 обеспечивает циркуляцию хладагента для охлаждения топливного элемента 10. В магистрали хладагента 71 предусмотрен радиатор 72. Радиатор 72 обеспечивает теплообмен между хладагентом, текущим в магистрали хладагента 71, и наружным воздухом для охлаждения хладагента.
[0044] В магистрали хладагента 71 предусмотрен циркуляционный насос для хладагента 73, расположенный на участке после радиатора 72 (рядом с впуском хладагента топливного элемента 10). Циркуляционный насос для хладагента 73 закачивает хладагент, охлажденный с помощью радиатора 72, в топливный элемент 10. В магистрали хладагента 71 предусмотрены соответственно два блока измерения температуры хладагента 74 и 75, рядом с выпуском хладагента топливного элемента 10 и рядом с впуском хладагента топливного элемента 10. Два блока измерения температуры 74 и 75 соответственно передают данные измеренной температуры в блок управления 20. Блок управления 20 определяет рабочую температуру топливного элемента 10 по разности соответствующей температуры, измеренной двумя блоками измерения температуры 74 и 75, и затем регулирует количество хладагента, закачиваемое циркуляционным насосом для хладагента 73, на основании измеренной рабочей температуры, тем самым регулируя рабочую температуру топливного элемента 10.
[0045] ФИГ.2 представляет собой схематическое изображение, показывающее электрическую конфигурацию комплекса 100 с топливным элементом. Комплекс 100 с топливным элементом включает аккумуляторную батарею 81, преобразователь постоянного тока 82 и инвертор 83. Кроме того, комплекс 100 с топливным элементом включает блок измерения напряжения 91 ячейки, блок измерения тока 92, блок измерения импеданса 93 и указатель степени заряженности 94 топливного элемента.
[0046] Топливный элемент 10 подключен к инвертору 83 через линию питания постоянного тока DCL. Аккумуляторная батарея 81 подключена к линии питания постоянного тока DCL через преобразователь постоянного тока 82. Инвертор 83 подключен к внешней нагрузке 200. Необходимо отметить, что в комплексе 100 топливного элемента часть выходной электрической мощности топливного элемента 10 и аккумуляторная батарея 81 используются для приведения в действие вспомогательных устройств, входящих в состав комплекса 100 топливного элемента; однако монтажная схема их подключения не показана, а описание опущено.
[0047] Аккумуляторная батарея 81 работает как вспомогательный источник питания топливного элемента 10. Аккумуляторная батарея 81 может быть выполнена в виде, например, литий-ионной аккумуляторной батареи. Преобразователь постоянного тока 82 работает как блок управления зарядкой/разрядкой, который управляет зарядкой/разрядкой аккумуляторной батареи 81. Преобразователь постоянного тока 82 в переменном режиме регулирует уровня напряжения линии питания постоянного тока DCL в ответ на команду блока управления 20. Если выходная электрическая мощность топливного элемента 10 недостаточна относительно выхода, запрашиваемого внешней нагрузкой 200, то для того, чтобы компенсировать недостаточную электроэнергию, блок управления 20 подает команду преобразователю постоянного тока 82 на разрядку аккумуляторной батареи 81.
[0048] Инвертор 83 преобразует электрическую энергию постоянного тока, полученную от топливного элемента 10 и аккумуляторной батареи 81, в электрическую энергию переменного тока и затем подает электрическую энергию переменного тока на внешнюю нагрузку 200. Необходимо отметить, что когда во внешней нагрузке 200 вырабатывается рекуперативная электроэнергия, то инвертором 83 эта энергия преобразуется в электроэнергию постоянного тока, а затем аккумуляторная батарея 81 заряжается указанной электроэнергией постоянного тока с помощью преобразователя постоянного тока 82.
[0049] Блок измерения напряжения 91 ячейки подключен к каждому вырабатывающему электроэнергию элементу 11 топливного элемента 10 для измерения напряжения (напряжения ячейки) каждого вырабатывающего электроэнергию элемента 11. Блок измерения напряжения 91 ячейки передает данные измеренного напряжения ячейки в блок управления 20. Необходимо отметить, что блок измерения напряжения 91 ячейки может передавать в блок управления 20 только самое низкое напряжение ячейки из всего измеренного напряжения ячейки.
[0050] Блок измерения тока 92 подключен к линии питания постоянного тока DCL. Блок измерения тока 92 измеряет выходной ток топливного элемента 10 и затем передает данные измерения в блок управления 20. Указатель степени заряженности 94 подключен к аккумуляторной батарее 81, Указатель степени заряженности 94 определяет степень заряженности (SOC, (State of Charge) аккумуляторной батареи 81 и затем передает определенную степень заряженности в блок управления 20.
[0051] Блок измерения импеданса 93 подключен к топливному элементу 10. Блок измерения импеданса 93 подает переменный ток на топливный элемент 10, чтобы таким образом измерять импеданс топливного элемента 10. Как известно, импеданс топливного элемента 10 изменяется в зависимости от количества воды, присутствующей в топливном элементе 10. То есть, корреляция между импедансом топливного элемента 10 и количеством воды (влажностью) внутри топливного элемента 10 запрашивается предварительно, а затем измеряется импеданс топливного элемента 10, чтобы таким образом сделать возможным получение количества воды (влажности) внутри топливного элемента 10.
[0052] При этом в комплексе 100 топливного элемента в соответствии с первым примером осуществления блок управления 20 также функционирует в качестве блока определения суммарной величины тока 21. Блок определения суммарной величины тока 21 интегрирует выходной ток топливного элемента 10, измеряемый блоком измерения тока 92, по времени за заданный период времени, чтобы таким образом вычислить суммарную величину тока, которая указывает выходной электрический заряд топливного элемента 10. Блок управления 20 использует суммарную величину тока для выполнения процесса ограничения тока с целью предотвращения снижения эффективности выработки электроэнергии вырабатывающими электроэнергию элементами 11, что будет подробно описано ниже.
[0053] ФИГ.3А и 3В представляют собой графики для иллюстрации управления выходом топливного элемента комплекса 100 топливного элемента. ФИГ.3А представляет собой график, показывающий параметры W-I топливного элемента 10 и на котором ось ординат отражает электрическую мощность топливного элемента 10, а ось абсцисс - ток топливного элемента 10. В общем случае, параметры W-I топливного элемента показаны в виде кривой, обращенной выпуклостью вверх.
[0054] ФИГ.3В представляет собой график, показывающий параметры V-I топливного элемента 10, на котором ось ординат отражает напряжение топливного элемента 10, а ось абсцисс - ток топливного элемента 10. В общем случае, параметры V-I топливного элемента показаны в виде горизонтальной сигмоидальной кривой, отклоняющейся при увеличении тока. Необходимо отметить, что на ФИГ.3А и 3В оси абсцисс соответствующих графиков соответствуют друг другу.
[0055] Блок управления 20 предварительно запоминает эти параметры W-I и V-I топливного элемента 10. Блок управления 20 использует параметры W-I для получения запрограммированного тока It, который должен быть на выходе топливного элемента 10, чтобы обеспечить электрическую мощность Pt, требуемую внешней нагрузкой 200. Кроме того, блок управления 20 использует параметры V-I для определения запрограммированного напряжения Vt топливного элемента 10, обеспечивающего выход запрограммированного тока It, полученного из параметров W-I. Блок управления 20 устанавливает запрограммированное напряжение Vt в преобразователе постоянного тока 82, чтобы заставить преобразователь постоянного тока 82 регулировать напряжение линии питания постоянного тока DCL.
[0056] При этом, как описано выше, в топливном элементе 10 химически активные газы текут из коллекторов в газовые проточные каналы каждого вырабатывающего электроэнергию элемента 11. Однако газовые проточные каналы каждого вырабатывающего электроэнергию элемента 11 могут быть заблокированы водой или т.п., производимыми в топливном элементе 10. Если топливный элемент 10 заставляют продолжать вырабатывать электроэнергию в состоянии, когда газовые каналы части вырабатывающих электроэнергию элементов 11 заблокированы, то реакция для выработки электроэнергии подавляется из-за недостаточной подачи химически активных газов в часть вырабатывающих электроэнергию элементов 11. С другой стороны, другие вырабатывающие электроэнергию элементы 11 продолжают вырабатывать электроэнергию, поэтому часть вырабатывающих электроэнергию элементов 11 работает как активное сопротивление в топливном элементе 10, из-за чего генерируется отрицательное напряжение. Далее в настоящем описании вырабатывающий электроэнергию элемент 11, в котором генерируется отрицательное напряжение, называется "ячейкой с отрицательным напряжением 11".
[0057] Известно, что если состояние отрицательного напряжения каждой ячейки с отрицательным напряжением 11 продолжает сохраняться, то происходит деградация электродов каждой ячейки с отрицательным напряжением 11, в результате чего снижается эффективность выработки электроэнергии топливным элементом 10. Здесь отрицательное напряжение возникает из-за недостаточной подачи водорода, что вызывается снижением подачи водорода на анод, или из-за недостаточной подачи кислорода, что вызывается снижением подачи кислорода на катод. В случае возникновения отрицательного напряжения из-за недостаточной подачи водорода на анод, эффективность топливного элемента 10 снижается следующим образом в зависимости от уровня отрицательного напряжения.
[0058] ФИГ.4А, 4В и 4С представляют собой графики для иллюстрации снижения эффективности топливного элемента 10 из-за отрицательного напряжения, генерируемого по причине недостаточной подачи водорода в любой из вырабатывающих электроэнергию элементов 11. ФИГ.4А представляет собой график, показывающий изменение напряжения ячейки при генерировании отрицательного напряжения в любом из вырабатывающих электроэнергию элементов 11. На графике ФИГ.4А по оси ординат указано напряжение ячейки, а ось абсцисс - время.
0
1
1
2
1
2
[0059] На указанном графике отрицательное напряжение возникает в момент времени t, и напряжение ячейки падает по существу вертикально до напряжения V. После этого напряжение ячейки поддерживается постоянным в окрестности V и снова падает по существу вертикально до напряжения V в момент времени t, а затем напряжение поддерживается постоянным при значении V. При этом уровень отрицательного напряжения, генерируемого из-за недостаточной подачи водорода, с течением времени уменьшается в два этапа по существу ступенчатым образом.
0
1
2
[0060] Здесь на аноде каждой ячейки с отрицательным напряжением 11, чтобы компенсировать недостаточную подачу водорода, посредством указанной ниже химической реакции генерируются протоны. То есть в период времени с момента t до момента t протоны генерируются в результате реакции расщепления воды, описываемой следующим уравнением реакции (1), а после момента времени t протоны генерируются в результате реакции окисления углерода, из которого состоит электрод (анод), описываемой уравнением реакции (2).
0
1
1
I-V
I-R
I-V
I-R
[0061] На ФИГ.4В представлен график, показывающий эффективность выработки электроэнергии каждой ячейкой с отрицательным напряжением 11 в период времени с момента t до момента t. На ФИГ.4С представлен график, показывающий эффективность выработки электроэнергии каждой ячейкой с отрицательным напряжением 11 после момента t. Каждая из ФИГ.4 В и ФИГ.4С включает график G, показывающий параметры I-V каждой из ячеек с отрицательным напряжением 11 и на котором по оси абсцисс указана плотность тока, а по оси ординат - напряжение ячейки, и график G, показывающий характеристики I-R каждой из ячеек с отрицательным напряжением 11 и на котором по оси абсцисс указана плотность тока, а по оси ординат - сопротивление. Необходимо отметить, что для показа изменения параметров на ФИГ.4С графики G и G, приведенные на ФИГ.4В, изображены штриховыми линиями, а также показаны стрелки, обозначающие направления, в которых смещаются соответствующие графики.
0
1
1
1
[0062] Таким образом, если на аноде каждой ячейки с отрицательным напряжением 11 происходит реакция расщепления воды, например, в период времени с момента t до момента t, то снижение эффективности выработки электроэнергии топливным элементом 10 относительно подавляется (ФИГ.4В). Необходимо отметить, что в случае ФИГ.4В, параметры I-V каждого генерирующего электроэнергию элемента 11, в котором не генерируется отрицательное напряжение, по существу совпадают с параметрами I-V каждой ячейки с отрицательным напряжением 11. С другой стороны, если на аноде каждой ячейки с отрицательным напряжением 11 происходит реакция окисления углерода, например, после момента времени t, то параметры I-V каждой ячейки с отрицательным напряжением 11 снижаются, а внутреннее сопротивление каждой ячейки с отрицательным напряжением 11 увеличивается (ФИГ.4С). Необходимо отметить, что эффективности выработки электроэнергии топливным элементом 10 снижается из-за снижения эффективности каждой ячейки с отрицательным напряжением 11. Кроме того, если углерод электрода окисляется, например, после момента времени t, то трудно восстановить эффективность выработки электроэнергии каждой ячейки с отрицательным напряжением 11 даже после перезапуска топливного элемента 10.
0
1
1
[0063] Далее в настоящем описании уровень отрицательного напряжения, при котором может продолжаться выработка электроэнергии и в то же время предотвращается снижение эффективности выработки электроэнергии топливным элементом 10 посредством реакции расщепления воды на аноде каждой ячейки с отрицательным напряжением 11, например, в период с момента времени t до момента времени t, называется "допустимым уровнем выработки электроэнергии". Кроме того, уровень отрицательного напряжения, при котором происходит деградация электрода каждой ячейки с отрицательным напряжением 11 и снижается эффективность выработки электроэнергии топливного элемента 10, например, после момента времени t, называется "уровнем снижения эффективности".
[0064] В комплексе 100 топливного элемента в соответствии с первым примером осуществления настоящего изобретения, когда обнаружено отрицательное напряжение в любом из вырабатывающих электроэнергию элементов 11 топливного элемента 10, происходит восстановление из состояния отрицательного напряжения посредством процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения, описанного ниже. Необходимо отметить, что в процессе восстановления из состояния отрицательного напряжения, если определено, что отрицательное напряжение возникло по причине недостаточной подачи водорода, то осуществляется управление выходом, не допускающее уровень отрицательного напряжения, при котором снижается эффективность топливного элемента, благодаря чему происходит восстановление из состояния отрицательного напряжения и удается избежать деградации электрода ячейки с отрицательным напряжением 11.
[0065] ФИГ.5 представляет собой блок-схему для иллюстрации процедуры процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения, выполняемого блоком управления 20. После начала нормальной работы топливного элемента 10 (шаг S5), если блоком измерения напряжения 91 ячейки обнаружено отрицательное напряжение по меньшей мере в одном из вырабатывающих электроэнергию элементов 11, то блок управления 20 запускает процесс шага S20 и последующих шагов (шаг S10). На шаге S20 блок управления 20 заставляет блок определения суммарной величины тока начать определение суммарной величины тока, используемой в процессе ограничения тока (описывается ниже).
[0066] В данном случае на этапе, когда на шаге S10 обнаружено отрицательное напряжение, не определяется, является ли причиной генерирования отрицательного напряжения недостаточная подача водорода на анод или недостаточная подача кислорода на катод. Затем на шаге S30 блок управления 20 сначала увеличивает частоту вращения воздушного компрессора 32 для увеличения количества воздуха, подаваемого в топливный элемент 10. Если отрицательное напряжение генерируется из-за недостаточной подачи кислорода на катод, данная операция устраняет недостаточную подачу воздуха, а также продувает воду, блокирующую газовый проточный канал со стороны катода, чтобы обеспечить устранение блокировки.
[0067] Если напряжение ячейки с отрицательным напряжением 11 увеличивается после увеличения количества подаваемого воздух, то блок управления 20 определяет, что ячейка с отрицательным напряжением 11 восстановилась из состояния отрицательного напряжения и затем возвращается к нормальному управлению работой топливного элемента 10 (шаг S40). С другой стороны, если даже при увеличении количества подаваемого воздуха ячейка с отрицательным напряжением 11 не восстановилась из состояния отрицательного напряжения, то блок управления 20 определяет, что причиной, по которой генерируется отрицательное напряжение, является недостаточная подача водорода, и запускает процесс ограничения тока (шаг S50 и последующие шаги), чтобы избежать деградации электрода и снижения эффективности выработки электроэнергии.
[0068] На шаге S50 блок управления 20 получает суммарную величину тока от блока определения суммарной величины тока 21 на основании выходного тока топливного элемента 10 за период, в течение которого генерировалось отрицательное напряжение. На шагах S60 и S70 блок управления 20 использует полученную на шаге S50 суммарную величину тока, чтобы получить предельное значение выходной электрической мощности топливного элемента 10, и затем заставляет топливный элемент 10 выдавать электрическую мощность в заданных пределах. Благодаря этому предотвращаются деградация электрода каждой ячейки с отрицательным напряжением 11 и снижение эффективности выработки электроэнергии топливным элементом 10. Далее, перед тем как описать конкретные подробные операции шагов S60 и S70, будет описана полученная авторами изобретения экспериментальным путем корреляция между суммарной величиной тока и предельным значением выходной электрической мощности топливного элемента 10, чтобы избежать окисления электрода и снижения эффективности выработки электроэнергии из-за отрицательного напряжения.
[0069] ФИГ.6 представляет собой график, показывающий результаты эксперимента, проведенного авторами изобретения с целью исследования времени перехода отрицательного напряжения от допустимого уровня выработки электроэнергии к уровню снижения эффективности. В указанном эксперименте для выбранного одного из вырабатывающих электроэнергию элементов 11 в состоянии, когда газовый проточный канал со стороны анода заблокирован, периодически, пять раз с постоянным временным интервалом осуществляли выработку электроэнергии, что заставляло топливный элемент 10 выдавать постоянный ток при постоянном расходе химически активных газов и при постоянной рабочей температуре. График ФИГ. 6 показывает изменение отрицательного напряжения по времени для каждого цикла выработки электроэнергии.
[0070] В течение с первого по третий циклов выработки электроэнергии время измерения заканчивалось до того, как отрицательное напряжение достигало допустимого уровня выработки электроэнергии. Однако в течение четвертого цикла выработки электроэнергии в ходе измерения напряжение ячейки снизилось до уровня снижения эффективности. Затем в течение пятого цикла выработки электроэнергии напряжение ячейки снизилось до уровня снижения эффективности сразу после начала выработки электроэнергии.
[0071] Авторы изобретения повторили подобный эксперимент с различными величинами выходного тока топливного элемента 10 и обнаружили, что суммарное время перехода отрицательного напряжения от допустимого уровня выработки электроэнергии к уровню снижения эффективности выработки электроэнергии по существу является постоянным для каждой плотности тока, даже когда остановка и перезапуск цикла выработки электроэнергии повторяется после генерирования отрицательного напряжения. Предположительно причиной является оксидная пленка, образующаяся на аноде ячейки с отрицательным напряжением 11 из-за реакции расщепления воды, достаточно прочная, чтобы сохраниться даже после прекращения выработки электроэнергии.
[0072] При этом ожидается, что электрический заряд, который может быть выдан в период с момента, когда возникает отрицательное напряжение, до момента, когда отрицательное напряжение достигает уровня снижения эффективности, является, по существу, постоянным для каждой плотности тока, и в это время выходное значение электрического заряда остается в качестве данных о динамике выработки электроэнергии в то время. С помощью этих сведений авторы изобретения обнаружили, что рабочие условия, допустимые для топливного элемента 10 перед переходом отрицательного напряжения к уровню снижения эффективности, могут быть определены по плотности тока топливного элемента 10 в период времени, в котором генерируется отрицательное напряжение допустимого для выработки электроэнергии уровня, и по суммарной величине тока топливного элемента 10 в это время.
[0073] ФИГ.7 представляет собой график, показывающий результаты эксперимента, проведенного авторами изобретения с целью определения рабочих условий, допустимых для топливного элемента 10 в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение при допустимом уровне выработки электроэнергии. В данном эксперименте газовый проточный канал со стороны анода одного из вырабатывающих электроэнергию элементов 11 был заблокирован, и затем определяли суммарную величину тока, когда топливный элемент 10 заставляли продолжать вырабатывать электроэнергию с момента, когда возникает отрицательное напряжение, до момента, когда отрицательное напряжение достигает уровня снижения эффективности. Затем несколько раз определяли суммарную величину тока при различных плотностях тока топливного элемента 10, чтобы получить суммарную величину тока для каждой плотности тока. Необходимо отметить, что в этом эксперименте расход химически активных газов, подаваемых в топливный элемент 10, и рабочая температура топливного элемента 10 были постоянными.
[0074] ФИГ.7 является графиком, полученным таким образом, что по оси ординат представлена суммарная величина тока, по оси абсцисс представлена плотность тока, а результаты определения представлены в виде кривой. Таким образом, корреляция между плотностями тока топливного элемента 10 в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение при допустимом уровне выработки электроэнергии, и суммарными величинами тока, допустимыми для топливного элемента 10 в это время, отображается в виде нисходящей кривой, направленной выпуклостью вниз. То есть, когда плотность тока топливного элемента 10 в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение при допустимом уровне выработки электроэнергии (далее называемый также "допустимым периодом выработки электроэнергии"), увеличивается, суммарная величина тока, допустимая для топливного элемента 10 в это время, уменьшается. При увеличении плотности тока суммарная величина тока уменьшается по существу экспоненциально.
[0075] Здесь на ФИГ.7 заштрихованная область под кривой, обращенной выпуклостью вниз, можно рассматривать как область, включающую сочетание плотности тока и суммарной величины тока, допустимых для топливного элемента 10 в течение допустимого периода выработки электроэнергии. Далее эта область называется "допустимый рабочий диапазон". То есть в случае, в котором отрицательное напряжение генерируется из-за недостаточной подачи водорода, когда топливный элемент 10 заставляют выдавать сочетание плотности тока и суммарной величины тока, которые попадают в рабочий диапазон, то для топливного элемента 10 есть возможность продолжать выработку электроэнергии и при этом избежать достижения отрицательным напряжением уровня снижения эффективности. Необходимо отметить, что как можно понять из того факта, что по оси ординат графика указана суммарная величина тока, допустимый рабочий диапазон уменьшается с увеличением продолжительности выработки электроэнергии топливным элементом 10 после возникновения отрицательного напряжения.
[0076] В комплексе 100 топливного элемента в соответствии с первым примером осуществления блок управления 20 предварительно запоминает показанную в виде графика на ФИГ. 7 корреляцию между суммарными величинами тока, допустимыми для топливного элемента 10, и плотностями тока, допустимыми для топливного элемента 10 в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение, в виде карты. Затем указанная карта (далее называемая "картой допустимого диапазона") используется для выполнения процесса ограничения тока на шагах S60 и S70 (ФИГ.5).
PA
PA
lim
lim
lim
[0077] ФИГ.8А-ФИГ.8С представляют собой схематические графики для иллюстрации процессов на шагах S60 и S70. На ФИГ.8А-ФИГ.8С вышеуказанная карта допустимого диапазона M представлена в виде графика, на котором по оси ординат представлена суммарная величина тока, а по оси абсцисс - плотность тока. На графиках карт допустимого диапазона M ФИГ.8А и ФИГ.8В допустимый рабочий диапазон заштрихован. В данном случае в комплексе 100 топливного элемента в соответствии с первым примером осуществления нижняя предельная плотность тока i (также называемая "минимальной плотностью тока i"), который должен выдаваться топливным элементом 10, устанавливается, чтобы блок управления 20 продолжал управление работой комплекса 100 топливного элемента. Поэтому область у минимальной плотности тока i или ниже ее не включена в допустимый рабочий диапазон.
1
PA
1
[0078] На шаге S60 блок управления 20 получает плотность тока ii для суммарной величины тока Qe, полученной блоком определения суммарной величины тока 21 (ФИГ.8А). Далее плотность тока, полученная с использованием карты допустимого диапазона M, также называется "предельной плотностью тока". Необходимо отметить, что суммарную величину тока Qe в это время получают на основании выходного тока топливного элемента 10 в течение процессов шагов S20-S60.
1
1c
1c
1
1
1c
1c
1
[0079] На шаге S70 блок управления 20 устанавливает предельную плотность тока i, полученную на шаге S60, в качестве плотности тока, которая в данный момент допустима для топливного элемента 10, и затем заставляет топливный элемент 10 вырабатывать электроэнергию при плотности тока i (также называемой "ограниченной плотностью тока i"), которая меньше предельной плотности тока i. В частности, блок управления 20 может вычесть предварительно установленное значение Δi из предельной плотности тока i, чтобы вычислить ограниченную плотность тока i(i=i-Δi). Необходимо отметить, что предварительно установленное значение Δi может меняться в зависимости от предельной плотности тока. В частности, также применимо, что когда предельная плотность тока уменьшается, значение Δi увеличивается.
PA
1
1c
1
[0080] Допустимый рабочий диапазон на карте допустимого диапазона M уменьшается суммарной величиной тока Qe в направлении оси ординат, поэтому на шаге S70, когда начинается выработка электроэнергии при ограниченной плотности тока i, которая меньше предельной плотности тока i, выходная электрическая мощность топливного элемента 10 попадает в допустимый рабочий диапазон. Таким образом, работа топливного элемента 10 может продолжаться при устранении деградации электрода.
[0081] Здесь блок управления 20 начинает процесс восстановления из состояния недостаточной подачи водорода на шаге S80, при этом ток ограничивается так, чтобы можно было продолжать работу топливного элемента 10. В частности, применимо, что расход водорода, подаваемого в топливный элемент 10, увеличивается путем регулирования интервала приведения в действие или продолжительности периода открытого состояния клапана инжектора 55, увеличения частоты вращения циркуляционного насоса для водорода 64 или т.п., чтобы увеличить давление водорода в топливном элементе 10.
[0082] Необходимо отметить, что когда комплекс 100 топливного элемента помещен в окружающую среду с низкой температурой, газовый проточный канал анода может быть заблокирован замороженной водой. Поэтому в данном случае может быть выполнен процесс повышения температуры топливного элемента 10, например, может быть уменьшена частота вращения циркуляционного насоса для хладагента 73.
2
2
2
PA
2c
2
[0083] После запуска на шаге S80 процесса восстановления из состояния недостаточной подачи водорода, когда ячейка с отрицательным напряжением 11 еще не восстановилась из состояния отрицательного напряжения, блок управления 20 снова повторяет процесс ограничения тока на шагах S50-S70 (шаг S90). На шаге S50, как и в предыдущем случае, блок управления 20 получает суммарную величину тока Qe на основании выходного тока топливного элемента 10 с момента времени, когда было обнаружено отрицательное напряжение, до текущего момента времени (шаг S50). Затем для получения предельной плотности тока i, соответствующей суммарной величине тока Qe, используется карта допустимого диапазона M (ФИГ.8В). На шаге S70 блок управления 20 заставляет топливный элемент 10 вырабатывать электроэнергию при ограниченной плотности тока i, которая меньше предельной плотности тока i.
lim
[0084] На чертеже ФИГ.8С представлен схематический график для иллюстрации изменения предельной плотности тока в процессе ограничения тока. Процесс ограничения тока на шагах с S50 по S80 выполняется повторно до тех пор, пока ячейка с отрицательным напряжением 11 не восстановится из состояния отрицательного напряжения (шаг S90). Во время повторения процесса ограничения тока при увеличении суммарной величины тока предельная плотность тока постепенно уменьшается по кривой, показанной на графике (стрелки на графике). Кроме того, выходной ток топливного элемента 10 постепенно уменьшается по кривой, показанной на графике, как и в случае изменения предельной плотности тока. Необходимо отметить, что если ограниченная плотность тока, полученная на шаге S60, ниже или равна минимальной плотности тока i, то блок управления 20 определяет, что ячейка с отрицательным напряжением 11 не восстановилась из состояния отрицательного напряжения и минимальная электрическая мощность топливного элемента 10 не может быть достигнута, и тогда выполняется процесс перезапуска топливного элемента 10.
[0085] Таким образом, в случае комплекса 100 топливного элемента в соответствии с первым примером осуществления, когда в процессе восстановления из состояния отрицательного напряжения определяется, что причиной генерирования отрицательного напряжения является недостаточная подача водорода, то выработка электроэнергии продолжается, при этом посредством процесса ограничения тока предотвращается снижение отрицательного напряжения до уровня, на котором снижается эффективность. Затем в процессе ограничения тока выполняется процесс восстановления из состояния отрицательного напряжения. Таким образом, можно предотвратить снижение эффективности выработки электроэнергии топливным элементом 10 и деградацию электродов топливного элемента 10 из-за отрицательного напряжения.
[0086] Далее будет описан первый альтернативный пример осуществления по отношению к первому примеру осуществления, описанному выше. ФИГ.9 представляет собой схематическое изображение, показывающее электрическую конфигурацию комплекса 100а топливного элемента в соответствии с первым альтернативным примером осуществления по отношению к первому примеру осуществления настоящего изобретения. По существу ФИГ.9 является такой же, что и ФИГ.2, за исключением того, что добавлен блок записи суммарной величины тока 23. Необходимо отметить, что другая конфигурация комплекса 100а топливного элемента в данном примере конфигурации подобна конфигурации комплекса 100 топливного элемента в соответствии с первым примером осуществления (ФИГ.1). Блок записи суммарной величины тока 23 (ФИГ.9) комплекса 100а топливного элемента выполнен в виде энергонезависимого запоминающего устройства с возможностью стирания и перезаписи данных, например, такое как стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EPROM).
[0087] ФИГ.10 представляет собой блок-схему, показывающую процедуру процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения, осуществляемого комплексом 100а топливного элемента. По существу ФИГ.10 является такой же, что и ФИГ.5, за исключением того, что после шага S90 добавлен шаг S100. В комплексе 100а топливного элемента, когда в топливном элементе 10 обнаружено отрицательное напряжение, осуществляется процесс восстановления из состояния отрицательного напряжения, как в случае комплекса 100 топливного элемента в соответствии с первым примером осуществления. Затем в процессе восстановления из состояния отрицательного напряжения, когда определено, что причиной генерирования отрицательного напряжения является недостаточная подача водорода, осуществляется процесс ограничения тока, подобный процессу, описанному в первом примере осуществления (шаги с S50 по S90).
[0088] Когда в ходе процесс ограничения тока ячейка с отрицательным напряжением 11 восстановилась из состояния отрицательного напряжения, блок управления 20 записывает суммарную величину тока, использованную в процессе ограничения тока, в блок записи суммарной величины тока 23 (шаг S100). При этом предполагается, что ячейка с отрицательным напряжением 11 восстановлена из состояния отрицательного напряжения посредством процесса ограничения тока. В этом случае также, до тех пор, пока не проводится текущее техническое обслуживание вырабатывающего электроэнергию элемента 11, в котором генерировалось отрицательное напряжение, в указанном вырабатывающем электроэнергию элементе 11 снова генерируется отрицательное напряжение, и затем, когда начинается процесс ограничения тока, допустимым рабочим диапазоном будет допустимый рабочий диапазон в момент окончания предыдущего процесса ограничения тока.
[0089] Далее на шаге S100 блок управления 20 записывает суммарную величину тока в энергонезависимую память, чтобы подготовиться к следующему процессу ограничения тока. При этом блок управления 20 идентифицирует вырабатывающие электроэнергию элементы 11, в которых генерируется отрицательное напряжение (ячейки с отрицательным напряжением 11), в момент времени, когда возникает отрицательное напряжение, и записывает суммарную величину тока в блок записи суммарной величины тока 23 для соответствующих ячеек с отрицательным напряжением 11.
[0090] Когда процесс ограничения тока осуществляется снова, блок управления 20 загружает суммарную величину тока, соответствующую каждой ячейке с отрицательным напряжением 11 и которая записана в блоке записи суммарной величины тока 23, как начальную суммарную величину тока, а затем на шаге S20 запускает определение суммарной величины тока. То есть блок управления 20 выполняет процесс ограничения тока с использованием итоговой суммарной величины тока, получаемой путем сложения суммарной величины тока, записанной в блоке записи суммарной величины тока 23, с суммарной величиной тока для выходного тока топливного элемента 10 после возобновления процесса ограничения тока. Необходимо отметить, что когда вырабатывающий электроэнергию элемент 11, который вызывает генерирование отрицательного напряжения, проходит текущее техническое обслуживание, суммарная величина тока проходящего текущее техническое обслуживание вырабатывающего электроэнергию элемента 11, записанная в блоке записи суммарной величины тока 23, может быть установлена на нулевое значение.
[0091] Далее будет описан второй альтернативный пример по отношению к первому примеру осуществления, описанному выше. ФИГ.11 представляет собой схематическое изображение конфигурации комплекса 100b с топливным элементом в соответствии со вторым альтернативным примером осуществления по отношению к первому примеру осуществления настоящего изобретения. По существу ФИГ.11 является такой же, что ФИГ.9, за исключением того, что добавлен блок предупредительной сигнализации 25. топливного элемента. Необходимо отметить, что другая конфигурация комплекса 100b топливного элемента в данном примере конфигурации подобна конфигурации комплекса 100а топливного элемента в первом альтернативном примере осуществления (ФИГ.9).
[0092] Блок предупредительной сигнализации 25 (ФИГ.11) комплекса 100b топливного элемента по команде блока управления 20 выдает пользователю комплекса 100b топливного элемента визуальный или звуковой сигнал предупреждения о текущем техническом обслуживании топливного элемента 10. Блок предупредительной сигнализации 25 может быть выполнен, например, в виде дисплея или светоизлучающего блока, распознаваемого пользователем, или может быть выполнен в виде громкоговорителя или зуммера.
PA
[0093] ФИГ.12 представляет собой блок-схему процедуры процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения, осуществляемого комплексом 100b топливного элемента. По существу ФИГ.12 является такой же, что ФИГ.10, за исключением того, что добавлены шаги S62 и S63. В процессе восстановления из состояния отрицательного напряжения, осуществляемого комплексом 100b топливного элемента в соответствии с данным примером конфигурации, используется карта допустимого диапазона M (с ФИГ.8А по ФИГ.8С) для получения предельной плотности тока на шаге S60, и затем на шаге S62 определяется, ниже или равна предельная плотность тока заданному пороговому значению. В данном случае заданным пороговым значением может быть, например, плотность тока, требуемая для получения электрической мощности, при которой работа комплекса 100b топливного элемента может быть продолжена.
[0094] Если на шаге S62 определено, что предельная плотность тока ниже заданного порогового значения, то блок управления 20 определяет, что трудно продолжать работу комплекса 100b топливного элемента до тех пор, пока не будет проведено текущее техническое обслуживание топливного элемента 10, и затем заставляет блок предупредительной сигнализации 25 осуществить процесс оповещения (шаг S63). В частности, в процессе оповещения применимо, что работа комплекса 100b топливного элемента прекращается, и затем пользователь информируется о сообщении, которое рекомендует заменить ячейку с отрицательным напряжением 11.
[0095] Таким образом, в случае комплекса 100b топливного элемента в соответствии с данным примером конфигурации, блок предупредительной сигнализации 25 обеспечивает пользователю информацию о том, что выходная электрическая мощность топливного элемента 10 ограничена и что трудно продолжать работу комплекса 100b топливного элемента в процессе ограничения тока. Таким образом, пользователь имеет возможность узнать о том, что необходимо провести текущее техническое обслуживание топливного элемента 10. Необходимо отметить, что когда суммарная величина тока больше или равна заданному пороговому значению, в то время как осуществлен процесс ограничения тока, или когда на шаге S100 записана суммарная величина тока, применимо, чтобы блок управления 20 информировал пользователя об этом факте с помощью блока предупредительной сигнализации 25.
[0096] Далее будет описан второй пример осуществления настоящего изобретения. ФИГ.13 представляет собой блок-схему, которая показывает процедуру процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения в соответствии со вторым примером осуществления настоящего изобретения. По существу ФИГ.13 является такой же, что и ФИГ.5, за исключением того, что предусмотрены шаги S61 и S71 вместо шагов S60 и S70 и добавлен шаг S91. Необходимо отметить, что конфигурация комплекса топливного элемента в соответствии со вторым примером осуществления подобна конфигурации комплекса 100 топливного элемента, описанного в первом примере осуществления (ФИГ.1 и 2). В комплексе топливного элемента в соответствии со вторым примером осуществления на шагах с S50 по S91 получают суммарную величину тока, допустимую для топливного элемента 10, и затем на основании этой суммарной величины тока осуществляется процесс ограничения тока.
PA
1
1
1c
1
1c
[0097] ФИГ.14 представляет собой график для иллюстрации процесс ограничения тока в соответствии со вторым примером осуществления, а также график, показывающий карту допустимого диапазона M, подобную той, что описана в первом примере осуществления. На шаге S61 блок управления 20 получает предельную плотность тока i, соответствующую суммарной величине тока Qe, полученной на шаге S50. Затем определяется ограниченная плотность тока i, которая меньше на предварительно установленную величину, чем предельная плотность тока i, в виде значения команды на выходе, выдаваемой топливному элементу 10, и затем топливный элемент 10 заставляют вырабатывать электроэнергию при ограниченной плотности тока i.
PA
1
1c
2
[0098] На шаге S71 блок управления 20 снова использует карту допустимого диапазона M для получения суммарной величины тока Qe, соответствующей ограниченной плотности тока i, которая является значением команды топливному элементу 10. Блок управления 20 устанавливает величину, меньшую суммарной величины тока Qe на заданную величину, в качестве суммарной величины тока (далее также называемой "предельной суммарной величиной тока"), допустимой для топливного элемента 10. Затем блок управления 20 осуществляет на шаге S80 процесс восстановления из состояния недостаточной подачи водорода, а затем на шаге S90 определяет, восстановилась ли ячейка с отрицательным напряжением 11 из состояния отрицательного напряжения.
[0099] Если ячейка с отрицательным напряжением 11 восстановилась из состояния отрицательного напряжения, то блок управления 20 возобновляет управление нормальной работой (шаг S5). Кроме того, если ячейка с отрицательным напряжением 11 не восстановилась из состояния отрицательного напряжения, то блок управления 20 получает суммарную величину тока за период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение, от блока определения суммарной величины тока 21 и затем определяет, достигла ли суммарная величина тока предельной суммарной величины тока, полученной на шаге S71 (шаг S91). Если суммарная величина тока не достигла предельной суммарной величины тока, то блок управления 20 повторяет процессы шагов S80 и S90.
2c
1c
PA
2
2c
2
[0100] Если суммарная величина тока достигла предельной суммарной величины тока на шаге S91, то блок управления 20 возвращается на шаг S61 и затем устанавливает плотность тока i, меньшую на предварительно установленное значение, чем ограниченная плотность тока i, которая была установлена значением команды, в качестве нового значения команды топливному элементу 10. На шаге S71 используется карта допустимого диапазона M для получения суммарной величины тока Qe, соответствующего плотности тока i, и затем определяется предельная суммарная величина тока на основании суммарной величины тока Qe.
PA
[0101] Таким образом, в процессе ограничения тока в соответствии со вторым примером осуществления блок управления 20 использует карту допустимого диапазона M для получения предельной суммарной величины тока, соответствующей плотности тока, установленной в качестве значения команды топливному элементу 10. Затем до тех пор, пока суммарная величина тока не будет близкой к предельной суммарной величине тока, топливный элемент 10 заставляют продолжать выработку электроэнергии при плотности тока, установленной в качестве значения команды. Если суммарная величина тока близка к предельной суммарной величине тока, блок управления 20 уменьшает плотность тока, являющуюся значением команды, и снова получает суммарную величину тока, соответствующую уменьшенному значению команды, тем самым заставляя топливный элемент продолжать выработку электроэнергии. Таким образом, как показано стрелкой на графике ФИГ.14, плотность тока топливного элемента 10 постепенно уменьшается по кривой, показанной на графике, при увеличении суммарной величины тока.
PA
[0102] В случае комплекса топливного элемента в соответствии со вторым примером осуществления, так же как и в случае комплекса 100 топливного элемента в соответствии с первым примером осуществления, имеется возможность предотвратить снижение эффективности выработки электроэнергии топливным элементом 10 и деградацию электродов топливного элемента 10 из-за отрицательного напряжения. Необходимо отметить, что также применимо, что блок управления 20 вычисляет доступную продолжительность выработки электроэнергии при плотности тока, которая является значением команды, на основании предельной суммарной величины тока, полученной из карты допустимого диапазона M, и затем регулирует момент времени, в который плотность тока, т.е. значение команды, уменьшается на основании продолжительности выработки электроэнергии.
[0103] Далее будет описан третий пример осуществления. ФИГ.15 представляет собой схематическое изображение, показывающее электрическую конфигурацию комплекса 100В топливного элемента в соответствии с третьим примером осуществления настоящего изобретения. По существу ФИГ.15 является такой же, что и ФИГ.2, за исключением того, что в линию питания постоянного тока DCL добавлен двухпозиционный переключатель 84, а в блок управления 20 добавлен блок изменения допустимого диапазона 22. Необходимо отметить, что другая конфигурация комплекса 100В топливного элемента подобна конфигурации, описанной в первом примере осуществления (ФИГ.1). Однако в комплексе 100В топливного элемента в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения топливный элемент 10 эксплуатируется при постоянной рабочей температуре.
[0104] Двухпозиционный переключатель 84 расположен между преобразователем постоянного тока 82 и топливным элементом 10. Двухпозиционный переключатель 84 размыкается или замыкается по команде блока управления 20. Когда двухпозиционный переключатель 84 замкнут, топливный элемент 10 электрически соединен с внешней нагрузкой 200, тогда как если двухпозиционный переключатель 84 разомкнут, то топливный элемент 10 электрически изолирован от внешней нагрузки 200. Необходимо отметить, что когда топливный элемент 10 изолирован от внешней нагрузки 200, аккумуляторная батарея 81 имеет возможность выдавать электрическую мощность, подаваемую на внешнюю нагрузку 200.
[0105] В комплексе 100В топливного элемента в соответствии с третьим примером осуществления блок управления 20 также работает в качестве блока изменения допустимого диапазона 22. Блок изменения допустимого диапазона 22 выполняет процесс изменения допустимого рабочего диапазона топливного элемента 10 в процессе ограничения тока процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения. Конкретные детали указанного процесса будут описаны позже.
[0106] ФИГ.16 представляет собой блок-схему, показывающую процедуру процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения в соответствии с третьим примером осуществления. По существу ФИГ.16 является такой же, что ФИГ.5, за исключением того, что добавлен шаг S65. В комплексе 100В топливного элемента в соответствии с третьим примером осуществления, как и в случае комплекса 100 топливного элемента в соответствии с первым примером осуществления, осуществляется процесс восстановления из состояния отрицательного напряжения. Затем в процессе восстановления из состояния отрицательного напряжения, когда определено, что отрицательное напряжение генерируется из-за недостаточной подачи водорода, осуществляются процесс ограничения тока и процесс восстановления из состояния недостаточной подачи водорода.
[0107] В данном случае в процессе ограничения тока, когда ток, допустимый для топливного элемента 10, значительно меньше запрограммированного тока топливного элемента 10, необходимого для подачи электрической мощности, требуемой внешней нагрузкой 200, имеется вероятность, что недостаточный ток может не быть скомпенсированным даже с помощью аккумуляторной батареи 81. Тогда в комплексе 100В топливного элемента в соответствии с третьим примером осуществления, когда разность между предельной плотностью тока, полученной на шаге S60, и плотностью тока, необходимой для выдачи топливным элементом 10 запрограммированного тока, больше заданной величины, блок изменения допустимого диапазона 22 заставляет осуществлять процесс изменения допустимого диапазона (шаг S65).
[0108] ФИГ.17 представляет собой график, иллюстрирующий изменение допустимого рабочего диапазона в результате изменения влажности внутри топливного элемента 10. График, показанный на чертеже ФИГ.17, был получен путем проведения эксперимента, подобного эксперименту, проведенному для получения графика на ФИГ.7, в состоянии, когда влажность внутри топливного элемента 10 была уменьшена. Необходимо отметить, что на ФИГ.17, как и в случае графика на ФИГ.7, допустимый рабочий диапазон ниже кривой, показанной на графике, заштрихован. Кроме того, на графике ФИГ.17 для удобства показаны штриховая линия, указывающая кривую, показанную на графике ФИГ.7, и стрелка, указывающая изменение по отношению к кривой в виде штриховой линии.
[0109] Авторы настоящего изобретения обнаружили, что путем уменьшения влажности внутри топливного элемента 10 кривая, показывающая корреляцию между суммарной величиной тока и плотностью тока в допустимый период выработки электроэнергии, смещается вверх, а допустимый рабочий диапазон расширяется. Причина, по которой допустимый рабочий диапазон расширяется, является следующей.
[0110] Известно, что в период, допустимый для выработки электроэнергии, реакция, выраженная вышеописанным уравнением реакции (1), а также реакция, выраженная приведенным ниже уравнением реакции (3), происходят на аноде ячейки с отрицательным напряжением 11, за счет чего они дезактивируют катализатор.
Поскольку влажность внутри топливного элемента 10 уменьшается, количество воды на аноде (влагосодержание мембранного электродного узла) уменьшается, поэтому вышеупомянутые реакции происходят спокойно и дезактивация катализатора предотвращается. Поэтому допустимый рабочий диапазон расширяется на такую величину, что развитие дезактивации катализатора может быть задержано.
[0111] То есть путем уменьшения влажности внутри топливного элемента 10 допустимый рабочий диапазон топливного элемента 10 в процессе ограничения тока может быть расширен, поэтому можно увеличить плотность тока, допустимую для топливного элемента 10. Затем в комплексе 100В топливного элемента в соответствии с третьим примером осуществления в процессе изменения допустимого диапазона, описанном ниже, влажность внутри топливного элемента 10 уменьшается для расширения допустимого рабочего диапазона.
[0112] ФИГ.18 представляет собой блок-схему, показывающую процедуру процесса изменения допустимого рабочего диапазона, осуществляемого блоком изменения допустимого диапазона 22. На шаге S110 блок изменения допустимого диапазона 22 размыкает двухпозиционный переключатель 84, чтобы электрически изолировать топливный элемент 10 от внешней нагрузки 200. После этого на внешнюю нагрузку 200 с аккумуляторной батареи 81 подается электрическая мощность. Блок изменения допустимого диапазона 22 заставляет топливный элемент 10 сразу прекратить выработку электроэнергии, чтобы тем самым обеспечить возможность легко отрегулировать влажность внутри топливного элемента 10. На шаге S120 получают запрограммированную влажность внутри топливного элемента 10 для расширения допустимого рабочего диапазона.
HD
HD
HD
[0113] ФИГ.19 представляет собой график, показывающий пример карты определения влажности M, используемой блоком изменения допустимого диапазона 22 для определения на шаге S120 запрограммированной влажности внутри топливного элемента 10. Карта определения влажности M показана в виде нисходящей кривой, обращенной выпуклостью вниз, при этом по оси ординат указана суммарная величина тока, а по оси абсцисс - влажность. Карту определения влажности M получают следующим образом: эксперимент, подобный тому, что описан в отношении ФИГ.7, проводится для каждого значения влажности внутри топливного элемента 10 для получения результатов определения, и затем определенные значения используются для построения графика, отражающего сочетание суммарной величины тока и влажности для каждого значения плотности тока топливного элемента 10.
HD
PA
a
PA
a
t
[0114] ФИГ.20А и ФИГ.20В представляют собой графики для иллюстрации процесса определения на шаге S120 запрограммированной влажности внутри топливного элемента 10 с использованием карты определения влажности M. ФИГ.20А представляет собой график, показывающий карту допустимого диапазона M, используемую на шаге S60 (см. ФИГ.16). Здесь предполагается, что на шаге S60 была определена суммарная величина тока Qe, по карте допустимого диапазона M была определена предельная плотность тока i, а для внешней нагрузки 200 требуется плотность тока i вне пределов допустимого рабочего диапазона топливного элемента 10. В это время блок изменения допустимого диапазона 22 определяет запрограммированную влажность внутри топливного элемента 10 следующим образом.
1
a
HD
HD
HD
t
[0115] Блок изменения допустимого диапазона 22 определяет суммарную величину тока Qe, которая больше на предварительно установленную заданную величину, чем текущая определенная суммарная величина тока Qe, в качестве граничного значения расширенного допустимого рабочего диапазона. Затем из карт определения влажности M, подготовленных для соответствующих плотностей тока, выбирается карта определения влажности M, соответствующая требуемой плотности тока, и затем выбранная карта определения влажности M используется для получения влажности h, соответствующей суммарной величине тока Qe, в качестве запрограммированной влажности (ФИГ.20В).
[0116] На шаге S130 (ФИГ.18) блок изменения допустимого диапазона 22 осуществляет управление так, что влажность внутри топливного элемента 10 совпадает с запрограммированной влажностью, полученной на шаге S120. В частности, блок изменения допустимого диапазона 22 увеличивает частоту вращения воздушного компрессора 32 блока подачи катодного газа 30 (ФИГ.1), чтобы увеличить количество воздуха, подаваемого в топливный элемент 10 и уменьшить влажность воздуха, подаваемого увлажнительным блоком 35. За счет этого внутренний объем топливного элемента 10 может продуваться подаваемым воздухом, влажность которого уменьшена, и влажность внутри топливного элемента 10 может быть уменьшена. Необходимо отметить, что на основании величины, измеренной блоком измерения импеданса 93, блок изменения допустимого диапазона 22 определяет, достигла ли влажность внутри топливного элемента 10 запрограммированной влажности.
PA
PA
PA
[0117] ФИГ.20С представляет собой график для иллюстрации процесса изменения карты допустимого диапазона M на шаге S140. ФИГ.20С представляет собой график, показывающий измененную карту допустимого диапазона M. Необходимо отметить, что на ФИГ. 20С кривая, изображающая предварительно измененную карту допустимого диапазона M, показана штриховой линией, а допустимый рабочий диапазон заштрихован.
PA
PA
PA
PA
PA
PA
t
[0118] В данном случае в комплексе 100В топливного элемента в соответствии с третьим примером осуществления карта допустимого диапазона M для каждого значения влажности внутри топливного элемента 10 составляется заранее и запоминается в блоке управления 20. Блок изменения допустимого диапазона 22 выбирает карту допустимого диапазона M, соответствующую запрограммированной влажности, полученной на шаге S120, из карт допустимого диапазона M для соответствующих значений влажности в качестве новой карты допустимого диапазона M. В процессе ограничения тока после того, как влажность внутри топливного элемента 10 уменьшилась, используется выбранная новая карта допустимого диапазона M. Необходимо отметить, что выбранная новая карта допустимого диапазона M имеет расширенный допустимый рабочий диапазон, поэтому плотность тока i, требуемая внешней нагрузкой 200, включена в допустимый рабочий диапазон.
PA
[0119] На шаге S150 (ФИГ.18) блок изменения допустимого диапазона 22 запускает топливный элемент 10 и замыкает двухпозиционный переключатель 84 (то есть включает двухпозиционный переключатель 84), чтобы электрически соединить топливный элемент 10 с внешней нагрузкой 200. На шаге S160, когда топливный элемент 10 остановлен, определяется, восстановилась ли ячейка с отрицательным напряжением 11 из состояния отрицательного напряжения. Если ячейка с отрицательным напряжением 11 восстановилась из состояния отрицательного напряжения, возобновляется управление нормальной работой (шаг S5 на ФИГ.16) топливного элемента 10. С другой стороны, если ячейка с отрицательным напряжением 11 не восстановилась из состояния отрицательного напряжения, процесс возвращается к шагу S50 и затем запускает процесс ограничения тока с использованием выбранной и измененной новой карты допустимого диапазона M.
[0120] Таким образом, комплекс 100В топливного элемента в соответствии с третьим примером осуществления способен расширить допустимый рабочий диапазон топливного элемента 10 в процессе ограничения тока путем регулирования влажности внутри топливного элемента 10. Таким образом, в комплексе 100В топливного элемента в соответствии с третьим примером осуществления имеется возможность дополнительно повысить надежность подачи электроэнергии по запросу внешней нагрузки 200 при одновременном предотвращении снижения эффективности и деградации топливного элемента из-за отрицательного напряжения.
[0121] Далее будет описан четвертый пример осуществления. ФИГ.21А и ФИГ.21В представляют собой графики для иллюстрации процесса изменения допустимого диапазона в комплексе топливного элемента в соответствии с четвертым примером осуществления настоящего изобретения. Необходимо отметить, что конфигурация комплекса топливного элемента в соответствии с четвертым примером осуществления подобна конфигурации комплекса топливного элемента в соответствии с третьим примером осуществления. Однако в комплексе топливного элемента в соответствии с четвертым примером осуществления топливный элемент 10 эксплуатируется в состоянии, в котором влажность внутри топливного элемента 10 поддерживается постоянной.
[0122] ФИГ.21А представляет собой график, показывающий изменение корреляции между суммарной величиной тока и плотностью тока в допустимый период выработки электроэнергии, когда температура топливного элемента изменяется, как в случае на ФИГ.17. Сплошная линия на ФИГ.21А была получена в эксперименте, подобном эксперименту, проведенному с целью получения графика ФИГ.7, в состоянии, когда температура топливного элемента 10 снижается.
[0123] Кривая, показывающая корреляцию между суммарной величиной тока и плотностью тока, при уменьшении температуры топливного элемента 10 сдвигается вверх. Это связано с тем, что развитие реакции, выраженной уравнением реакции (3), описанным в третьем примере осуществления настоящего изобретения, становится спокойным из-за снижения температуры топливного элемента 10. Таким образом, путем снижения рабочей температуры топливного элемента 10, как в случае, описанном в третьем примере осуществления, имеется возможность расширить допустимый рабочий диапазон топливного элемента 10 в процессе ограничения тока.
PA
TD
TD
[0124] В данном случае проводится эксперимент, подобный тому, что описан в отношении ФИГ.7, при другой рабочей температуре топливного элемента 10, а корреляцию между суммарной величиной тока и плотностью тока предварительно получают для каждой рабочей температуры топливного элемента 10, чтобы тем самым иметь возможность получить карту допустимого диапазона M для каждой рабочей температуры топливного элемента 10. Кроме того, можно получить карту определения рабочей температуры M для каждой плотности тока, на которой показана корреляция между суммарной величиной тока и рабочей температурой топливного элемента 10 на основании экспериментальных данных. На ФИГ.21В пример карты определения рабочей температуры M при плотности тока показан на графике, где по оси ординат указана суммарная величина тока, а по оси абсцисс - рабочая температура топливного элемента 10.
PA
TD
PA
TD
[0125] В комплексе топливного элемента в соответствии с четвертым примером осуществления карта допустимого диапазона M для каждой рабочей температуры топливного элемента 10 и карта определения рабочей температуры M для каждой плотности тока сохраняются заранее в блоке управления 20. Затем осуществляется процесс изменения допустимого диапазона, описанный в третьем примере осуществления, с использованием этих карт M и M путем регулирования рабочей температуры топливного элемента 10 вместо регулирования влажности внутри топливного элемента 10. Необходимо отметить, что рабочая температура топливного элемента 10 может регулироваться таким образом, что частота вращения циркуляционного насоса для хладагента 73 блока подачи хладагента 70 регулируется для изменения эффективности охлаждения хладагента.
[0126] Таким образом, в комплексе топливного элемента в соответствии с четвертым примером осуществления, как и в случае комплекса топливного элемента в соответствии с третьим примером осуществления, имеется возможность дополнительно повысить надежность подачи электроэнергии, соответствующей запросу внешней нагрузки 200 при одновременном предотвращении снижения эффективности и деградации топливного элемента 10 из-за отрицательного напряжения.
[0127] Далее будет описан пятый пример осуществления. ФИГ.22 представляет собой блок-схему, показывающую процедуру процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения, осуществляемого в комплексе топливного элемента в соответствии с пятым примером осуществления настоящего изобретения. По существу ФИГ.22 является такой же, что и ФИГ.12, за исключением того, что добавлен процесс регулирования хладагента на шаге S68. Необходимо отметить, что конфигурация комплекса топливного элемента в соответствии с пятым примером осуществления подобна конфигурации комплекса 100b топливного элемента в соответствии со вторым альтернативным примером осуществления по отношению к первому примеру осуществления (ФИГ.1, ФИГ.11). Необходимо отметить, что в комплексе топливного элемента в соответствии с пятым примером осуществления, когда температура наружного воздуха или температура топливного элемента 10 ниже нуля или когда комплекс запускается, хладагент подается из блока подачи хладагента 70 в топливный элемент 10 при минимальном постоянном расходе, при котором деградация топливного элемента 10 сдерживается.
[0128] В данном случае для восстановления из состояния, в котором генерируется отрицательное напряжение из-за замораживания проточных каналов химически активных газов в топливном элементе 10, желательно поднять рабочую температуру топливного элемента 10 выше нуля, чтобы устранить состояние замерзания. Однако когда осуществляется процесс ограничения тока, генерирование тепла топливным элементом 10 сдерживается из-за того, что выходной ток топливного элемента 10 ограничен (закон Джоуля). Поэтому в данном случае трудно повысить рабочую температуру топливного элемента 10. При этом в комплексе топливного элемента в соответствии с пятым примером осуществления, если процесс ограничения тока осуществляется при низкой температуре окружающей среды, например, ниже нуля, чтобы облегчить повышение рабочей температуры топливного элемента 10, на шаге S68 осуществляется процесс регулирования хладагента.
[0129] ФИГ.23 представляет собой блок-схему, показывающую процедуру процесса регулирования хладагента на шаге S68. Процесс регулирования хладагента может осуществляться каждый раз, когда осуществляется процесс ограничения тока в момент запуска комплекса топливного элемента. Кроме того, процесс регулирования хладагента может осуществляться, когда рабочая температура топливного элемента 10, полученная на основании значений, измеренных блоками измерения температуры хладагента 74 и 75, ниже нуля, или когда температура наружного воздуха ниже нуля
[0130] На шаге S200 блок управления 20 получает оценочную величину нагрева (далее называемую "оценочной величиной нагрева Qe"), когда топливный элемент 10 заставляют генерировать электроэнергию в течение заданной продолжительности генерирования электроэнергии t (например, приблизительно от 10 до 30 секунд) при ограниченной плотности тока, полученной по предельной плотности тока. В частности, блок управления 20 может рассчитать оценочную величину нагрева Qe с использованием математического уравнения (4), основанного на законе Джоуля.
Здесь I - ограниченная плотность тока, a R - константа, которая устанавливается предварительно на основании внутреннего сопротивления топливного элемента 10. Необходимо отметить, что блок управления 20 может получить оценочную величину нагрева, соответствующую ограниченной плотности тока, на основании карты или таблицы, полученной путем эксперимента или т.п. заранее, вместо использования вышеприведенного математического уравнения (4).
[0131] На шаге S210 блок управления 20 получает предполагаемую теплоемкость Сс топливного элемента 10, когда хладагент циркулирует в топливном элементе 10 с помощью блока подачи хладагента 70. Здесь под "предполагаемой теплоемкостью Сс топливного элемента 10" понимается величина, соответствующая количеству тепла, благодаря которому температура топливного элемента 10 повышается на 1°С.
[0132] При этом, когда хладагент циркулирует в топливном элементе 10, количество тепла, необходимое для повышения температуры топливного элемента 10, изменяется в зависимости от температуры топливного элемента 10 или температуры и расхода хладагента. Как описано выше, в комплексе топливного элемента в соответствии с пятым примером осуществления хладагент подается в топливный элемент 10 с предварительно установленным минимальным постоянным расходом. Затем в комплексе топливного элемента в соответствии с пятым примером осуществления блок управления 20 предварительно запоминает карту или таблицу, по которой можно однозначно определить предполагаемую теплоемкость Сс, соответствующую температуре хладагента и температуре топливного элемента 10, и использует карту или таблицу для получения предполагаемой теплоемкости Сс.
[0133] На шаге S220 блок управления 20 использует оценочную величину нагрева Qe, полученную на шаге S200, и предполагаемую теплоемкость Сс топливного элемента 10, полученную на шаге S210, чтобы вычислить оценочную температуру Те, которая является прогнозируемой температурой топливного элемента 10 после заданной продолжительности t выработки электроэнергии. В частности, оценочная температура Те может рассчитываться с использованием следующего математического выражения (5).
Здесь Tm - текущая измеренная рабочая температура топливного элемента 10.
[0134] На шаге S230 блок управления 20 определяет, является ли оценочная температура Те, рассчитанная на шаге S220, более низкой, чем заданное пороговое значение, или равна ему. Здесь заданное пороговое значение может быть установлено при температуре (например, 0°С), при которой замороженное состояние в проточных каналах топливного элемента 10, предназначенных для химически активных газов, начинает ликвидироваться.
[0135] Когда оценочная температура Те выше заданного порогового значения, блок управления 20 выполняет процессы на шаге S70 и последующие шаги процесса ограничения тока (ФИГ.22), в то время как подача хладагента в топливный элемент 10 продолжается при допущении, что рабочая температура топливного элемента 10 достигает запрограммированной величины через заданную продолжительность выработки электроэнергии t. С другой стороны, если оценочная температура Те ниже заданного порогового значения или равна ему, то блок управления 20 останавливает подачу и циркуляцию хладагента в отношении топливного элемента 10, чтобы облегчить повышение температуры топливного элемента 10 через заданную продолжительность t выработки электроэнергии (шаг S240).
[0136] Здесь в комплексе топливного элемента в соответствии с пятым примером осуществления, как описано выше, хладагент подается в топливный элемент 10, даже когда температура топливного элемента 10 является низкой, например, в момент запуска комплекса. Это происходит по следующей причине. Во время запуска комплекса или т.п., высока вероятность, что из-за блокировки газовых проточных каналов внутри топливного элемента 10 количество вырабатываемой электроэнергии будет распределяться неравномерно по вырабатывающим электроэнергию элементам 11 топливного элемента 10 или вырабатывающим электроэнергию участкам каждого вырабатывающего электроэнергию элемента 11.
[0137] Если подача хладагента в топливный элемент 10 прекращается, когда распределение выработки электроэнергии внутри топливного элемента 10 не является равномерным, то вырабатывающий электроэнергию элемент 11 или участок, который вырабатывает относительно большое количество электроэнергии, может деградировать на локальном уровне из-за выделения тепла вследствие выработки электроэнергии. Чтобы избежать локальной деградации топливного элемента 10 из-за неодинакового количества тепла, даже когда температура топливного элемента 10 является низкой, желательно подавать хладагент в топливный элемент 10.
[0138] Однако, когда осуществляется процесс ограничения тока, величина нагрева топливного элемента 10 ограничивается, поэтому она относительно мала на участке, на котором количество вырабатываемой электроэнергии локально увеличивается в топливном элементе 10. Таким образом, как и в случае шага S240, даже когда подача хладагента в топливный элемент 10 прекращается в процессе ограничения тока, меньше вероятность того, что деградация топливного элемента 10 происходит из-за неодинакового тепла, как описано выше. Поэтому путем прекращения подачи хладагента можно способствовать повышению температуры топливного элемента 10 без деградации топливного элемента 10.
[0139] После прекращения подачи хладагента в топливный элемент 10 на шаге S240 блок управления 20 выполняет процессы шага S70 и последующих шагов процесса ограничения тока (ФИГ.22). Необходимо отметить, что когда ячейка с отрицательным напряжением 11 восстановилась из состояния отрицательного напряжения и возобновилась нормальная работа топливного элемента 10, блок управления 20 возобновляет подачу хладагента в топливный элемент 10.
[0140] Таким образом, в случае комплекса топливного элемента в соответствии с пятым примером осуществления, даже когда в топливном элементе 10 возникает отрицательное напряжение и выполняется процесс ограничения тока, подача хладагента топливного элемента 10 соответствующим образом регулируется, чтобы способствовать повышению рабочей температуры топливного элемента 10. Таким образом, восстановление из состояния отрицательного напряжения облегчается при повышении температуры топливного элемента 10.
[0141] Далее будет описан шестой пример осуществления. ФИГ.24 представляет собой блок-схему, показывающую процедуру процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения, выполняемого в комплексе топливного элемента в соответствии с шестым примером осуществления настоящего изобретения. По существу ФИГ.24 является такой же, что ФИГ.22, за исключением того, что вместо шага S68 предусмотрен шаг S68F. Необходимо отметить, что конфигурация комплекса топливного элемента в соответствии с шестым примером осуществления подобна конфигурации комплекса топливного элемента, описанной в пятом примере осуществления (ФИГ.1, ФИГ.11). Необходимо отметить, что в комплексе топливного элемента в соответствии с шестым примером осуществления блок управления 20 периодически (например, с интервалом в одну секунду) измеряет и сохраняет в памяти рабочую температуру топливного элемента 10.
[0142] В комплексе топливного элемента в соответствии с шестым примером осуществления, когда выполняется процесс ограничения тока, в то время как комплекс запускается или температура топливного элемента 10 является низкой (например, равна или ниже 0°С), после шага S62 выполняется первый или второй процесс регулирования хладагента (шаг S68F). В частности, на шаге S68F после начала процесса ограничения тока выполняется первый процесс регулирования хладагента. Затем в ходе шагов процесса ограничения тока, когда удовлетворяется заданное условие, во время повторного выполнения шага S68F выполняется второй процесс регулирования хладагента.
[0143] ФИГ.25А представляет собой блок-схему, показывающую процедуру первого процесса регулирования хладагента. По существу ФИГ.25А является такой же, что и ФИГ.23. То есть первый процесс регулирования хладагента выполняется тем же образом, что и процесс регулирования хладагента, описанный в пятом примере осуществления. В первом процессе регулирования хладагента, если на шаге S230 определено, что для данной рабочей температуры топливного элемента 10 с помощью процесса ограничения тока трудно достичь запрограммированной рабочей температуры, то подача хладагента в топливный элемент 10 прекращается (шаг S240).
[0144] ФИГ.25В представляет собой блок-схему, показывающую процедуру второго процесса регулирования хладагента. Второй процесс регулирования хладагента выполняется, когда подача хладагента в топливный элемент 10 не прекращается в первом процессе регулирования хладагента. На шаге S250 блок управления 20 на основании записанной рабочей температуры топливного элемента 10 вычисляет скорость повышения (dT/dt) рабочей температуры Т, которая представляет собой скорость изменения во времени рабочей температуры Т топливного элемента 10.
[0145] На шаге S260 блок управления 20 на основании вычисленной скорости повышения рабочей температуры Т вычисляет оценочное время te до того момента, когда рабочая температура Т топливного элемента 10 достигает запрограммированной рабочей температуры (например, 0°С). На шаге S270 блок управления 20 выполняет процесс определения с использованием оценочного времени te. Если оценочное время te больше, чем заданное пороговое значение (например, 30 секунд), то блок управления 20 определяет, что рабочая температура топливного элемента 10 не достигает запрограммированной рабочей температуры в течение заданного периода времени в состоянии, когда продолжается подача хладагента, и затем останавливает подачу хладагента к топливному элементу 10 (шаг S280).
[0146] С другой стороны, если оценочное время te короче заданного порогового значения или равно ему, то блок управления 20 определяет, что рабочая температура топливного элемента 10 может достичь запрограммированной рабочей температуры в пределах заданного периода времени, даже когда подача хладагента в топливный элемент 10 продолжается. Затем блок управления 20 непрерывно выполняет процесс ограничения тока (ФИГ.22), в то время как подача хладагента в топливный элемент 10 продолжается.
[0147] Здесь в первом процессе регулирования хладагента, даже если определено, что рабочая температура топливного элемента 10 достигает запрограммированной температуры в пределах заданной продолжительности выработки электроэнергии, даже когда подача хладагента продолжается, рабочая температура может не превысить прогнозируемую, т.к. выходная электрическая мощность топливного элемента 10 ограничена. Однако в случае комплекса топливного элемента в соответствии с шестым примером осуществления во втором процессе регулирования хладагента, на основании скорости изменения по времени реально измеренной рабочей температуры топливного элемента 10 снова определяют, продолжается ли подача хладагента в топливный элемент 10. Таким образом, если процесс ограничения тока выполняется при запуске комплекса или температура топливного элемента 10 является низкой, то дополнительно соответствующим образом выполняется регулирование подачей охлаждающей среды так, чтобы способствовать повышению температуры топливного элемента 10 и восстановлению из состояния отрицательного напряжения.
[0148] ФИГ.26А и 26В представляют собой графики, показывающие результаты экспериментов, проведенных авторами изобретения, в качестве базисных примеров настоящего изобретения. ФИГ.26А и 26В представляют собой графики, показывающие зависимость температуры ячейки с отрицательным напряжением (температуры ячейки) от времени и зависимость плотности тока топливного элемента от времени, когда один из отдельных ячеек топливного элемента вынужден генерировать отрицательное напряжение при низкой температуре окружающей среды (ниже нуля). На ФИГ.26А показан случай, когда выходная электрическая мощность топливного элемента ограничена при по существу постоянной низкой плотности тока. На чертеже ФИГ.26В представлен случай, когда плотность тока постепенно возрастает. Необходимо отметить, что масштаб по оси ординат и оси абсцисс на ФИГ.26А и 26В одинаков.
[0149] Здесь отрицательное напряжение в части отдельных ячеек топливного элемента может возникнуть из-за того, что вода, остающаяся в проточных каналах для химически активных газов, предусмотренных в части отдельных ячеек, при низкой температуре окружающей среды замерзает, а затем газовые проточные каналы блокируются. В этом случае желательно повысить температуру топливного элемента, чтобы разморозить воду в газовых проточных каналах и тем самым исключить недостаточную подачу газа, обеспечив таким образом восстановление из состояния отрицательного напряжения.
[0150] Как показано на чертежах ФИГ.26А и 26В, увеличение температуры ячейки происходит медленнее, когда топливный элемент вынужден производить электроэнергию при постоянной низкой плотности тока, чем когда топливный элемент вынужден производить электроэнергию при плотности тока выше, чем постоянная низкая плотность тока, Следовательно, когда генерируется отрицательное напряжение, желательно, чтобы топливный элемент производил электроэнергию при плотности тока как можно выше, чтобы тем самым за короткий период времени увеличить рабочую температуру топливного элемента.
PA
[0151] Когда в процессе ограничения тока, описанном в вышеприведенных примерах осуществления, генерируется отрицательное напряжение, при увеличении суммарной величины тока плотность тока постепенно уменьшается по кривой, обращенной выпуклостью вниз, что показано на карте допустимого диапазона M. В этом случае топливный элемент 10 может эксплуатироваться при значении вблизи предельно допустимой плотности тока в допустимом рабочем диапазоне, так что при низкой температуре окружающей среды за дополнительный короткий период времени возможно повысить температуру топливного элемента 10, поэтому легко обеспечить восстановление из состояния отрицательного напряжения. То есть, когда генерируется отрицательное напряжение, более предпочтителен процесс ограничения тока в соответствии с вышеуказанными примерами осуществления, чем ограничение тока до его постоянной низкой плотности.
[0152] Необходимо отметить, что данный аспект изобретения не ограничен лишь приведенными выше примерами или примерами осуществления, указанный аспект изобретения может быть воплощен в различных формах без отступления от объема настоящего изобретения. Например, возможны следующие с первого по тринадцатый альтернативные примеры осуществления.
PA
[0153] Сначала будет описан первый альтернативный пример осуществления. В вышеописанных примерах осуществления блок управления 20 сохраняет в качестве карты допустимого диапазона M корреляцию между суммарными величинами тока, допустимыми для топливного элемента 10, и плотностями тока, допустимыми для топливного элемента 10, в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение. Однако корреляцию не обязательно сохранять в памяти в качестве карты, вместо этого корреляция может быть сохранена, например, в качестве арифметического выражения или функции.
PA
PA
PA
PA
[0154] Далее будет описан второй альтернативный пример осуществления. В вышеописанных примерах осуществления корреляция между суммарными величинами тока, допустимыми для топливного элемента 10, и плотностями тока, допустимыми для топливного элемента 10, в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение, устанавливается в карте допустимого диапазона M, определяемой нисходящей кривой, обращенной выпуклостью вниз. Однако корреляция может быть установлена в карте допустимого диапазона M, определяемой кривой, имеющей другую форму. Например, корреляция может быть задана в карте допустимого диапазона M, определяемой в виде линейной зависимости, нисходящей линейно. Однако нисходящая кривая, обращенная выпуклостью вниз, которая определяет карту допустимого диапазона M в вышеописанных примерах осуществления, основана на эксперименте, проведенном авторами настоящего изобретения, и более предпочтительна в качестве графика, определяющего допустимый рабочий диапазон в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение.
PA
PA
[0155] Далее будет описан третий альтернативный пример осуществления. В соответствии с вышеописанными примерами осуществления изобретения в процессе ограничения тока, происходящем в процессе восстановления из состояния отрицательного напряжения, при увеличении суммарной величины тока плотность тока топливного элемента 10 постепенно уменьшается по кривой, обращенной выпуклостью вниз, которая определяет карту допустимого диапазона M. Однако в процессе ограничения тока плотность тока топливного элемента 10 может не уменьшаться постепенно по кривой, обращенной выпуклостью вниз. Плотность тока топливного элемента 10 всего лишь должна регулироваться таким образом, чтобы она попадала в пределы допустимого рабочего диапазона, как он определяется в карте допустимого диапазона M. Однако, как в случае вышеописанных примеров осуществления, предпочтительнее, чтобы плотность тока топливного элемента 10 уменьшалась постепенно по кривой, обращенной выпуклостью вниз, так как в процессе ограничения тока можно осуществлять регулирование при плотности тока, более близкой к допустимой предельной плотности тока.
[0156] Далее будет описан четвертый альтернативный пример осуществления. В вышеописанных примерах осуществления блок измерения напряжения 91 ячейки измеряет напряжение всех вырабатывающих электроэнергию элементов 11 топливного элемента 10, чтобы таким образом обнаружить отрицательное напряжение. Однако блоку измерения напряжения 91 ячейки нет необходимости измерять напряжение всех вырабатывающих электроэнергию элементов 11. Блоку измерения напряжения 91 ячейки необходимо лишь измерить напряжение по меньшей мере одного из вырабатывающих электроэнергию элементов 11, чтобы за счет этого обнаружить отрицательное напряжение. Например, известно, что с высокой вероятностью отрицательное напряжение возникает в вырабатывающем электроэнергию элементе 11, расположенном в оконечной части топливного элемента 10, где рабочая температура обычно является самой низкой среди вырабатывающих электроэнергию элементов 11. Тогда для обнаружения отрицательного напряжения блок измерения напряжения 91 ячейки может измерять напряжение только вырабатывающего электроэнергию элемента 11, расположенного в оконечной части.
lim
lim
lim
[0157] Далее будет описан пятый альтернативный пример осуществления. В первом примере осуществления минимальная плотность тока i устанавливается как минимальная предельная плотность тока 10 в процессе ограничения тока, и блок управления 20 выполняет процесс перезапуска топливного элемента 10, используя минимальную плотность тока i в качестве порогового значения. Однако минимальная плотность тока i может быть не установлена в блоке управления 20.
PA
[0158] Далее будет описан шестой альтернативный пример осуществления. В третьем или четвертом примере осуществления, чтобы выполнить процесс расширения допустимого рабочего диапазона, регулируют влажность внутри топливного элемента 10 или рабочую температуру топливного элемента 10. Однако для расширения допустимого рабочего диапазона применимо регулирование как влажности внутри топливного элемента 10, так и рабочей температуры топливного элемента 10. В этом случае желательно, чтобы карта допустимого диапазона M составлялась для каждого сочетания влажности внутри топливного элемента 10 и рабочей температуры топливного элемента 10.
PA
PA
[0159] Далее будет описан седьмой альтернативный пример осуществления. В третьем или четвертом примере осуществления блок изменения допустимого диапазона 22, чтобы расширить допустимый рабочий диапазон, выбирает карту допустимого диапазона, соответствующую влажности внутри топливного элемента 10 или рабочей температуре топливного элемента 10 из карт допустимого диапазона M, составленных предварительно для каждого значения влажности внутри топливного элемента 10 или каждого значения рабочей температуры топливного элемента 10. Однако блок изменения допустимого диапазона 22 может использовать предварительно установленное арифметическое выражение, алгоритм или т.п., чтобы скорректировать корреляцию, установленную в карте допустимого диапазона M, в ответ на влажность внутри топливного элемента 10 или рабочую температуру топливного элемента 10, чтобы тем самым расширить допустимый рабочий диапазон.
PA
PA
[0160] Далее будет описан восьмой альтернативный пример осуществления. В вышеописанных примерах осуществления корреляция между плотностями тока топливного элемента 10 и суммарными величинами тока топливного элемента 10 установлена в карте допустимого диапазона M. Однако в карте допустимого диапазона M может быть установлена корреляция между величинами тока вместо плотностей тока топливного элемента 10 и суммарными величинами тока топливного элемента 10. Величину тока топливного элемента 10 получают путем умножения плотности тока на площадь электрода, поэтому корреляция между величинами тока топливного элемента 10 и суммарными величинами тока топливного элемента 10 может также рассматриваться как один тип корреляции между плотностями тока топливного элемента 10 и суммарными величинами тока топливного элемента 10.
[0161] Далее будет описан девятый альтернативный пример осуществления. В комплексах топливных элементов в соответствии с вышеописанными примерами осуществления, если ячейка с отрицательным напряжением не восстановилась из состояния отрицательного напряжения после увеличения количества подаваемого на катод газа, определяется, что генерируется отрицательное напряжение из-за недостаточной подачи водорода, после чего выполняется процесс ограничения тока. Однако также применимо начинать процесс ограничения тока после того, как обнаружено отрицательное напряжение, без выполнения процесса восстановления из состояния отрицательного напряжения путем увеличения количества подаваемого на катод газа.
[0162] Далее будет описан десятый альтернативный пример осуществления. В комплексах топливных элементов в соответствии с вышеописанными примерами осуществления процесс восстановления из состояния отрицательного напряжения начинается, когда обнаружено отрицательное напряжение, и в этом процессе выполняется процесс ограничения тока. Однако в комплексе топливного элемента также применимо выполнение процесса ограничения тока, если удовлетворяется предварительно установленное условие состояния окружающей среды, указывающее на возможность генерирования отрицательного напряжения, даже если отрицательное напряжение не обнаружено. Например, процесс ограничения тока, описанный в вышеприведенных примерах осуществления, может выполняться в условиях окружающей среды, в которых температура наружного воздуха нулевая или ниже нуля, когда температура топливного элемента 10 около нуля или ниже нуля или т.п. Кроме того, могут выполняться процесс оповещения (шаг S63 на ФИГ.12), процесс изменения допустимого диапазона (шаг S65 на ФИГ.16) или процесс регулирования хладагента (шаг S68 на ФИГ.22, шаг S68F на ФИГ.24) в соответствии с процессом ограничения тока.
[0163] Далее будет описан одиннадцатый альтернативный пример осуществления. В вышеописанных втором, третьем или четвертом примерах осуществления настоящего изобретения, как описано в другом примере конфигурации первого примера осуществления, суммарная величина тока может быть записана в энергонезависимой памяти блока записи суммарной величины тока 23. Кроме того, когда предельная суммарная величина тока больше или равна заданному пороговому значению или когда ограниченная плотность тока ниже или равна заданному пороговому значению, то блоком предупредительной сигнализации 25 может выполняться процесс оповещения.
[0164] Далее будет описан двенадцатый альтернативный пример осуществления. В вышеописанном пятом примере осуществления определяется, следует ли продолжать подачу хладагента на основании оценочной величины нагрева Qe или оценочной температуры Те топливного элемента 10, рассчитываемых с использованием предполагаемой теплоемкости Сс. Вместо этого блок управления 20 может регулировать расход хладагента, подаваемого в топливный элемент 10 на основании рабочей температуры топливного элемента 10 и оценочной величины нагрева Qe. То есть блок управления 20 может уменьшить расход хладагента, подаваемого в топливный элемент 10, когда оценочная величина нагрева Qe уменьшается, и может уменьшить степень уменьшения расхода подаваемого хладагента, когда рабочая температура топливного элемента 10 повышается.
[0165] Далее будет описан тринадцатый альтернативный пример осуществления. В вышеописанном пятом примере осуществления блок управления 20 использует карту или таблицу, составленную предварительно, для получения предполагаемой теплоемкости Сс, соответствующей температуре топливного элемента 10 и температуре хладагента. Однако блок управления 20 может иметь предполагаемую теплоемкость Сс в виде константы, не зависящей от температуры топливного элемента 10 или температуры хладагента. В этом случае предполагаемая теплоемкость Сс может быть установлена в виде суммы (CFC+CRE), полученной сложением суммарной теплоемкости CFC компонентов топливного элемента 10 и теплоемкости CRE постоянного количества хладагента, присутствующего внутри топливного элемента 10.