[发明专利]燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法

说明书

本发明涉及燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法。一种燃料电池系统，包括驱动将空气供应至燃料电池的压缩机的电机、辅助压缩机的涡轮机、打开和关闭旁路流动路径的旁路阀以及控制器。当所需空气流量等于或高于预定阈值时，控制器关闭旁路阀并控制电机以使空气以与所需空气流量相对应的流量流过燃料电池。当所需空气流量低于阈值时，控制器打开旁路阀以使空气还流过旁路流动路径，并且将电机控制成使空气以与所需空气流量相对应的流量流过燃料电池。

技术领域

本发明涉及燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法。

背景技术

关于燃料电池系统，例如，日本未审查专利申请公布第2013-182781号(JP 2013-182781A)公开了一种由驱动电机驱动的气体供应旋转机器和由阴极废气的能量旋转的膨胀机，以将空气供应至燃料电池的阴极。

发明内容

在JP 2013-182781A中描述的燃料电池系统中，在燃料电池的所需输出功率小的操作状态下，燃料电池所需的空气的流量小。因此，由气体供应旋转机器(压缩机)排放的空气的流量减少。在这种情况下，供应到膨胀机(涡轮机)的阴极废气的供应流量也减少，并且涡轮机的驱动力减少。因此，存在压缩机的效率降低并且燃料电池系统的燃料经济性劣化的可能性。

已经做出本发明以解决上述问题，并且可以以下面的形式实现。

(1)本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统，包括：燃料电池、空气供应流动路径、空气排放流动路径、压缩机、电机、涡轮机、旁路流动路径、旁路阀以及控制器。空气供应流动路径被配置成将空气供应至燃料电池。空气排放流动路径被配置成将空气从燃料电池排放。压缩机被配置成将空气供应至空气供应流动路径。电机被配置成驱动压缩机。涡轮机被设置在空气排放流动路径中，以辅助电机对压缩机的驱动。旁路流动路径被配置成使空气供应流动路径中压缩机的下游侧与空气排放流动路径中涡轮机的上游侧连通。旁路阀被配置成打开和关闭旁路流动路径。控制器被配置成根据所需空气流量(其为燃料电池的发电所需的空气流量)来控制电机的驱动以及旁路阀的打开和关闭。当所需空气流量等于或高于预定阈值时，控制器执行第一控制，在第一控制中，(i)关闭旁路阀，并且(ii)电机的驱动被控制成使空气以与所需空气流量相对应的流量流过燃料电池，并且当所需空气流量低于预定阈值时，控制器执行第二控制，在第二控制中，(i)打开旁路阀以使空气还流过旁路流动路径，并且(ii)电机的驱动被控制成使空气以与所需空气流量相对应的流量流过燃料电池。利用这种形式的燃料电池系统，当所需空气流量低时，由压缩机供应的空气不仅被直接供应至燃料电池而且还被供应至涡轮机，用于辅助通过旁路流动路径驱动压缩机。因此，在不降低供应至燃料电池的空气流量的情况下，可以降低用于驱动压缩机的电机的功率消耗。这使得可以改善燃料电池系统的燃料经济性。

(2)在根据上述方面的燃料电池系统中，预定阈值可以是基于流量来确定的值，在该流量下，电机的功率消耗相对于从燃料电池系统中的压缩机排放的空气的流量变得最小。利用该燃料电池系统，可以进一步改善燃料电池系统的燃料经济性。

(3)在根据上述方面的燃料电池系统中，当每单位时间所需空气流量的增加量等于或大于预定增加量时，无论所需空气流量是否低于预定阈值，控制器都可以关闭旁路阀。利用该燃料电池系统，当每单位时间所需空气流量的增加量增加至预定增加量或高于预定增加量时，可以防止具有与增加的所需空气流量相对应的流量的空气朝向旁路流动路径流动。因此，当每单位时间所需空气流量的增加量增加至预定增加量或高于预定增加量时，可以抑制向燃料电池供应空气的延迟。

(4)根据上述方面的燃料电池系统还可以包括储蓄罐，该储蓄罐连接至旁路流动路径中旁路阀的下游侧，并且被配置成存储流过旁路流动路径的空气。利用该燃料电池系统，在第二控制期间，流过旁路流动路径的一部分空气可以被存储在储蓄罐中。因此，即使当切换控制并且关闭旁路阀时，在第二控制期间存储在储蓄罐中的空气可以被供应至涡轮机。因此，即使当旁路阀处于关闭状态时，也可以增加涡轮机的驱动力，以用于辅助电机对压缩机的驱动。