阅读说明：本技术 燃料电池系统及液态水量预测方法 (Fuel cell system and liquid water amount prediction method ) 是由 小牧克哉 于 2019-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种燃料电池系统及液态水量预测方法。所述燃料电池系统具有：燃料电池堆,其通过氢与氧的化学反应而进行发电,并且使生成水及排气被排出；液态水量预测部,其基于燃料电池堆的发电电流量、向燃料电池堆供给的空气的量、该空气的温度及相对湿度、从燃料电池堆被排出的排气的温度、和该排气的压力,而对所述生成水中的液态水的量进行预测。(The present invention relates to a fuel cell system and a liquid water amount prediction method. The fuel cell system has: a fuel cell stack that generates electricity by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and discharges produced water and exhaust gas; and a liquid water amount prediction unit that predicts the amount of liquid water in the generated water based on the amount of generated current of the fuel cell stack, the amount of air supplied to the fuel cell stack, the temperature and relative humidity of the air, the temperature of exhaust gas discharged from the fuel cell stack, and the pressure of the exhaust gas.)

燃料电池系统及液态水量预测方法

技术领域

本公开内容涉及一种燃料电池系统及液态水量预测方法。

背景技术

在日本特开2010-153246号公报中，公开了一种使燃料气体与氧化剂气体反应而进行发电的燃料电池系统，并成为在发电时所生成的液态水被贮留于捕集罐中的结构。此外，在该日本特开2010-153246号公报中，公开了如下内容，即，基于发电电流累计值而对预测生成水量进行计算，并在根据该预测结果而被判断为贮留在捕集罐中的生成水量成为了阈值以上的情况下，使排水阀开阀。

然而，在如日本特开2010-153246号公报那样仅基于发电电流累计值来预测生成水量的情况下，只能够对使水蒸气与液态水混合而成的生成水量进行预测。因此，对于预测液态水的生成量的观点而言，仍存在改善的余地。

发明内容

本公开内容考虑到上述事实，获得一种能够对生成水中的液态水的生成量进行预测的燃料电池系统及液态水量预测方法。

用于解决课题的方法

第一方式的燃料电池系统具有：燃料电池堆，其通过氢与氧的化学反应而进行发电，并且使生成水及排气被排出；液态水量预测部，其基于所述燃料电池堆的发电电流量、向所述燃料电池堆供给的空气的量、所述空气的温度、所述空气的相对湿度、从所述燃料电池堆被排出的排气的温度、以及所述排气的压力，而对所述生成水中的液态水的量进行预测。

在第一方式的燃料电池系统中，通过在燃料电池堆中使氢与氧发生化学反应而进行发电，并使生成水及排气被排出。在此，燃料电池系统具备液态水量预测部，该液态水量预测部基于燃料电池堆的发电电流量、所供给的空气量、空气的温度、空气的相对湿度、排气温度及排气压力来对将要被生成的液态水量进行预测。以此方式，通过对燃料电池堆的发电电流量添加诸如向燃料电池堆供给的空气的量及相对湿度这样的供给侧的信息、以及诸如从燃料电池堆被排出的排气的温度及排气压力这样的排气侧的信息，从而能够对生成水中的液态水的量进行预测。

第二方式的燃料电池系统为，在第一方式中，具备：贮水罐，其贮存有从所述燃料电池堆被排出的液态水；阀，其被设置于对所述燃料电池堆与所述贮水罐进行连结的排水管上；阀控制部，其对所述阀的开度进行控制，所述阀控制部在由所述液态水量预测部而预测出的液态水量越多时，越增大所述阀的开度，而在由所述液态水量预测部而预测出的液态水量越少时，越减小所述阀的开度。

在第二方式的燃料电池系统中，具备对从燃料电池堆被排出的液态水进行贮存的贮水罐。此外，燃料电池堆与贮水罐通过排水管而被连结，且在该排水管上设置有阀。而且，阀的开度通过阀控制部而被控制，且该阀控制部在由液态水量预测部所预测出的液态水量越多时，则越增大阀的开度。由此，在所生成的液态水量较多的情况下，通过增大阀的开度，从而使排水管的流道截面积变大，进而能够抑制所生成的液态水不被贮存于贮水罐中而向大气被排出的情况。此外，与之相反地，阀控制部在由液态水量预测部所预测出的液态水量越少时，越减小阀的开度。由此，在所生成的液态水量较少的情况下，通过减小阀的开度，从而使排水管的流道截面积变小，进而能够抑制液态水之外的气体等进入贮水罐的情况。

第三方式的燃料电池系统为，在第二方式中，具备喷射部，所述喷射部使被贮存于所述贮水罐中的液态水向车辆的热交换器喷射。

在第三方式的燃料电池系统中，通过使所生成的液态水向车辆的热交换器喷射，从而能够促进热交换。

第四方式的液态水量预测方法为被应用于燃料电池系统中的液态水量预测方法，所述燃料电池系统具备通过氢与氧的化学反应而进行发电并且使生成水及排气被排出的燃料电池堆，在所述液态水量预测方法中，所述液态水量预测方法基于所述燃料电池堆的发电电流量、向所述燃料电池堆供给的空气的量、所述空气的温度、所述空气的相对湿度、从所述燃料电池堆被排出的排气的温度、以及所述排气的压力，而对所述生成水中的液态水的量进行预测。

在第四方式的液态水量预测方法中，基于燃料电池堆的发电电流量、所供给的空气量、空气的温度、空气的相对湿度、排气温度及排气压力而对所生成的液态水量进行预测。以此方式，通过对于燃料电池堆的发电电流量而添加诸如向燃料电池堆供给的空气的量及相对湿度这样的供给侧的信息、以及诸如从燃料电池堆被排出的排气的温度及排气压力这样的排气侧的信息，从而能够对生成水中的液态水的量进行预测。

如以上所说明的那样，根据第一方式的燃料电池系统及第四方式的液态水量预测方法，能够对液态水的生成量进行预测。

根据第二方式的燃料电池系统，能够有效地向贮水罐中贮存液态水。

根据第三方式的燃料电池系统，能够提高热交换器的性能。

附图说明

本公开内容的示例性实施例基于如下的附图而被详细叙述。

图1为概要性地表示实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构的概要图。

图2为表示实施方式所涉及的燃料电池系统的第一改变例的、与图1相对应的概要图。

图3为表示实施方式所涉及的燃料电池系统的第二改变例的、与图1相对应的概要图。

图4为表示实施方式所涉及的燃料电池系统的第三改变例的、与图1相对应的概要图。

图5为表示总压力与液态水的比例之间的关系的一个示例的曲线图。

图6为实施方式所涉及的燃料电池系统的概要框图。

图7为表示实施方式所涉及的液态水量预测方法的一个示例的流程图。

图8为表示液态水量预测方法的其他示例的流程图。

具体实施方式

(整体结构)

参照附图，对实施方式所涉及的燃料电池系统10进行说明。如图1所示，本实施方式所涉及的燃料电池系统10被搭载于车辆中，并且具备燃料电池堆12。

本实施方式的燃料电池堆12为，通过被供给氢及空气从而进行发电的电池。具体而言，燃料电池堆12具备多个单电池，氢在单电池的正极(阳极、燃料极)与正极侧的分离器之间流动，含有氧的空气在单电池的负极(阴极、空气极)与负极侧的分离器之间流动。而且，通过这些氢与氧的化学反应而进行发电。此外，通过从燃料电池堆12向电机供给电力，从而使电机被驱动。

此时，由于燃料电池堆12发热，因此成为冷却水流动于燃料电池内从而对在燃料电池堆12中所产生的热量进行吸收的结构。此外，伴随着由燃料电池堆12所实施的发电，从而含有氧及氮的排气、和含有液态水及水蒸气的生成水将被排出。

在燃料电池堆12上连接有从未图示的氢罐供给氢的氢供给管14。此外，在燃料电池堆12上连接有供给空气的空气供给管16，且在该空气供给管16上设置有未图示的空气压缩机。而且，使从氢供给管14向燃料电池堆12供给的氢气与从空气供给管16向燃料电池堆12供给的空气中的氧进行反应。

此外，在燃料电池堆12上连接有第一排气管17的一端侧，在该第一排气管17中流有未反应的氢气。此外，由于第一排气管17的另一端部向大气被开放，因此，成为未反应的氢气向大气被释放的结构。另外，未反应的氢气被释放的量为微量，并未达到燃烧所需的浓度。

在燃料电池堆12上连接有第二排气管18的一端侧。该第二排气管18为使所生成的氧及氮等排气被排出的排气管，且第二排气管18的另一端侧与气液分离器20连接。另外，除了氧及氮之外，第二排气管18中还流有含有水蒸气及液态水的生成水。

在气液分离器20上连接有第三排气管22及排水管26。第三排气管22为流有通过气液分离器20而被分离出的气体的排气管，并且向大气被开放。因此，流过第三排气管22的气体向大气被释放。此外，在第三排气管22上设置有调压阀24，通过对该调压阀24进行操作，从而使第三排气管22被开闭。因此，被构成为，能够在任意的时刻使气体向大气释放。

在排水管26中流有通过气液分离器20而被分离出的液态水，该排水管26与贮水罐30连接。此外，在排水管26上设置有排水阀28，通过对该排水阀28进行操作，从而使排水管26被开闭。

贮水罐30为贮存有流过排水管26的液态水的罐，且该贮水罐30上连接有送液管32的一端侧。送液管32的另一端侧位于作为热交换器的散热器38的附近，且在该送液管32的另一端部处设置有喷射部36。喷射部36以包括喷嘴等的方式而被构成，并且被构成为，使被贮存在贮水罐30中的液态水穿过送液管32而从喷射部36向散热器38被喷射。此外，在送液管32上连接有送液泵34，并且被构成为，通过对该送液泵34进行操作，从而使送液管32内的液态水向喷射部36被运送。

接下来，对本实施方式所涉及的燃料电池系统10中的控制部分的一个示例进行说明。如图6所示，燃料电池系统10具备计算机50。计算机50被构成为，包括CPU(CentralProcessing Unit：中央处理器)、存储有用于实现各处理流程的程序等的ROM(Read OnlyMemory：只读存储器)、临时性地对数据进行存储的RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、作为存储单元的存储器、网络接口等。

此外，计算机50在功能性上具备信息取得部52、信息存储部54、液态水量预测部56、信息输出部58、泵控制部60和阀控制部62。

信息取得部52从燃料电池堆12取得各种信息。具体而言，信息取得部52取得燃料电池堆12的发电电流量、向燃料电池堆12供给的空气的量、向燃料电池堆12供给的空气的温度、该空气的相对湿度、从燃料电池堆12被排出的排气的温度、从燃料电池堆12被排出的排气的压力等。这些信息通过未图示的多个传感器而被计测出，从而信息取得部52取得计测出的计测值。

信息存储部54对利用信息取得部52而取得的信息进行存储。此外，在信息存储部54中存储有数学式等信息。液态水量预测部56基于利用信息取得部52而取得的信息来对所生成的液态水量进行预测。此时所使用的预测式的详细内容将在下文中叙述。

信息输出部58向泵控制部60及阀控制部62输出利用液态水量预测部56而预测出的液态水量。此外，也可以向配置在车辆的仪表板上的未图示的显示器等显示部输出。

泵控制部60实施送液泵34的控制。即，通过利用泵控制部60而使送液泵34工作，从而使送液管32内的液态水被运向喷射部36，进而使液态水从喷射部36向散热器38被喷射。

阀控制部62实施调压阀24及排水阀28的控制。即，通过利用阀控制部62而将调压阀24打开，从而使第三排气管22内的排气向大气被释放。此外，通过利用阀控制部62而将排水阀28打开，从而使排水管26内的液态水被贮存在贮水罐30中。另外，在本实施方式中被构成为，能够通过阀控制部62而将排水阀28的开度调节为全开和全闭之间的任意的开度。

(液态水量的预测方法)

接下来，对利用燃料电池堆12而生成的液态水量的预测方法进行说明。首先，燃料电池堆12的反应式如下文所示。此时，将氢消耗量设为100％，将吸入氧相对于氢消耗量的摩尔比设为k。

上述的反应式中的1.88为表示空气中的摩尔比的系数，且基于在空气中N₂与O₂约为0.79：0.21的比例的情况。

在此，在将排气中的水蒸气摩尔流量设为n_ST(mol/sec)，将排气中的氮摩尔流量设为n_N2(mol/sec)，将排气中的氧摩尔流量设为n_O2(mol/sec)，将排气的压力设为P(kPa)，将排气温度T(℃)下的饱和蒸气压设为P_ST(kPa)时，可以根据道尔顿的分压定律而推导出以下的数学式(1)。

[数学式1]

此外，根据Tetens的实验式，饱和蒸气压P_ST(kPa)以如下的数学式(2)的方式来表示。

[数学式2]

接下来，由于当将进气的相对湿度设为φ(％)，将进气温度设为T_H(℃)时，进气的水蒸气压力P_H(kPa)成为P_H＝P_ST×φ/100，因此由以下的数学式(3)来表示。

[数学式3]

此外，当将进气中的水蒸气摩尔流量设为n_H(mol/sec)，将氢消耗流量设为n(mol/sec)时，该水蒸气摩尔流量n_H使用进气的水蒸气压力P_H而由以下的数学式(4)来表示。另外，以下的数学式(4)中的Pa为大气压。

[数学式4]

在此，由于排气中的液态水量n_Liq通过生成水量-(饱和水蒸气量-进气中的水蒸气量)而被求取，因此能够利用以下的数学式(5)来表示。

[数学式5]

另外，虽然对于吸入氧的摩尔比k而言，在发生了理想的氢与氧的化学反应的情况下k＝0.5，但实际上会因各种条件而发生变动。例如，根据燃料电池堆12的性能、温度或劣化程度而发生变动。此外，也会根据所要求的输出、环境温度等主要原因而发生变动。因此，可以采用如下方法，即，例如预先掌握电池单体和燃料电池系统10的特性而预先制作k值的映射图，并且在对液态水进行回收的时刻根据各种条件而从映射图读取k值的方法。此外，作为其他的方法，也可以预先计测出氢和氧的吸入量，并根据该计测结果而计算出k值。

在此，在假设将吸入氧的摩尔比k设为1，而进气的相对湿度φ为0(％)的情况下，如果将k＝1、φ＝0代入上述数学式(5)中，则成为以下的数学式(6)。

[数学式6]

根据上述的数学式(6)的内容，k＝1且φ＝0的情况下的液态水的比例与总压力的关系如图5所示。在该图5中，排气温度为65(℃)的状态下的液态水的比例与总压力的关系由实线L1来表示，排气温度为75(℃)的状态下的液态水的比例与总压力的关系由点划线L2来表示。此外，排气温度为85(℃)的状态下的液态水的比例与总压力的关系由双点划线L3来表示，排气温度为95(℃)的状态下的液态水的比例与总压力的关系由虚线L4来表示。因此，根据实线L1可知，例如排气温度为65(℃)的情况下的总压力为250(kPa)时的液态水的比例为80(％)左右。通过采用以上的方式，从而能够对由燃料电池堆12所生成的液态水的量进行预测。

使用图7的流程图，对所生成的液态水量的预测方法的一个示例进行说明。首先，在步骤102中，通过传感器等对发电电流量及进气量(向燃料电池堆12供给的空气的量)进行计测。另外，由于在此所说的发电电流量与氢气的消耗量成比例，因此也可以根据氢气的消耗量来求取发电电流量。

接下来，在步骤104中，通过传感器等而对向燃料电池堆12供给的空气的温度T_H(℃)、向燃料电池堆12供给的空气的相对湿度φ(％)、从燃料电池堆12被排出的排气的温度T(℃)及从燃料电池堆12被排出的排气的压力P(kPa)进行计测。

接着，在步骤106中，对k值进行设定。在此，作为一个示例，通过根据预先设定的k值的映射图来读取与条件相应的k值，从而对k值进行设定。

最后，在步骤108中，通过将计测值代入上述的数学式(1)～(5)中，从而对所生成的预定的液态水量进行计算。

在此，图6所示的阀控制部62根据利用液态水量预测部56而预测出的液态水量来对排水阀28的开度进行控制。具体而言，在图1中，阀控制部62在被预测出的液态水量越增多时，越增大排水阀28的开度，从而增大排水管26的流道截面积。与之相反，阀控制部62在利用液态水量预测部56而预测出的液态水量越减少时，越减小排水阀28的开度，从而减小排水管26的流道截面积。

另一方面，图6所示的泵控制部60在被贮存于贮水罐30(参照图1)中的液态水为一定量以上、从而产生了促进散热器38的热交换的需要的情况下，对送液泵34进行控制以使之进行工作。

在此，基于利用液态水量预测部56而预测出的液态水量、和通过使送液泵34工作而被运送的液态水量，从而对被贮存在贮水罐30中的液态水量、及被贮存在贮水罐30中的预定的液态水量进行掌握。

(作用)

接下来，对本实施方式的作用进行说明。

在本实施方式的燃料电池系统10中，基于燃料电池堆12的发电电流量、所供给的空气量、空气的温度、空气的相对湿度、排气温度及排气压力，来对将会被生成的液态水量进行预测。以此方式，通过对燃料电池堆12的发电电流量添加向燃料电池堆12供给的空气的量、诸如温度及相对湿度这样的供给侧的信息、以及诸如从燃料电池堆12被排出的排气的温度及排气压力这样的排气侧的信息，从而与仅基于发电电流量来对生成水量进行预测的方法相比，能够准确地对生成水中的液态水的量进行预测。

此外，如图1所示，在本实施方式中，具备对从燃料电池堆12被排出的液态水进行贮存的贮水罐30。此外，燃料电池堆12与贮水罐30通过排水管26而被连结，且在该排水管26上设置有排水阀28。而且，以被预测出的液态水量越多则排水管26的流道截面面积越大的方式来对排水阀28的开度进行控制。由此，在所生成的液态水量较多的情况下，通过增大排水阀28的开度，从而能够对所生成的液态水的一部分并未被贮存于贮水罐30中而从第三排气管22向大气被排出的情况进行抑制。

此外，与之相反，在所生成的液态水量较少的情况下，通过减小排水阀28的开度，从而能够对水蒸气等气体进入贮水罐30的情况进行抑制。也就是说，在排水阀28的开度较大的情况下，所生成的气体的一部分可能会从第二排气管18流向贮水罐30。相对于此，在本实施方式中，通过以上述方式来对排水阀28进行控制，从而能够对气体进入贮水罐30的情况进行抑制。

并且，在本实施方式中，由于使所生成的液态水向散热器38喷射，因此能够促进散热器38中的热交换。也就是说，在行驶过程中燃料电池堆12的负荷变大的状况下，燃料电池堆12有时会成为高温。在这样的情况下，在利用冷却水来对燃料电池堆12进行冷却时，需要有效地实施散热器38中的热交换。如本实施方式那样，通过使液态水向散热器38喷射，从而能够利用液态水的蒸发热等来使散热器38的温度下降，进而能够促进热交换。

另外，本公开内容并不限定于图1的结构，也可以采用图2～4所示的改变例的结构。

(第一改变例)

如图2所示，除了调压阀24的位置不同的这一点之外，本改变例所涉及的燃料电池系统70为与实施方式相同的结构。

本改变例的调压阀24被设置于对燃料电池堆12与气液分离器20进行连结的第二排气管18上。因此，如果使调压阀24闭阀，则能够使包含在燃料电池堆12中未反应的氧和已穿过了燃料电池堆12的氮在内的排气及利用燃料电池堆12所生成的生成水不流向气液分离器20。

(第二改变例)

如图3所示，除了第一排气管17的连接位置不同的这一点之外，本改变例所涉及的燃料电池系统80为与实施方式相同的结构。

本改变例的第一排气管17的一端侧被连接于燃料电池堆12。另一方面，第一排气管17的另一端侧被连接于第三排气管22。具体而言，第一排气管17的另一端侧被连接于第三排气管22中的与调压阀24相比靠下游处。

因此，在燃料电池堆12中未反应的氢气与从气液分离器20流经第三排气管22的排气一同向大气被释放。

(第三改变例)

如图4所示，除了调压阀24的位置以及第一排气管17的连接位置有所不同的点之外，本改变例所涉及的燃料电池系统90为与实施方式相同的结构。

本改变例的调压阀24被设置于对燃料电池堆12与气液分离器20进行连结的第二排气管18上。此外，第一排气管17被连接于第二排气管18。具体而言，第一排气管17被连接于第二排气管18中的与调压阀24相比靠下游处。

因此，在燃料电池堆12中未反应的氢气与从燃料电池堆12流经第二排气管18的排气一同流向气液分离器20。

以上，虽然对实施方式及改变例进行了说明，但是当然可以以各种各样的方式来实施。例如，虽然在上述实施方式中，设为在车辆的行驶过程中对所生成的液态水量进行预测的结构，但并不限定于此，也可以在车辆行驶之前对所生成的液态水量进行预测。以下，对该情况的一个示例进行说明。

对于如下车辆进行考虑，所述车辆具备设定到预先目的地的路线并使车辆按照该路线而行驶的自动驾驶功能。在这样的车辆中，通过对路线进行设定，从而可以取得距目的地的距离及坡度等信息。而且，根据该信息可以掌握预测出燃料电池堆12的负荷较大的点。另一方面，如果在正在行驶的期间内对所生成的液态水量进行预测，则能够在预测出燃料电池堆12的负荷较大的点有效地使液态水向散热器38喷射。

使用图8的流程图，来对在车辆行驶之前预测所生成的液态水量的方法的一个示例进行说明。首先，在步骤202中，通过乘员的操作来设定目的地。此时，计算机50根据所设定的目的地而取得行驶路线。在此，可以根据预先被存储于车辆中的地图信息来取得行驶路线，也可以经由互联网而从外部的服务器取得行驶路线的信息。

接下来，在步骤204中，根据行驶距离等而对发电电流量及进气量进行计算。而且，在步骤206中，对进气的温度及相对湿度、排气温度及排气压力进行预测。此时，也可以通过经由互联网访问外部服务器，从而参照行驶路线上的任意地点的室外温度及湿度等信息。

接着，在步骤208中，对k值进行设定。在此，作为一个示例，通过根据预先设定的k值的映射图来读取与条件相应的k值，从而对k值进行设定。

最后，在步骤210中，通过将在步骤204～步骤208中所取得的各参数的计测值代入上述的数学式(1)～(5)中，从而对所生成的预定的液态水量进行计算。

如上文所述，能够在行驶前的阶段，对在行驶过程中所生成的液态水量进行预测。此外，通过对所生成的液态水量进行预测，从而能够对排水阀28及送液泵34进行控制，以便在燃料电池堆12的负荷较大的点向散热器38喷射足够量的液态水。

此外，虽然在上述实施方式及改变例中设为将未反应的氢气向大气释放的结构，但并不限定于此。例如，也可以采用使未反应的氢气循环从而将其再次向燃料电池堆12进行供给的方式。

并且，虽然在上述实施方式及改变例中，对将燃料电池系统搭载于车辆中的结构进行了说明，但并不限定于此。只要是具备通过氢与氧的化学反应而产生发电的燃料电池堆的燃料电池系统，便能够获得同样的效果。

另外，虽然在上述实施方式及改变例中，作为热交换器的一个示例而对具备散热器的结构进行了说明，但并不限定于此。例如，也可以应用于实施在车辆的空调装置中循环的制冷剂与外部气体的热交换的冷凝器等中。