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CN101868881B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

在高电位回避运转中实施适当的发电控制。燃料电池系统具备接受反应气体的供给而进行发电的燃料电池和将比上述燃料电池开路端电压低的高电位回避电压作为上限来对燃料电池的输出电压进行高电位回避控制的控制器。控制器将根据负载要求计算出的系统要求功率PA和根据高电位回避电压计算出的系统要求功率PB中较大的系统要求功率作为对燃料电池的系统要求功率来进行计算。为了计算对燃料电池的系统要求功率，不仅考虑根据负载要求计算出的系统要求功率PA，还考虑根据高电位回避电压计算出的系统要求功率PB，因此能够实施稳定的发电而不会陷入燃料不足的情况。另外，由于能够适当地控制发电量，因此能够防止蓄电池的过充电。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，将比开路端电压低的高电位回避电压作为上限来对燃料电池的输出电压进行运转控制。
背景技术
燃料电池组是通过电化学工艺对燃料进行氧化，从而将伴随着氧化反应而放出的能量直接变换为电能的发电系统。燃料电池组具有膜-电极组件，所述膜-电极组件利用由多孔质材料构成的一对电极夹持用于选择性地输送氢离子的高分子电解质膜的两侧面而构成。一对电极分别以担载铂类金属催化剂的碳粉末为主要成分，具有与高分子电解质膜接触的催化剂层、形成于催化剂层的表面且同时具有透气性和电子导电性的气体扩散层。
在搭载燃料电池系统作为电力源的燃料电池车辆中，在发电效率较高的高输出区域，使燃料电池组发电，从燃料电池组和二次电池两者或仅从燃料电池组向牵引电动机供给电力，另一方面，在发电效率较低的低输出区域，暂时停止燃料电池组的发电，进行仅从二次电池向牵引电动机供给电力的运转控制。这样，在燃料电池系统的发电效率较低的低负载区域中，将暂时停止燃料电池组的运转称为间歇运转。在燃料电池系统的发电效率较低的低负载区域，通过实施间歇运转，可使燃料电池组在能量转换效率较高的范围内进行运转，能够提高燃料电池系统整体的效率。
日本特开2007-109569号公报对实施间歇运转的燃料电池系统进行了说明。该公报中公开的燃料电池系统在向发电停止状态转移的燃料电池组单体电池电压低于规定值时，再次驱动空气压缩机，向燃料电池组补给氧气，消除燃料电池组阴极的氧不足而恢复单体电池电压，改善对发电要求的响应延迟。此时，过量供给氧气引起单体电池电压过度上升，担心促进燃料电池组的劣化。这是因为膜-电极组件的催化剂层中包含的铂催化剂在高电位环境下会发生离子化而溶出。为了避免这样的不合适的情况，该公报中也提及了以使单体电池电压不超过规定的上限电压(以下称为高电位回避电压)的方式进行发电控制的方法(以下称为高电位回避控制)。
专利文献1：日本特开2007-109569号公报
但是，在车辆行驶中的情况等，燃料电池组存在负载要求的情况下也实施高电位回避控制时，由于根据高电位回避电压计算出的系统要求功率和根据负载要求计算出的系统要求功率未必一致，因此基于根据负载要求计算出的系统要求功率对电池运转进行控制时，担心产生燃料气体的供给不足等。对于这一点参照图5至图6进行说明。
图5是表示燃料电池组的I-V特性(电流对电压特性)曲线，A是根据负载要求计算出的运转点，B是根据高电位回避电压计算出的运转点。另外，IA及VA是根据负载要求计算出的电流指令值及电压指令值。IB及VB是根据高电位回避电压计算出的电流指令值及电压指令值。尽管控制指令值为运转点A，但由于实际的运转点是运转点B，因此如图5所示，在IA＜IB的情况下，产生燃料气体的供给不足，发电变得不稳定。
图6是表示燃料电池组的I-P特性(电流对电力特性)的曲线，A是根据负载要求计算出的运转点，B是根据高电位回避电压计算出的运转点。另外，IA及PA是根据负载要求计算出的电流指令值及电力指令值。IB及PB是根据高电位回避电压计算出的电流指令值及电力指令值。尽管控制指令值是运转点A，但由于实际的运转点为运转点B，因此如图6所示，在PA＜PB的情况下，比控制指令值多余发出的电力被充电至二次电池，结果，担心引起二次电池的过充电。
发明内容
因此，本发明鉴于上述问题点而做出，提出了一种燃料电池系统，其能够在高电位回避运转中实施适当的发电控制。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统具备：燃料电池，接受反应气体的供给而进行发电；控制装置，将比燃料电池开路端电压低的高电位回避电压作为上限来对燃料电池的输出电压进行高电位回避控制；及系统要求功率计算装置，将根据负载要求计算出的系统要求功率和根据高电位回避电压计算出的系统要求功率中较大的系统要求功率作为对燃料电池的系统要求功率而进行计算。
在考虑根据高电位回避电压计算出的系统要求功率的基础上对燃料电池的系统要求功率进行计算，因此能够在高电位回避运转中实施适当的发电控制。
在此，根据高电位回避电压计算出的系统要求功率是根据燃料电池的电压对电力特性和高电位回避电压之间的关系计算出的。根据负载要求计算出的系统要求功率作为车辆行驶电力要求值、辅机类的消耗电力值及蓄电装置的充放电要求值的相加值而计算出。
在本发明的优选方式中，燃料电池系统还具备：蓄电装置，蓄积燃料电池发出的电力的一部分；及充放电控制装置，对蓄电装置的充放电进行反馈控制以使蓄电装置的充电量与目标值一致。充放电控制装置以允许高电位回避控制为条件禁止反馈控制。
在实施高电位回避运转时，会超过蓄电装置的要求电力向蓄电装置充电，担心对反馈控制的积分项误积分。在这样的情况下，通过禁止反馈控制，能够避免积分项的误积分，避免反馈控制的失败。
根据本发明，可以在高电位回避控制中实施适当的发电控制。
附图说明
图1是本实施方式的燃料电池系统的系统构成图。
图2是构成燃料电池组的单体电池的分解透视图。
图3是系统要求功率计算功能的框图。
图4是对表示高电位回避控制的允许/禁止的标志和表示反馈控制的允许/禁止的标志之间的关系进行图示的图。
图5是燃料电池的I-V特性图。
图6是燃料电池的I-P特性图。
标号说明
10…燃料电池系统、20…燃料电池组、30…氧化气体供给系统、40…燃料气体供给系统、50…电力系统、60…控制器
具体实施方式
以下参照各图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示作为燃料电池车辆的车载电源系统起作用的燃料电池系统10的系统构成。
燃料电池系统10作为搭载在燃料电池车辆上的车载电源系统起作用，具备接受反应气体(燃料气体、氧化气体)的供给而进行发电的燃料电池组20；用于将作为氧化气体的空气供给到燃料电池组20的氧化气体供给系统30；用于将作为燃料气体的氢气供给到燃料电池组20的燃料气体供给系统40；用于控制电力的充放电的电力系统50；及集中控制系统整体的控制器60。
燃料电池组20是串联地层积多个单体电池而构成的固体高分子电解质型单体电池组。燃料电池组20中，在阳极发生(1)式的氧化反应，在阴极发生(2)式的还原反应。作为燃料电池组20整体发生(3)式的起电反应。
H2→2H++2e-…(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O…(2)
H2+(1/2)O2→H2O…(3)
在燃料电池组20上安装有用于检测燃料电池组20的输出电压(FC电压)的电压传感器71、及用于检测输出电流(FC电流)的电流传感器72。
氧化气体供给系统30具有：向燃料电池组20的阴极供给的氧化气体流过的氧化气体通路33；及从燃料电池组20排出的氧化废气流过的氧化废气通路34。在氧化气体通路33上设有经由过滤器31而从大气中取入氧化气体的空气压缩机32、用于对通过空气压缩机32加压的氧化气体进行加湿的加湿器35；及用于截止向燃料电池组20的氧化气体供给的截止阀A1。在氧化废气通路34上设有用于截止从燃料电池组20的氧化废气排出的截止阀A2、用于调整氧化气体供给压力的背压调整阀A3、及用于在氧化气体(干气)和氧化废气(湿气)之间进行水分交换的加湿器15。
燃料气体供给系统40具有燃料气体供给源41、从燃料气体供给源41供给到燃料电池组20的阳极的燃料气体流过的燃料气体通路43、用于使从燃料电池组20排出的燃料废气返回到燃料气体通路43的循环通路44、将循环通路44内的燃料废气压送到燃料气体通路43的循环泵45、及与循环通路44分支连接的排气排水通路46。
燃料气体供给源41例如由高压氢罐、贮氢合金等构成，贮存高压(例如35MPa至70MPa)的氢气。打开截止阀H1时，燃料气体从燃料气体供给源41向燃料气体通路43流出。燃料气体通过调节器H2、喷射器42例如减压到200kPa左右而供给到燃料电池组20。
燃料气体供给源41也可以由如下部分构成：改性器，从烃类的燃料生成富氢的改性气体；及高压气体罐，使在该改性器生成的改性气体形成高压状态而蓄压。
在燃料气体通路43上设有用于截止或允许从燃料气体供给源41的燃料气体的供给的截止阀H1、调整燃料气体的压力的调节器H2、控制向燃料电池组20的燃料气体供给量的喷射器42、用于截止向燃料电池组20的燃料气体供给的截止阀H3、及压力传感器74。
调节器H2是将其上游侧压力(一次压力)调压为预先设定的二次压力的装置，例如由对一次压力进行减压的机械式的减压阀等构成。机械式的减压阀具有隔着隔膜形成背压室和调压室的壳体，具有利用背压室内的背压在调压室内将一次压力减压至规定的压力而作为二次压力的构成。通过在喷射器42的上游侧配置调节器H2，能够有效地降低喷射器42的上游侧压力。因此，能够提高喷射器42的机械构造(阀芯、壳体、流路、驱动装置等)的设计自由度。另外，由于能够降低喷射器42的上游侧压力，因此能够抑制因喷射器42的上游侧压力和下游侧压力之间的差压增大引起喷射器42的阀芯难于移动的情况。因此，能够扩大喷射器42的下游侧压力的可变调压宽度，并且能够抑制喷射器42的响应性的降低。
喷射器42是电磁驱动式的开关阀，可通过利用电磁驱动力直接地以规定的驱动周期驱动阀芯远离阀座来调整气体流量、气体压力。喷射器42具有阀座，该阀座具有喷射燃料气体等的气体燃料的喷射孔，还具有喷嘴管体，其将该气体燃料供给引导到喷射孔；和阀芯，相对于该喷嘴管体沿轴线方向(气体流动方向)可移动地被收容保持，并开关喷射孔。
在本实施方式中，喷射器42的阀芯通过电磁驱动装置即螺线管被驱动，通过向该螺线管给电的脉冲状励磁电流的开/关，能够二级地切换喷射孔的开口面积。利用从控制器60输出的控制信号来控制喷射器42的气体喷射时间及气体喷射时期，从而高精度地控制燃料气体的流量及压力。喷射器42利用电磁驱动力直接开关驱动阀(阀芯及阀座)，由于其驱动周期能够被控制至高响应区域，因此具有较高的响应性。喷射器42为了供给其下游要求的气体流量，改变喷射器42的气体流路上设置的阀芯的开口面积(开度)及开放时间中至少一方，从而调整向下游侧供给的气体流量(或氢摩尔浓度)。
在循环通路44上连接有用于截止燃料废气从燃料电池组20的排出的截止阀H4；及从循环通路44分支的排气排水通路46。在排气排水通路46上配设有排气排水阀H5。排气排水阀H5利用来自控制器60的指令动作，从而将循环通路44内的包含杂质的燃料废气和水分排出到外部。通过排气排水阀H5的开阀，循环通路44内的燃料废气中的杂质浓度降低，能够提高循环于循环系统内的燃料废气中的氢浓度。
经由排气排水阀H5排出的燃料废气与流过氧化废气通路34的氧化废气混合，通过稀释器(未图示)被稀释。循环泵45利用电动机驱动将循环系统内的燃料废气循环供给到燃料电池组20。
电力系统50具备DC/DC转换器51、蓄电池52、牵引变换器53、牵引电动机54、及辅机类55。燃料电池系统10作为DC/DC转换器51和牵引变换器53并联地与燃料电池组20连接的并联混合系统而构成。DC/DC转换器51具有使从蓄电池52供给的直流电压升压而向牵引变换器53输出的功能和使燃料电池组20发电产生的直流电力或牵引电动机54通过再生制动回收的再生电力降压而向蓄电池52充电的功能。利用DC/DC转换器51的这些功能来控制蓄电池52的充放电。另外，利用基于DC/DC转换器51的电压变换控制来控制燃料电池组20的运转点(输出电压、输出电流)。
蓄电池52作为剩余电力的贮藏源、再生制动时的再生能量贮藏源、伴随燃料电池车辆的加速或减速的负载变动时的能量缓冲器起作用。作为蓄电池52，例如优选镍/镉蓄电池、镍/氢蓄电池、锂二次电池等的二次电池。在蓄电池52上安装有用于检测SOC(State of charge：充电状态)的SOC传感器。
牵引变换器53例如是通过脉冲宽度调制方式被驱动的PWM变换器，根据来自控制器60的控制指令将从燃料电池组20或蓄电池52输出的直流电压变换为三相交流电压，控制牵引电动机54的旋转转矩。牵引电动机54例如是三相交流电动机，构成燃料电池车辆的动力源。
辅机类55是配置在燃料电池系统10内的各部的各电动机(例如泵类等的动力源)、用于驱动这些电动机的变换器类、以及各种车载辅机类(例如空气压缩机、喷射器、冷却水循环泵、散热器等)的总称。
控制器60是具备CPU、ROM、RAM及输入输出接口的计算机系统，控制燃料电池系统10的各部。例如，控制器60接受从点火开关输出的起动信号IG后，开始燃料电池系统10的运转，根据从油门传感器输出的油门开度信号ACC和从车速传感器输出的车速信号VC等，计算车辆行驶电力、辅机消耗电力。并且，控制器60将根据车辆行驶电力和辅机消耗电力的合计值计算出的系统要求功率和根据高电位回避电压计算出的系统要求功率中较大的一方作为对燃料电池组20的系统要求功率来进行发电控制。对于系统要求功率计算的详细情况在后面叙述。
在此，辅机电力包括车载辅机类(加湿器、空气压缩机、氢泵、及冷却水循环泵等)所消耗的电力、车辆行驶所需装置(变速机、车轮控制装置、转向装置及悬架装置等)所消耗的电力、及配置在乘员空间内的装置(空调装置、照明设备及音响等)所消耗的电力等。
并且，控制器60决定燃料电池组20和蓄电池52各自的输出电力的分配，控制氧化气体供给系统30及燃料气体供给系统40以使燃料电池组20的发电量与目标电力一致，并且通过控制DC/DC转换器51而调整燃料电池组20的输出电压，来控制燃料电池组20的运转点(输出电压、输出电流)。进而，控制器60为了获得与油门开度相对应的目标转矩，例如作为开关指令将U相、V相、及W相的各交流电压指令值输出到牵引变换器53，控制牵引电动机54的输出转矩及转速。
图2是构成燃料电池组20的单体电池21的分解透视图。
单体电池21由高分子电解质膜22、阳极23、阴极24、隔板26、27构成。阳极23及阴极24是从两侧夹持高分子电解质膜22而形成夹层构造的扩散电极。由不透气的导电性部件构成的隔板26、27进而从两侧夹持该夹层构造，在阳极23及阴极24之间分别形成燃料气体及氧化气体的流路。在隔板26上形成剖面凹状的肋26a。阳极23与肋26a抵接，从而闭塞肋26a的开口部，形成燃料气体流路。在隔板27上形成剖面凹状的肋27a。阴极24与肋27a抵接，从而闭塞肋27a的开口部，形成氧化气体流路。
阳极23以担载铂类金属催化剂(Pt，Pt-Fe，Pt-Cr，Pt-Ni，Pt-Ru等)的碳粉末为主要成分，具有与高分子电解质膜22接触的催化剂层23a和在催化剂层23a的表面上形成的、同时具有透气性和电子导电性的气体扩散层23b。同样，阴极24具有催化剂层24a和气体扩散层24b。更详细而言，催化剂层23a、24a使担载铂或由铂与其它金属构成的合金的碳粉分散到适当的有机溶剂中，适量添加电解质溶液而胶化，在高分子电解质膜22上进行网板印刷而构成。气体扩散层23b、24b通过由碳纤维构成的纱线织成的碳布、碳纸或石墨毡形成。高分子电解质膜22是由固体高分子材料例如氟类树脂形成的质子传导性的离子交换膜，在湿润状态下发挥良好的电传导性。利用高分子电解质膜22、阳极23、及阴极24形成膜-电极组件25。
接着，对高电位回避控制的执行条件及禁止条件进行说明。
作为高电位回避控制的执行条件，例如可以举出同时满足如下条件：(A1)蓄电池52的SOC为SOC1(例如70％)以下、(B1)车辆没有处于再生制动中、(C1)没有处于根据燃料气体供给系统30的配管压力(压力传感器74的检测值)进行的气体泄漏检测的判断中。另一方面，作为高电位回避控制的禁止条件，例如可以举出满足如下条件中任意一个条件：(A2)蓄电池52的SOC为SOC2(例如75％)以上、(B2)处于车辆在再生制动中、(C2)处于根据燃料气体供给系统30的配管压力进行的气体泄漏检测的判断中。
满足高电位回避控制的执行条件时，燃料电池组20的输出电压被限制为比其开路端电压低的高电位回避电压(使用上限电压)以下。作为高电位回避电压优选满足如下条件的电压：处于燃料电池组20的催化剂层23a、24a中包含的铂催化剂不会溶出的程度的电压范围内，进而优选除了所述条件之外还满足如下条件的电压：处于以停止向燃料电池组20的反应气体供给的状态将燃料电池组20的输出电压维持在高电位回避电压时、辅机类55能够消耗燃料电池组20发出的电力的程度的电压范围内。在燃料电池组20中，特别是在低密度电流运转时、怠速运转时这样的阴极24的电位保持得较高的情况下，存在催化剂层24a的铂催化剂溶出的可能性。高电位回避电压也可以为能够根据蓄电池52的SOC、辅机类55的消耗电力等改变的可变控制值。
另一方面，满足高电位回避控制的禁止条件时，允许燃料电池组20的输出电压升压到燃料电池组的开路端电压。
在上述说明中，例示了设定用于以蓄电池52的SOC为基准开/关切换高电位回避控制功能的判断条件，但是也可以设定用于以蓄电池52的充电能力为基准开/关切换高电位回避控制功能的判断条件。例如，也可以在蓄电池52的充电能力为Win1(例如-4kW)以下时，将高电位回避控制功能从关切换为开，在蓄电池52的充电能力为Win2(例如-2kW)以上时，将高电位回避控制功能从开切换为关。但是，用于开关切换高电位回避控制功能的判断条件不需要必须具有迟滞特性。另外，作为高电位回避控制的执行条件，也可以将上述的(A1)～(C1)变更为其他的条件，或进而追加条件。作为高电位回避控制的禁止条件，也可以将上述的(A2)～(C2)变更为其他的条件，或者进而追加条件。
接着，对针对燃料电池组20的系统要求功率的计算方法进行说明。
图3是表示系统要求功率计算功能80的框图。控制器60作为系统要求功率计算装置起作用，系统要求功率计算功能80通过控制器60内的CPU计算功能实现。系统要求功率计算功能80将车辆行驶电力要求值(牵引电动机54的驱动电力)、辅机类55的消耗电力值、及蓄电池52的充放电要求值输入到加法器81，计算出其合计值即系统要求功率PA。系统要求功率PA是根据负载要求计算出的电力指令值。系统要求功率计算功能80参照V-P特性映射82，根据高电位回避目标电压计算系统要求功率PB。系统要求功率PB是根据高电位回避电压计算出的电力指令值。在此，V-P特性映射82是推定燃料电池组20的电压对电力特性的单元，作为映射数据存储在控制器60内的ROM中。最大值函数83比较PA和PB，将两者中较大的一方作为对燃料电池组20的系统要求功率输出。控制器60根据这样最终计算出的系统要求功率来决定实际动作点(动作电流、动作电压)，进而求出与实际动作点相对应的发电指令值，控制氧化气体供给系统30、燃料气体供给系统40及电力系统50。
控制器60在计算对燃料电池组20的系统要求功率的过程中，不仅考虑根据负载要求计算出的系统要求功率PA，还考虑根据高电位回避电压计算出的系统要求功率PB，因此能够不会陷入燃料不足地实施稳定的发电。另外，由于能够适当地控制发电量，因此能够防止蓄电池52的过充电。
接着，对高电位回避控制和蓄电池功率控制之间的关系进行说明。
控制器60作为充放电控制装置起作用，利用反馈控制来控制蓄电池功率的充放电以使蓄积在蓄电池52中的蓄电池功率能够追随充放电目标值。更详细而言，控制器60通过在由SOC传感器73检测出的蓄电池功率和充放电目标值之间的偏差(e)上乘以比例增益(KP)来计算比例型反馈校正值(比例项：P＝KP×c)，并且通过在偏差(e)的时间积分值(∫(e)dt)上乘以积分增益(KI)来计算积分型反馈校正值(积分项：I＝KI×∫(e)dt)，将上述比例项和积分项相加得到的值作为反馈校正值计算出。控制器60根据这样计算出的反馈校正值来控制蓄电池52的充放电，以使蓄电池功率和充放电目标值一致。控制器60基于偏差(c)按照规定的计算周期更新计算比例项和积分项，并逐渐更新反馈校正值。
在此，在高电位回避控制中，与系统要求功率PA无关地使燃料电池组20的输出电压降低到高电位回避电压以下，因此牵引电动机54和辅机55不能消耗尽的电力被充电至蓄电池52。此时，超过充放电目标值而使得蓄电池52过充电，因此积分项被误积分，反馈控制可能失败。控制器60如图4所示，以允许高电位回避控制为条件，禁止反馈控制，另一方面以禁止高电位回避控制为条件，允许反馈控制，从而避免上述不合适的情况。
在上述实施方式中，例示了将燃料电池系统10作为车载电源系统使用的利用方式，但是燃料电池系统10的利用方式不限于此例。例如，也可以将燃料电池系统10作为燃料电池车辆以外的移动体(机器人、船舶、飞机等)的电力源来进行搭载。另外，也可以将本实施方式的燃料电池系统10作为住宅、大厦等的发电设备(定置用发电系统)使用。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池，接受反应气体的供给而进行发电；
控制单元，将比上述燃料电池的开路端电压低的高电位回避电压作为上限来对上述燃料电池的输出电压进行高电位回避控制；及
系统要求电力计算单元，将高电位回避目标电压作为输入值从燃料电池的电压对电力特性映射中读出与该高电位回避目标电压对应的电力作为第一系统要求电力，将上述第一系统要求电力和根据负载要求计算出的第二系统要求电力中较大的系统要求电力作为对上述燃料电池的系统要求电力来进行计算。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
上述第一系统要求电力基于上述燃料电池的电压对电力特性和上述高电位回避电压之间的关系而计算出。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
上述第二系统要求电力作为车辆的行驶电力要求值、辅机的消耗电力值及蓄电装置的充放电要求值的相加值而计算出。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，还具备：
蓄电装置，蓄积上述燃料电池发出的电力的一部分；及
充放电控制单元，对上述蓄电装置的充放电进行反馈控制以使上述蓄电装置的充电量与目标值一致，
在上述蓄电装置的充电状态为规定值以下时允许上述高电位回避控制，
上述充放电控制单元以允许上述高电位回避控制为条件禁止上述反馈控制。
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