CN101926039B

CN101926039B - 燃料电池系统

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Publication number: CN101926039B
Application number: CN2009801033298A
Authority: CN
Inventors: 水野秀昭
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-01-15
Also published as: US20110003221A1; JP4789018B2; JP2009176666A; US8216734B2; DE112009000223B4; WO2009096229A1; DE112009000223T5; CN101926039A

Abstract

提供一种可适当地控制恢复运转的燃料电池系统。控制器控制恢复运转以使输出电压即使在恢复运转后也不超过OC回避电压Var。具体而言，控制器根据恢复运转前的输出电压推测恢复运转后的输出电压，控制恢复运转的执行以使推测出的恢复运转后的输出电压不超过OC回避电压Var。例如，如果在恢复运转前，控制器在判断为推测出的恢复运转后的输出电压未超过OC回避电压Var的情况下执行恢复运转。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，特别是涉及一种根据燃料电池的运转状态来控制输出电力的燃料电池系统。

背景技术

在担心依赖于石油的车辆社会的将来状况的现代社会中，期待搭载以氢作为燃料的燃料电池的汽车的普及。燃料电池具有串联地层积单体电池的堆叠构造，利用包含供给至阳极的氢的燃料气体和包含供给至阴极的氧的氧化气体的电化学反应进行发电。

燃料电池与其他的电源相比在起动时存在各种制约。所述燃料电池的发电效率因温度降低、电极催化剂中毒而降低，存在不能供给希望的电压/电流而不能使机器起动的情况。

鉴于这样的情况，在起动燃料电池时，使供给至阳极的燃料气体及供给至阴极的氧化气体中的至少任意一方为不足状态，增加电极的一部分的过电压而进一步产生热量，从而使燃料电池的温度上升，进行通过使电极催化剂还原来使燃料电池的电流/电压特性(IV特性)恢复的运转(例如参照下述专利文献1)。

专利文献1：日本特表2003-504807号

然而燃料电池的电流/电压特性(以下IV特性)不一定，恢复运转前后大幅变动。具体而言，一旦执行恢复运转时，燃料电池的IV特性改善，但频繁地实施所述恢复运转后，燃料电池的IV特性超过需要地改善，担心不能由二次电池吸收因燃料电池的发电产生的剩余电力等的问题。

发明内容

本发明是鉴于以上说明的情况而做出的，其目的在于提供一种可适当地控制恢复运转的燃料电池系统。

为了解决上述问题，本发明的燃料电池系统具备：燃料电池；运转单元，通过进行恢复运转来使上述燃料电池的电特性改善；及运转控制单元，控制上述运转单元执行恢复运转，以使恢复运转后的上述燃料电池的输出电压不超过所设定的输出电压上限值。

根据该构成，由于控制恢复运转的执行以使恢复运转后的燃料电池的输出电压不超过所设定的输出电压上限值，因此可以事先防止燃料电池的输出电压在超过所设定的输出电压上限值的状态下运转，可提高燃料电池的寿命。

另外，在上述构成中，上述运转控制单元根据恢复运转前的上述燃料电池的输出电压推测恢复运转后的上述燃料电池的输出电压，在判断为推测出的恢复运转后输出电压未超过上述输出电压上限值的情况下，允许上述运转单元执行恢复运转。

另外，本发明的另外的燃料电池系统，其特征在于，具备：燃料电池；蓄电装置，连接在上述燃料电池的放电路径上；运转单元，通过进行恢复运转来使上述燃料电池的电特性改善；设定单元，考虑上述蓄电装置的容许电力来设定上述燃料电池的电力上限值；及运转控制单元，控制上述运转单元执行恢复运转，以使恢复运转后的上述燃料电池的输出电力不超过所设定的电力上限值。

在此，在上述构成中，优选还具备用于检测上述蓄电装置的充电状态的检测单元，上述设定单元根据由上述检测单元检测出的上述蓄电装置的充电状态把握上述蓄电装置的容许电力，并考虑所把握的容许电力来设定上述燃料电池的电力上限值。

如以上说明，根据本发明，可适当地控制恢复运转。

附图说明

图1是表示本实施方式的燃料电池系统的要部构成的图。

图2是表示恢复运转前后的燃料电池组的IV特性的图。

图3是表示恢复运转前后的燃料电池组的IV特性和IP特性之间的关系的图。

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…冷却系统、70…控制器

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

A.本实施方式

图1是搭载了本实施方式的燃料电池系统10的车辆的概略构成。在以下的说明中作为车辆的一个例子假想了燃料电池汽车(FCHV；FuelCell Hybrid Vehicle)，但也可适用于电动汽车、混合动力汽车。另外，不仅仅是车辆，也适用于各种移动体(例如船舶、飞机、机器人等)、定置型电源、以及携带型的燃料电池系统中。

燃料电池系统10作为搭载于燃料电池车辆上的车载电源系统发挥作用，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至燃料电池组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至燃料电池组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；用于冷却燃料电池组20的冷却系统60；及控制系统整体的控制器(ECU)70。

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。在燃料电池组20中，在阳极产生(1)式的氧化反应，在阴极产生(2)式的还原反应。作为燃料电池组20整体产生(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的输出电压的电压传感器71、及用于检测发电电流的电流传感器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34；及从燃料电池组20排出的氧化废气流过的氧化废气通路36。在氧化气体通路34上设有：经由过滤器31从大气中取入氧化气体的空气压缩机32；用于对向燃料电池组20的阴极供给的氧化气体进行加湿的加湿器33；及用于调整氧化气体供给量的节流阀35。在氧化废气通路36上设有：用于调整氧化气体供给压力的背压调整阀37；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33。

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向燃料电池组20的阳极供给的燃料气体流过的燃料气体通路45；用于使从燃料电池组20排出的燃料废气返回至燃料气体通路45的循环通路46；将循环通路46内的燃料废气压送至燃料气体通路43的循环泵47；及与循环通路47分支连接的排气排水通路48。

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42后，燃料气体从燃料气体供给源41向燃料气体通路45流出。燃料气体利用调节器43及喷射器44例如减压至200kPa左右而供给至燃料电池组20。

燃料气体供给源41也可以构成为包括：改性器，从烃类燃料生成富氢的改性气体；及高压气体罐，使由该改性器生成的改性气体形成高压状态而蓄压。

调节器43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为规定的压力而作为二次压力的构成。

喷射器44是电磁驱动式的开关阀，其能够通过以电磁驱动力直接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44具有：阀座，其具有喷射燃料气体等的气体燃料的喷射孔，并且具有：喷嘴管体，将所述气体燃料供给引导到喷射孔；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。

在排气排水通路48上设置有排气排水阀49。排气排水阀49利用来自控制器70的指令进行动作，从而将循环通路46内包含杂质的燃料废气和水分排出至外部。利用排气排水阀49的开阀，循环通路46内的燃料废气中的杂质的浓度下降，能够使在循环系统内循环的燃料废气中的氢浓度上升。

经由排气排水阀49排出的燃料废气与流过氧化废气通路34的氧化废气混合，利用稀释器(未图示)稀释。循环泵47利用电动机驱动将循环系统内的燃料废气循环供给至燃料电池组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。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、及使燃料电池组20发出的直流电力或牵引电动机54利用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的这些功能控制蓄电池52的充放电。另外，利用由DC/DC转换器51进行的电压变换控制来控制燃料电池组20的运转动作点(输出电压、输出电流)。

蓄电池(蓄电装置)52作为剩余电力的贮藏源、再生制动时的再生能量贮藏源、伴随着燃料电池车辆的加速或减速的负载变动时的能量缓冲器发挥作用。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。

牵引变换器53例如是利用脉冲宽度调制方式驱动的PWM变换器，根据来自控制器70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是用于驱动车轮56L、56R的电动机(例如三相交流电动机)，构成燃料电池车辆的动力源。

辅机类55是配置于燃料电池系统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、进而各种车载辅机类(例如空气压缩机、喷射器、冷却水循环泵、散热器等)的总称。

冷却系统60具备：用于使在燃料电池组20内部循环的制冷剂流过的制冷剂通路61、62、63、64；用于压送制冷剂的循环泵65；用于在制冷剂和外部气体之间进行热交换的散热器66；用于切换制冷剂的循环路径的三通阀67；及用于检测制冷剂温度的温度传感器74。在预热运转结束后的通常运转时开闭控制三通阀67，以使从燃料电池组20流出的制冷剂流过制冷剂通路61、64而在散热器66被冷却，其后流过制冷剂通路63而再次流入燃料电池组20。另一方面，在系统刚刚起动后的预热运转时开闭控制三通阀67以使从燃料电池组20流出的制冷剂流过制冷剂通路61、62、63而再次流入燃料电池组20。

控制器70是具备CPU、ROM、RAM及输入输出接口等的计算机系统，作为用于控制燃料电池系统10的各部(氧化气体供给系统30、燃料气体供给系统40、电力系统50及冷却系统60)的控制单元起作用。例如，控制器70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、从车速传感器输出的车速信号VC等求出系统整体的要求电力。

系统整体的要求电力是车辆行驶电力和辅机电力的合计值。辅机电力中包含由车载辅机类(加湿器、空气压缩机、氢泵、及冷却水循环泵等)消耗的电力、由车辆行驶所需的装置(变速机、车轮控制装置、转向装置及悬架装置等)消耗的电力、由配置于乘员空间内的装置(空调装置、照明设备及音响等)消耗的电力等。

并且，控制器70决定燃料电池组20和蓄电池52各自的输出电力的分配，计算发电指令值，并且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(要求电力)一致。进而控制器70控制DC/DC转换器51，调整燃料电池组20的输出电压，从而控制燃料电池组20的运转动作点(输出电压、输出电流)。控制器70为了获得与油门开度相对应的目标车速，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至牵引变换器53，控制牵引电动机54的输出转矩及转速。

另外，在本实施方式中，在控制器70的控制下，在规定的时间进行基于低效率运转的恢复运转。在此，所谓低效率运转是指与通常运转相比缩小空气的供给量(例如将空气过剩系数设定在1.0附近)，从而提高发电损失而在较低的发电效率下进行运转。

这样，控制器(运转单元)70增加电极的一部分的过电压而进一步产生热量，从而使燃料电池的温度上升，通过使电极催化剂还原(即通过进行恢复运转)能够使燃料电池组20的IV特性(电特性)恢复，但是频繁地实施所述恢复运转后，燃料电池的IV特性超过需要地改善，产生不能通过二次电池吸收因燃料电池的发电生成的剩余电力等的问题(参照发明内容部分)。对于所述问题参照图2进行说明。

图2是表示恢复运转前后的燃料电池组20的IV特性的图，用实线表示恢复运转前的IV特性，用单点划线表示恢复运转后的IV特性。图2的OC回避目标电压Var是燃料电池组20的上限电压的阈值(例如0.85/单体电池)，在制造出厂时等预先设定。

(恢复运转前的状态)

在恢复运转前，控制器70决定燃料电池组20和蓄电池52各自的输出电力的分配，并且控制氧化气体及燃料气体的供给以使燃料电池组20的发电量与目标电力一致。进而，控制器70控制DC/DC转换器51，调整燃料电池组20的输出电压。由此，运转点(输出电流、输出电压)位于IV特性曲线C 1上(参照图2所示的实线)。

(恢复运转后的状态)

另一方面，恢复运转结束后，燃料电池组20的IV特性改善，IV特性曲线从图2实线所示的IV特性曲线C1移动至IV特性曲线C2。伴随着该IV特性曲线的移动，控制器70即使控制DC/DC转换器51以在恢复运转前后获得相同的输出电流，获得的输出电压也上升。由此，尽管例如在恢复运转前将输出电压设定为OC回避电压Var以下(参照图2所示的运转点(I1，V1))，还是会产生输出电压在恢复运转后超过OC回避电压Var(参照图2所示的运转点(I2，V2))这样的问题。

因此，在本实施方式中，控制器(运转控制单元)70控制恢复运转的执行，以使输出电压即使在恢复运转后也不超过OC回避电压Var。具体而言，控制器(运转控制单元)70根据恢复运转前的输出电压推测恢复运转后的输出电压，控制恢复运转的执行以使推测出的恢复运转后的输出电压不超过OC回避电压(输出电压上限值)Var。例如，如果在恢复运转前，则控制器70如上所述推测恢复运转后的输出电压，判断推测出的输出电压是否超过OC回避电压Var。并且，控制器(运转控制单元、运转单元)70在判断为推测出的输出电压未超过OC回避电压Var时，执行恢复运转。

当然，控制恢复运转的执行的方法不限于该方法，例如也可以是控制器(运转控制单元)70求出恢复运转前的输出电压和OC回避电压Var之间的差分ΔV，仅在求出的差分ΔV为阈值电压以上的情况下进行恢复运转。阈值电压预先通过试验等求出即可。

在此，图3是例示恢复运转前后的燃料电池组20的IV特性和IP特性(输出电流/输出电力特性)之间的关系的图，用实线表示恢复运转前的IV特性及IP特性，用单点划线表示恢复运转后的IV特性及IP特性。图4所示的电力阈值Par表示考虑蓄电池52的容许电力而设定的燃料电池组20的输出电力的上限值。另外，图3所示的OC回避目标电压Var与图2同样表示燃料电池组20的上限电压的阈值。

如图3所示，通过进行恢复运转，燃料电池组20的IP特性(电特性)也改善，IP特性曲线从IP特性曲线C3向IP特性曲线C4移动。在此，比较恢复运转前后的低于OC回避目标电压Var的运转点时，恢复运转后的运转点(I2，V2)的输出电力P02比恢复运转前的运转点(I1，V1)的输出电力P01大。

在此，为了防止向蓄电池(蓄电装置)52的过充电，需要将燃料电池组20的输出电力抑制为低于电力阈值Par，但是IP特性因恢复运转上升，如图3所示，存在恢复运转后的输出电力P02超过电力阈值Par的情况。

因此，在本实施方式中，控制器(运转控制单元)70控制燃料电池组20的恢复运转，以使输出电力不超过电力阈值Par。具体而言，控制器70决定恢复运转的开始时间和停止时间，以使燃料电池组20的输出电力不超过电力阈值Par。进而，控制器70在恢复运转前，为了判断是否可进行恢复运转，推测恢复运转后的IP特性，根据推测出的IP特性求出输出电力的推测值。并且，控制器70在输出电力的推测值低于电力阈值Par的情况下，进行恢复运转，另一方面，在输出电力的推测值为电力阈值Par以上的情况下，禁止恢复运转。因此，可以事先防止由于燃料电池组20的输出电力过大而不能通过蓄电池52吸收剩余电力(即进行向蓄电池52的过充电)这样的问题。控制器70也可以基于例如行驶时间、行驶距离、燃料电池的温度等在规定的时间判断是否可进行恢复运转。

在此，对电力阈值Par的设定方法进行说明，众所周知，蓄电池52的容许电力(即蓄电池52可充电的电力量)根据系统要求电力、从蓄电池52输出的电力等时刻变化。因此，在本实施方式中，利用SOC传感器(检测单元)52a检测蓄电池(蓄电装置)52的充电状态，基于检测出的结果设定/更新电力阈值Par。详述为，控制器(设定单元)70利用SOC传感器52a检测蓄电池52的充电状态，基于检测出的结果设定/更新电力阈值(电力上限值)Par。换言之，控制器70利用SOC传感器52检测蓄电池52的充电状态(SOC)后，根据该检测结果求出蓄电池52的容许电力。并且，控制器(设定单元)70更新电力阈值Par，以满足该系统要求的电力并且使剩余电力处于蓄电池(蓄电装置)52的容许电力内。

如以上说明，根据本实施方式，控制器70根据恢复运转前的输出电压推测恢复运转后的输出电压，控制恢复运转的执行以使推测出的恢复运转后的输出电压不超过OC回避电压Var。由此，能够事先防止在燃料电池组20的输出电压超过OC回避电压Var的状态下进行运转，可提高燃料电池组20的寿命。

进而，控制器70在输出电力的推测值低于电力阈值Par的情况下，进行恢复运转，另一方面在输出电力的推测值为电力阈值Par以上的情况下禁止恢复运转。由此，能够事先防止因燃料电池组20的输出电力过大而不能由蓄电池52吸收剩余电力(即，进行向蓄电池52的过充电)这样的问题。

B.变形例

(1)在以上说明的实施方式中，没有特别说明恢复运转的运转条件，也可以根据设定的电力阈值Par、OC回避电压Var等改变恢复运转的运转条件。具体而言，控制器70根据所设定的电力阈值Par、OC回避电压Var等改变进行恢复运转的时间间隔(例如每隔30秒、每隔4分等)、恢复运转时的燃料电池组20的输出电压(例如0.3V、0.6V等)的运转条件。当然，基于怎样的条件改变与恢复运转相关的参数(时间间隔、输出电压等)可任意设定。

(2)在上述的实施方式中，以在车辆行驶时进行恢复运转的情况为例进行了说明，但系统起动时、停止时、进而间歇运转时进行恢复运转的情况也同样适用。另外，也可以在系统要求电力为规定值以下时(例如空转输出附近等)判断是否可进行恢复运转。

(3)在上述实施方式中，对为了使中毒的电极催化剂的活性再生而进行恢复运转的情况进行了说明，但也可适用于例如低温起动时进行预热运转的情况、系统运转停止前进行急速预热的情况等需要预热运转的所有情况中。

Claims

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：

燃料电池；

运转单元，通过进行恢复运转来使上述燃料电池的电特性改善；及

运转控制单元，控制上述运转单元执行恢复运转，以使恢复运转后的上述燃料电池的输出电压不超过所设定的输出电压上限值，

上述运转控制单元根据恢复运转前的上述燃料电池的输出电压推测恢复运转后的上述燃料电池的输出电压，在推测出的恢复运转后的输出电压超过上述输出电压上限值的情况下，禁止上述运转单元执行恢复运转。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

上述运转控制单元在判断为上述推测出的恢复运转后的输出电压未超过上述输出电压上限值的情况下，允许上述运转单元执行恢复运转。

3.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：

燃料电池；

蓄电装置，连接在上述燃料电池的放电路径上；

运转单元，通过进行恢复运转来使上述燃料电池的电特性改善；

设定单元，考虑上述蓄电装置的容许电力来设定上述燃料电池的电力上限值；及

运转控制单元，控制上述运转单元执行恢复运转，以使恢复运转后的上述燃料电池的输出电力不超过所设定的电力上限值，

上述运转控制单元推测恢复运转后的上述燃料电池的输出电流/输出电力特性，根据推测出的输出电流/输出电力特性求出恢复运转后的上述燃料电池的输出电力的推测值，在恢复运转后的上述燃料电池的输出电力的推测值超过上述电力上限值的情况下，禁止上述运转单元执行恢复运转。

4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，

还具备用于检测上述蓄电装置的充电状态的检测单元，

上述设定单元根据由上述检测单元检测出的上述蓄电装置的充电状态把握上述蓄电装置的容许电力，并考虑所把握的容许电力来设定上述燃料电池的电力上限值。