專利名稱：燃料電池系統(tǒng)、其控制方法及移動(dòng)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種起動(dòng)時(shí)為了預(yù)熱而實(shí)施低效率運(yùn)行的燃料電池系 統(tǒng)的改善。
背景技術(shù)：
燃料電池在冰點(diǎn)以下的低溫環(huán)境中開始運(yùn)行時(shí)，殘留在陰極、陽 極、擴(kuò)散層的水凍結(jié)，會(huì)妨礙氣體流通，或者殘留在高分子電解質(zhì)膜 內(nèi)部的水凍結(jié)，降低質(zhì)子傳導(dǎo)性。因此，在低溫起動(dòng)時(shí)，進(jìn)行完燃料 電池的預(yù)熱運(yùn)行后再切換至高效率運(yùn)行。
在燃料電池的預(yù)熱運(yùn)行中，降低發(fā)電效率并增大自身發(fā)熱量，從
而促進(jìn)預(yù)熱。例如在日本特開2005-174645號(hào)公報(bào)中記載了以下技術(shù) 在降低或切斷提供到燃料電池一部分的氧化劑氣體流量的狀態(tài)下，實(shí) 施燃料電池的預(yù)熱運(yùn)行。根據(jù)該技術(shù)，在氧化劑氣體不足的部分產(chǎn)生 還原反應(yīng)，生成氫并發(fā)熱，從而進(jìn)行積極的升溫(第0013、 0037~0048段)。
并且，在日本特表2003-504807號(hào)公報(bào)中同樣記載了以下技術(shù) 使燃料電池的一部分產(chǎn)生反應(yīng)物不足，增大該部分中的過電壓而使之 發(fā)熱(第0009段)。

發(fā)明內(nèi)容
但是，在現(xiàn)有的實(shí)施低效率運(yùn)行的燃料電池系統(tǒng)中，監(jiān)控燃料電 池的溫度，升溫完成后則停止低效率運(yùn)行(例如日本特開2005-174645 號(hào)公報(bào)第0040段)，但在低效率運(yùn)行時(shí)，如果氧化劑氣體的供給量過 多，則不會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱反應(yīng)，產(chǎn)生過剩的水分，可能妨礙預(yù)熱運(yùn)行。因此，本發(fā)明的目的在于，準(zhǔn)確掌握燃料電池低效率運(yùn)行時(shí)的生 成水量并進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)限制提供到燃料電池 的氣體供給量，實(shí)施低效率運(yùn)行，其特征在于，檢測(cè)出在該低效率運(yùn) 行時(shí)該燃料電池中生成的水分量，根據(jù)所檢測(cè)出的該水分量限制提供 到該燃料電池的氣體供給量。
例如，上述燃料電池系統(tǒng)具有生成水量檢測(cè)單元，檢測(cè)出在上 述低效率運(yùn)行時(shí)上述燃料電池中生成的水分量；和氣體供給限制單元， 根據(jù)檢測(cè)出的上述水分量，限制提供到上述燃料電池的氣體供給量。
根據(jù)上述的構(gòu)成，由于掌握低效率運(yùn)行時(shí)的生成水的生成量，并 據(jù)此限制提供到燃料電池的氣體供給量，因此可抑制因氣體供給量過 多生成過剩的水分而妨礙預(yù)熱運(yùn)行的可能性。
其中，例如上述生成水量檢測(cè)單元具有輸出電流檢測(cè)單元，檢 測(cè)出上述燃料電池的輸出電流；輸出電流積算單元，對(duì)所檢測(cè)出的上 述輸出電流按照各檢測(cè)時(shí)序進(jìn)行積算；和生成水量計(jì)算單元，根據(jù)積 算得出的上述輸出電流推測(cè)生成水量。
根據(jù)上述的構(gòu)成，檢測(cè)出輸出電流，根據(jù)該輸出電流的積分值， 可檢測(cè)出通過電化學(xué)反應(yīng)在起動(dòng)后不久產(chǎn)生的水分的總量。
其中，例如上述氣體供給限制單元具有輸出電壓檢測(cè)單元，檢 測(cè)出上述燃料電池的輸出電壓；溫度檢測(cè)單元，檢測(cè)出上述燃料電池 的溫度；下次電流推測(cè)單元，根據(jù)推測(cè)出的上述生成水量、檢測(cè)出的 該輸出電壓及檢測(cè)出的上述溫度，推測(cè)出預(yù)定時(shí)間后的輸出電流；氣 體流量推測(cè)單元，根據(jù)推測(cè)出的該預(yù)定時(shí)間后的輸出電流，推測(cè)出應(yīng)提供到上述燃料電池的氣體流量；和氣體供給控制單元，將推測(cè)出的 該氣體流量提供到上述燃料電池。
根據(jù)上述的構(gòu)成，根據(jù)按預(yù)定的控制時(shí)序檢測(cè)出的電壓值、溫度 及由生成水量檢測(cè)單元檢測(cè)出的生成水量，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)下一次控制時(shí) 序下的電流量，掌握產(chǎn)生該電流量所需的適當(dāng)氣體供給量，以該供給 量將氣體提供到燃料電池，因此不會(huì)產(chǎn)生過剩的水分，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)?預(yù)熱運(yùn)行。
在本發(fā)明中優(yōu)選的是，根據(jù)上述燃料電池中條件相對(duì)變差的部分 的狀況檢測(cè)出上述水分量。
根據(jù)上述的構(gòu)成，條件易于相對(duì)變差的部分是易于妨礙適當(dāng)?shù)念A(yù) 熱運(yùn)行的部分，因此通過檢測(cè)出該部分的水分量，可更為適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行 預(yù)熱運(yùn)行。
在本發(fā)明中，例如氣體供給限制單元限制陰極氣體的供給。這是 因?yàn)?，通過適當(dāng)限制氧化劑氣體，可進(jìn)行低效率運(yùn)行。
并且，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，限制提供到燃料電池 的氣體供給量，實(shí)施低效率運(yùn)行，其特征在于，具有檢測(cè)出在該低 效率運(yùn)行時(shí)該燃料電池中生成的水分量的步驟；和根據(jù)檢測(cè)出的該水 分量限制提供到該燃料電池的氣體供給量的步驟。
艮P，檢測(cè)上述水分量的步驟具有檢測(cè)出上述燃料電池的輸出電 流的步驟；對(duì)檢測(cè)出的上述輸出電流按照各檢測(cè)時(shí)序進(jìn)行積算的步驟； 和根據(jù)積算得出的上述輸出電流推測(cè)生成水量的步驟。
并且，限制上述氣體供給量的步驟具有檢測(cè)出上述燃料電池的 輸出電壓的步驟；檢測(cè)出上述燃料電池的溫度的步驟；根據(jù)推測(cè)出的
6上述生成水量、檢測(cè)出的該輸出電壓及檢測(cè)出的上述溫度，推測(cè)出預(yù) 定時(shí)間后的輸出電流的步驟；根據(jù)推測(cè)出的該預(yù)定時(shí)間后的輸出電流 推測(cè)出應(yīng)提供到上述燃料電池的氣體流量的步驟；和將推測(cè)出的該氣
體流量提供到上述燃料電池的步驟。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)優(yōu)選搭載于移動(dòng)體。這是因?yàn)椋景l(fā)明適 用于移動(dòng)體在預(yù)熱運(yùn)行時(shí)進(jìn)行的起動(dòng)時(shí)的低效率運(yùn)行。


圖1是本實(shí)施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成圖。
圖2是本實(shí)施方式涉及的起動(dòng)時(shí)的低效率運(yùn)行的功能框圖。 圖3是輸出電流I及生成水量g相對(duì)于起動(dòng)時(shí)的經(jīng)過時(shí)間的關(guān)系 圖(電壓恒定)。
圖4是生成水量g和輸出電流I的關(guān)系圖(溫度恒定)。
圖5是生成水量和輸出電流的關(guān)系圖中的適當(dāng)控制曲線的說明圖。
圖6是本實(shí)施方式涉及的低效率運(yùn)行的處理流程圖。
圖7是變形例中作為氣體限制對(duì)象的單電池的位置的說明圖。
具體實(shí)施例方式
接著，說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
圖1是應(yīng)用了本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成圖。
在圖1中，燃料電池系統(tǒng)10由以下部分構(gòu)成燃料氣體供給系統(tǒng) 4，用于向燃料電池20提供燃料氣體(氫氣)；氧化氣體供給系統(tǒng)7， 用于向燃料電池20提供氧氣(空氣)；冷卻系統(tǒng)3，用于冷卻燃料電 池20;以及電力系統(tǒng)9，對(duì)來自燃料電池20的發(fā)電電力進(jìn)行充電、放 電。燃料電池20具有膜-電極結(jié)合體24，其如下形成通過絲網(wǎng)印刷 等在由氟類樹脂等形成的質(zhì)子傳導(dǎo)性的離子交換膜等構(gòu)成的高分子電
解質(zhì)膜21的兩個(gè)面上形成陽極22和陰極23。膜-電極結(jié)合體24的兩 個(gè)面被具有燃料氣體、氧化氣體、冷卻水的流路的隔板(未圖示)夾 持，在該隔板與陽極22及陰極23之間分別形成槽狀的陽極氣體通道 25及陰極氣體通道26。陽極22通過將燃料極用催化劑層設(shè)置在多孔 質(zhì)支撐層上而構(gòu)成，陰極23通過將空氣極用催化劑層設(shè)置在多孔質(zhì)支 撐層上而構(gòu)成。這些電極的催化劑層例如附著鉑粒子而構(gòu)成。
陽極22中，產(chǎn)生下述式子(1)的氧化反應(yīng)；在陰極23中，產(chǎn)生 下述式子(2)的還原反應(yīng)。作為燃料電池20的整體，產(chǎn)生下述式子 (3)的起電反應(yīng)。
h2—2H++2e— …(1)
(1/2) 02 + 2h++2 e-—h20 …(2) h2+ (1/2) 02—h20 ... (3)
此外，在圖1中，為了便于說明，示意性地圖示了由膜-電極結(jié)合 體24、陽極氣體通道25及陰極氣體通道26構(gòu)成的單位電池的構(gòu)造， 實(shí)際上具有通過上述隔板使多個(gè)單位電池串聯(lián)的層疊構(gòu)造。
燃料電池系統(tǒng)10的冷卻液供給系統(tǒng)3中設(shè)有冷卻路徑31，使 冷卻液循環(huán)；溫度傳感器32，檢測(cè)從燃料電池20排出的冷卻液的溫度； 散熱器(熱交換器)33，將冷卻液的熱量散放到外部；閥34，調(diào)整流 入到散熱器33的冷卻液的水量；冷卻液泵35，對(duì)冷卻液進(jìn)行加壓并使 冷卻液進(jìn)行循環(huán)；檢測(cè)提供到燃料電池20的冷卻液的溫度的溫度傳感 器36等。
燃料電池系統(tǒng)10的燃料氣體供給系統(tǒng)4中配置有燃料氣體流路 40，用于把來自燃料氣體供給裝置42的燃料氣體(陽極氣體)例如氫 氣提供到陽極氣體通道25;循環(huán)流路(循環(huán)路徑)51，使從陽極氣體通道25排出的燃料廢氣在燃料氣體流路40中循環(huán)。通過這些氣體流 路構(gòu)成燃料氣體循環(huán)系統(tǒng)。
燃料氣體流路40中設(shè)有截止閥43 (總閥)，控制來自燃料氣 體供給裝置42的燃料氣體流出；壓力傳感器44，檢測(cè)燃料氣體的壓力； 調(diào)整閥45，調(diào)整循環(huán)流路51的燃料氣體壓力；以及截止閥46，控制 提供到燃料電池20的燃料氣體供給。燃料氣體供給裝置42例如由高 壓氫罐、儲(chǔ)氫合金、重整器等構(gòu)成。
循環(huán)流路51中設(shè)有截止閥52，控制從燃料電池20到循環(huán)流路 51的燃料廢氣供給；氣液分離器53及排出閥54，去除燃料廢氣中含 有的水分；氫泵(循環(huán)泵)55，對(duì)在通過陽極氣體通道25時(shí)受到壓力 損失的燃料廢氣進(jìn)行壓縮而使其升壓為適度的氣體壓力，并使其回流 到燃料氣體流路40;以及逆流阻止閥56，防止燃料氣體流路40的燃 料氣體逆流到循環(huán)流路51 —側(cè)。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)氫泵55，氫泵55的驅(qū)動(dòng) 產(chǎn)生的燃料廢氣在燃料氣體流路40中與由燃料氣體供給裝置42提供 的燃料氣體合流后，被提供到燃料電池20而進(jìn)行再利用。此外，氫泵 55中設(shè)有用于檢測(cè)氫泵55的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器57 (未圖示)。
并且，循環(huán)流路51中分支地配置有排氣路徑61，用于將從燃料 電池20排出的燃料廢氣通過稀釋器(例如氫濃度降低裝置)64排出到 車外。排氣路徑61中設(shè)有排氣閥63，可進(jìn)行燃料廢氣的排氣控制。通 過開關(guān)排氣閥63，在燃料電池20內(nèi)反復(fù)進(jìn)行循環(huán)，將雜質(zhì)濃度增加的 燃料廢氣排出到外部，導(dǎo)入新的燃料氣體，以防止電池電壓的下降。 并且，還可以在循環(huán)流路51的內(nèi)壓中產(chǎn)生脈動(dòng)，以去除蓄積在氣體流 路中的水分。
另一方面，燃料電池系統(tǒng)10的氧化氣體供給系統(tǒng)7中配置有氧 化氣體流路71，用于向陰極氣體通道26提供氧化氣體(陰極氣體)； 和陰極廢氣流路72，用于排出從陰極氣體通道26排出的陰極廢氣。氧
9化氣體流路71中設(shè)有空氣濾清器74，從大氣中導(dǎo)入空氣；空氣壓縮 器75，對(duì)所導(dǎo)入的空氣進(jìn)行壓縮，并將壓縮后的空氣作為氧化劑氣體
輸送給陰極氣體通道26?？諝鈮嚎s器75中設(shè)有轉(zhuǎn)速傳感器73 (未圖 示)，用于檢測(cè)空氣壓縮器75的轉(zhuǎn)速。在氧化氣體流路71和陰極廢 氣流路72之間設(shè)有進(jìn)行濕度交換的加濕器76。陰極廢氣流路72中設(shè) 有調(diào)壓閥77，調(diào)整陰極廢氣流路72的排氣壓力；氣液分離器78， 去除陰極廢氣中的水分；以及消音器79，吸收陰極廢氣的排氣噪聲。 從氣液分離器78排出的陰極廢氣被分流， 一部分流入到稀釋器62，與 滯留在稀釋器62內(nèi)的燃料廢氣混合稀釋，并且分流的其他陰極廢氣被 消音器79吸聲，與通過稀釋器62混合稀釋的氣體混合，并排出到車 外。
并且，燃料電池系統(tǒng)10的電力系統(tǒng)9中連接有DC-DC轉(zhuǎn)換器 90，蓄電池91的輸出端子連接到其一次側(cè)，燃料電池20的輸出端子 連接到其二次側(cè)；蓄電池91，作為二次電池，對(duì)剩余電力、再生電力 進(jìn)行蓄電；蓄電池計(jì)算機(jī)92，監(jiān)控蓄電池91的充電狀況；逆變器93， 向作為燃料電池20的負(fù)載或驅(qū)動(dòng)對(duì)象的車輛行駛用電機(jī)94提供交流 電；逆變器95，向燃料電池系統(tǒng)10的各種高壓輔機(jī)96提供交流電； 電壓傳感器97，測(cè)定燃料電池20的輸出電壓；以及電流傳感器98， 測(cè)定輸出電流。
DC-DC轉(zhuǎn)換器90將對(duì)燃料電池20的剩余電力或通過對(duì)車輛行駛 用電機(jī)94的制動(dòng)動(dòng)作所產(chǎn)生的再生電力進(jìn)行電壓變換，并提供給蓄電 池91而進(jìn)行充電。并且，為了填充燃料電池20的發(fā)電電力相對(duì)于車 輛行駛用電機(jī)94的要求電力的不足部分，DC-DC轉(zhuǎn)換器90對(duì)來自蓄 電池91的放電電力進(jìn)行電壓變換并輸出到二次側(cè)。
逆變器93及95將直流電流變換為三相交流電流，并分別輸出到 車輛行駛用電機(jī)94及高壓輔機(jī)96。車輛行駛用電機(jī)94上設(shè)有檢測(cè)電 機(jī)94的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器99 (未圖示)。電機(jī)94通過差速器與車輪100機(jī)械結(jié)合，從而可將電機(jī)94的旋轉(zhuǎn)力變換為車輛的推進(jìn)力。
電壓傳感器97及電流傳感器98，根據(jù)與電力系統(tǒng)中的重疊交流 信號(hào)的電壓對(duì)應(yīng)的電流的相位和振幅來測(cè)定交流阻抗。交流阻抗對(duì)應(yīng) 于燃料電池20的含水量。
進(jìn)一步，燃料電池系統(tǒng)10中還設(shè)有用于控制燃料電池12的發(fā)電 的控制部80。
控制部80例如由具有CPU (中央處理裝置)、RAM、 ROM、接 口電路等的通用計(jì)算機(jī)構(gòu)成，讀入來自溫度傳感器32、 36、壓力傳感 器44、轉(zhuǎn)速傳感器57、 73、 99的傳感器信號(hào)以及來自電壓傳感器97、 電流傳感器98、點(diǎn)火開關(guān)82的信號(hào)，根據(jù)電池運(yùn)行的狀態(tài)、例如電力 負(fù)載來驅(qū)動(dòng)各電機(jī)，調(diào)整氫泵55及空氣壓縮器5的轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步進(jìn)行 各種閩的開關(guān)控制或閥開度的調(diào)整等。
并且，在燃料電池20停止運(yùn)行時(shí)進(jìn)行掃氣處理之際，控制部80 選擇氫泵55和/或空氣壓縮器75，作為對(duì)燃料電池20提供掃氣氣體例 如氫氣、氫氣的掃氣氣體供給單元(輔機(jī)類)，并控制氫泵55和/或空 氣壓縮器75的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速X驅(qū)動(dòng)時(shí)間。
因此，控制部80具有以下功能在起動(dòng)時(shí)實(shí)施低效率運(yùn)行，實(shí)施 燃料電池20的預(yù)熱運(yùn)行。具體而言，限制來自氧化氣體供給系統(tǒng)7的 氧化氣體的供給量，對(duì)燃料電池20的單電池造成氧化氣體不足的狀態(tài)， 通過抑制發(fā)電的電流量及生成的水分量而發(fā)熱，以促進(jìn)預(yù)熱。
尤其是在本實(shí)施方式中，控制部80檢測(cè)出在燃料電池20中生成 的水分量，根據(jù)檢測(cè)出的水分量決定應(yīng)提供的氧化氣體量，進(jìn)行氧化 氣體供給控制。(動(dòng)作原理的說明) 以下說明本發(fā)明涉及的動(dòng)作。
首先，說明本實(shí)施方式中的燃料電池的生成水量的檢測(cè)及用于掃 氣的氧化氣體量的決定方法。
該燃料電池系統(tǒng)10中，在燃料電池起動(dòng)時(shí)，抑制氧化氣體的供給 量，進(jìn)行增大發(fā)熱量的預(yù)熱運(yùn)行。此時(shí)，當(dāng)在低效率運(yùn)行中氧化氣體 的供給量過多時(shí)，不產(chǎn)生發(fā)熱反應(yīng)，產(chǎn)生過剩的水分，可能會(huì)妨礙預(yù) 熱運(yùn)行。因此，在本實(shí)施方式中，如下所述，準(zhǔn)確檢測(cè)出生成水的量， 并提供適當(dāng)?shù)难趸瘹怏w。
圖3表示在冰點(diǎn)以下的環(huán)境中起動(dòng)時(shí)的輸出電流I及生成水量g 相對(duì)于經(jīng)過時(shí)間的關(guān)系圖。該圖是假設(shè)燃料電池20的輸出電壓恒定為Vc、燃料電池20的溫度恒定時(shí)的特性。
如圖3的低溫輸出電流特性fl所示，當(dāng)起動(dòng)燃料電池時(shí)，在陰極 23中產(chǎn)生上述式子(2)的反應(yīng)，生成了水。但是當(dāng)剛剛起動(dòng)后的溫度 為冰點(diǎn)以下的溫度時(shí)，生成水經(jīng)過較短的時(shí)間后(時(shí)刻tf)，開始凍結(jié)。 當(dāng)生成水凍結(jié)后，妨礙氣體流通，高分子電解質(zhì)膜21中的質(zhì)子傳導(dǎo)性 下降。因此，雖然生成水量的總量以凍結(jié)開始時(shí)刻tf為界而增加，但 大部分凍結(jié)，輸出電壓特性fl逐漸下降。
此時(shí)，如生成水量特性f2所示，生成水量g隨著時(shí)間的經(jīng)過而增 加。由于根據(jù)上述式子(2)生成水分，所以處于相對(duì)二個(gè)電子生成一 個(gè)水分子(分子量18)的關(guān)系。因此，設(shè)Jl為開始發(fā)電后的總電流量 (電荷量)、F為法拉第常數(shù)、M (H20)為水分子量，則生成水量g 可通過公式(4)進(jìn)行計(jì)算
生成水量g二 (J"IXM (H20) ) /2F …(4)因此，監(jiān)控如圖3的低溫輸出電流特性fl 一樣變化的每單位時(shí)間 的電流量I，計(jì)算積分值JI，并代入到公式(4)，從而可檢測(cè)出生成 水量特定f2所示的生成水量g。
在本實(shí)施方式中，可根據(jù)燃料電池20的電流傳感器98的檢測(cè)信
號(hào)計(jì)測(cè)出電流量I。因此，控制部80如下動(dòng)作每隔單位時(shí)間計(jì)測(cè)電
流量I，計(jì)算積分值Jl并進(jìn)行更新，同時(shí)檢測(cè)出根據(jù)公式(4)每單位 時(shí)間的生成水量g。
圖4是表示低溫起動(dòng)時(shí)的生成水量g和輸出電流I的關(guān)系圖。該 圖是燃料電池20的溫度恒定為Tc時(shí)的特性。
如圖4的低溫生成水-電流特性f3所示，雖然低溫起動(dòng)初期，隨著 電流量I的增加，水分的生成量也增加，但是當(dāng)經(jīng)過一定時(shí)間后，生成 水凍結(jié)，妨礙氣體流通，因此電流量I下降，在基本不進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng) 的階段時(shí)，電流變?yōu)榱恪?br> 其中，可根據(jù)燃料電池的輸出電壓V、燃料電池的溫度T及生成 水量g推測(cè)出電流量。SP，設(shè)某一時(shí)刻t的燃料電池的輸出電壓為Vt、 燃料電池的溫度為Tt、此時(shí)的生成水量為gt時(shí)，可根據(jù)公式(5)推導(dǎo) 出將來的某一時(shí)刻t+l的電流量11+1。
<formula>formula see original document page 13</formula> ... (5)
在本實(shí)施方式中，燃料電池20的輸出電壓V可根據(jù)電壓傳感器 97的檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)出，燃料電池20的溫度T可根據(jù)溫度傳感器32的 檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)出。并且，可根據(jù)上述公式(4)檢測(cè)出生成水量g。因 此，控制部80如下動(dòng)作每隔單位時(shí)間計(jì)測(cè)燃料電池20的輸出電壓V 及溫度T，將該輸出電壓V、溫度T及根據(jù)公式(4)檢測(cè)出的生成水 量g代入到公式(5)中，預(yù)測(cè)將來的下一單位時(shí)間后的電流量Itw。此外，可通過測(cè)定等掌握以輸出電壓V、溫度T及生成水量g作 為參數(shù)時(shí)的電流量I?？刂撇?0將這四個(gè)參數(shù)的相互關(guān)系作為存儲(chǔ)表 進(jìn)行存儲(chǔ)。
圖5表示在生成水量g和發(fā)熱量Q的關(guān)系中，生成水-發(fā)熱量特性 如何對(duì)應(yīng)綜合發(fā)熱量進(jìn)行變化。該圖表示燃料電池20的溫度為冰點(diǎn)以 下時(shí)的特性。
由于燃料電池中的發(fā)熱量Q與電流量I對(duì)應(yīng)，因此圖5的生成水-發(fā)熱量特性曲線表示與圖4所示的生成水-電流量特性曲線近似的特 性。具有所提供的氣體流量越小，發(fā)熱量越多的傾向。曲線f5的生成 水-發(fā)熱量特性表示出燃料電池在溫度T時(shí)，可無障礙地產(chǎn)生的最大 熱量為Qmax (例如空氣理想配比=1)。當(dāng)在該最大熱量Qmax以上 時(shí)，對(duì)燃料電池產(chǎn)生影響，因而不理想；相反，與Qmax相比發(fā)熱量越 小，則變?yōu)椴环项A(yù)熱運(yùn)行目的的運(yùn)行狀態(tài)。
例如，圖5中的曲線f7是氣體流量過多導(dǎo)致發(fā)熱量比最大發(fā)熱量 Qmax大幅度減小、不適于預(yù)熱運(yùn)行的條件下的運(yùn)行特性。曲線f4表 示氣體過少導(dǎo)致發(fā)熱量超過容許發(fā)熱量Qmax、有可能因高溫導(dǎo)致燃料 電池的電解質(zhì)膜等部件老化的區(qū)域，這也是不適于預(yù)熱運(yùn)行的條件。
與之相對(duì)，由于距產(chǎn)生最大發(fā)熱量Qmax的曲線f5規(guī)定距離的、 以曲線傷為中心的一定范圍(由兩條虛線夾住的箭頭所示的范圍)被 控制在最大發(fā)熱量Qmax的附近，因此不會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱量過多而對(duì)燃料電 池造成不良影響的情況，或者發(fā)熱量過少導(dǎo)致預(yù)熱不充分的情況，可 以說是最佳的發(fā)熱量范圍。在本實(shí)施方式中，控制部80控制系統(tǒng)整體、 具體而言控制氧化氣體(空氣)的供給量，以將生成水-發(fā)熱量特性維 持在以該曲線f6為中心的最佳范圍內(nèi)。
艮P，為了進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱運(yùn)行，必須進(jìn)行控制，使相對(duì)于生成水
14量g的電流量I為最佳范圍，為此需要控制氣體流量，具體而言，需要 進(jìn)行控制，從而將提供到燃料電池的陰極的氧化氣體流量控制在適當(dāng) 的范圍內(nèi)來供給。因此，在本實(shí)施方式中，控制部80調(diào)整提供到燃料 電池20的陰極23的氧化氣體流量q，以使通過公式(5)計(jì)算出的將
來的電流量相對(duì)于生成水量g維持在適當(dāng)?shù)姆秶?。具體而言，根據(jù)用
于驅(qū)動(dòng)壓縮器75的控制信號(hào)所指示的壓縮器的轉(zhuǎn)速來調(diào)整氧化氣體流
此外，為了相對(duì)生成水量g進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱運(yùn)行，最佳范圍的電 流量I由控制部80作為存儲(chǔ)表進(jìn)行存儲(chǔ)。并且，所提供的氧化氣體流 量和由燃料電池20發(fā)電產(chǎn)生的電流量I的關(guān)系也由控制部80作為存儲(chǔ) 表進(jìn)行存儲(chǔ)。
(功能塊的說明) 基于上述原理的動(dòng)作由以下功能塊實(shí)現(xiàn)。
圖2表示以控制部80為中心實(shí)現(xiàn)的起動(dòng)時(shí)的低效率運(yùn)行之際的功 能框圖。如圖2所示，在起動(dòng)時(shí)的低效率運(yùn)行之際，該燃料電池系統(tǒng) 10具有生成水量檢測(cè)單元101及氣體供給限制單元102。
生成水量檢測(cè)單元101檢測(cè)出在低效率運(yùn)行時(shí)燃料電池20中生成 的生成水量g。氣體供給限制單元102根據(jù)所檢測(cè)出的生成水量g，限 制提供到燃料電池20的氧化氣體供給量q。氣體供給控制按照預(yù)定的 控制時(shí)序進(jìn)行。例如，在時(shí)刻t進(jìn)行的氣體供給控制根據(jù)時(shí)刻t的系統(tǒng) 的狀態(tài)值，決定作為下一次控制時(shí)序的時(shí)刻t+l的氧化氣體供給量q。
具體而言，生成水量檢測(cè)單元101具有輸出電流檢測(cè)單元1011、 輸出電流積算單元1012及生成水量計(jì)算單元1013。
輸出電流檢測(cè)單元1011用于檢測(cè)時(shí)刻t的燃料電池20的輸出電流It，相當(dāng)于電流傳感器98及根據(jù)電流傳感器98的檢測(cè)信號(hào)掌握電流
量的控制部80。輸出電流積算單元1012將所檢測(cè)出的輸出電流It從開
始低效率運(yùn)行時(shí)按照各檢測(cè)時(shí)序進(jìn)行積算，并輸出積分值JI，控制部
80的內(nèi)部存儲(chǔ)器和控制部80對(duì)應(yīng)。生成水量計(jì)算單元1013根據(jù)積算 得出的輸出電流JI，推測(cè)出時(shí)刻t下的生成水量gt，相當(dāng)于控制部80。
并且，氣體供給限制單元102具有輸出電壓檢測(cè)單元1021、溫 度檢測(cè)單元1022、下次電流推測(cè)單元1023、氣體流量推測(cè)單元1024 及氣體供給控制單元1025。
輸出電壓檢測(cè)單元1021用于檢測(cè)時(shí)刻t的燃料電池20的輸出電 壓Vt，相當(dāng)于電壓傳感器97及根據(jù)電壓傳感器97的檢測(cè)信號(hào)掌握電 壓量的控制部80。溫度檢測(cè)單元1022用于檢測(cè)時(shí)刻t的燃料電池20 的溫度Tt，相當(dāng)于溫度傳感器32及根據(jù)溫度傳感器32的檢測(cè)信號(hào)掌 握溫度的控制部80。下次電流推測(cè)單元1023根據(jù)所推測(cè)出的生成水量 gt、檢測(cè)出的輸出電壓Vt及檢測(cè)出的溫度Tt來推測(cè)預(yù)定時(shí)刻t+l的輸 出電流It+1，相當(dāng)于控制部80。氣體流量推測(cè)單元1024根據(jù)所推測(cè)出 的預(yù)定時(shí)間t+l的輸出電流11+1來推測(cè)應(yīng)提供到燃料電池20的氣體流 量Qt+p相當(dāng)于控制部80。氣體供給控制單元1025用于將所推測(cè)出的 氣體流量Qw提供到燃料電池20，相當(dāng)于控制部80和以由控制部80 控制下的轉(zhuǎn)速提供氧化氣體的壓縮器75。
(動(dòng)作步驟的說明) 接著，根據(jù)圖6的流程圖說明本實(shí)施方式的低效率運(yùn)行的動(dòng)作。 該流程圖按預(yù)定的控制時(shí)序執(zhí)行。以下是在時(shí)刻t的控制時(shí)序中通過計(jì) 測(cè)系統(tǒng)各部分的狀態(tài)來推測(cè)作為下次控制時(shí)序的時(shí)刻t+l的氧化氣體 供給量的前饋控制處理的示例。
在步驟S10中，控制部80在時(shí)刻t參照溫度傳感器32等的檢測(cè) 信號(hào)，計(jì)測(cè)燃料電池20的內(nèi)部溫度Tt。由溫度傳感器32所示的溫度的冷卻液的溫度，成為燃料電池20的平均 溫度。
在步驟Sll中，控制部80檢査所檢測(cè)出的燃料電池20的溫度Tt 是否為冰點(diǎn)以下。當(dāng)檢查的結(jié)果是燃料電池20的溫度Tt大于冰點(diǎn)時(shí) (NO)，判斷是無需對(duì)燃料電池20進(jìn)行預(yù)熱的溫度，結(jié)束該預(yù)熱運(yùn)行 的處理。而當(dāng)燃料電池20的溫度Tt在冰點(diǎn)以下時(shí)(YES)，控制部 80判斷需要對(duì)燃料電池20進(jìn)行預(yù)熱，即需要低效率運(yùn)行，前進(jìn)到步驟 S12。
在步驟S12中，由控制部80實(shí)現(xiàn)的生成水量檢測(cè)單元101的輸出 電流檢測(cè)單元1011參照電流傳感器98的檢測(cè)信號(hào)，檢測(cè)出時(shí)刻t的燃 料電池20的輸出電流量It并存儲(chǔ)。前進(jìn)到步驟S13，電流積算單元1012 將此次測(cè)定的電流量It進(jìn)一步積算到上一次控制時(shí)序以前積算得出的 總電流量，計(jì)算從開始預(yù)熱運(yùn)行到時(shí)刻t為止的總電流量Jl、即電荷 量。計(jì)算出的總電流量存儲(chǔ)起來，用于下次積算。
前進(jìn)到步驟S14，生成水量計(jì)算單元1013將更新后的總電流量J I代入到上述公式(4)，計(jì)算時(shí)刻t的生成水量gt。所檢測(cè)出的生成水 量gt被傳送到氣體供給限制單元102，以用于推測(cè)氧化氣體供給量qw。
前進(jìn)到步驟S15，氣體供給限制單元102的輸出電壓檢測(cè)單元1021 參照電壓傳感器97的檢測(cè)信號(hào)，檢測(cè)出時(shí)刻t的燃料電池20的輸出電 壓量Vt。并且，溫度檢測(cè)單元1022參照溫度傳感器32的檢測(cè)信號(hào)， 檢測(cè)出燃料電池20在時(shí)刻t的溫度Tt。
此外，雖然在此根據(jù)溫度傳感器32的檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)出燃料電池 20的溫度，但由于在步驟S10中已經(jīng)檢測(cè)出燃料電池20的溫度Tt， 因此也可使用該值。但在為了推測(cè)電流而檢測(cè)特定單電池的溫度的結(jié) 構(gòu)中，在該步驟S15中將該特定單電池的溫度作為Tt檢測(cè)出來。
17在步驟S16中，下次電流推測(cè)單元1023根據(jù)時(shí)刻t的輸出電壓 Vt、溫度Tt及由生成水量檢測(cè)單元101提供的生成水量gt，并根據(jù)上 述公式(5)檢測(cè)作為下一控制時(shí)序的時(shí)刻t+l的電流量Im。 S卩，下次 電流推測(cè)單元1023將這三個(gè)參數(shù)作為參照值，參照內(nèi)部的存儲(chǔ)表，將 由這些參數(shù)確定的一個(gè)電流值確定為下次的電流量11+1。
接著，在步驟S17中，氣體流量推測(cè)單元1024進(jìn)行計(jì)算，以推測(cè) 出用于使燃料電池20以輸出電流量Itw進(jìn)行發(fā)電的適當(dāng)氧化氣體流量 qt+1。即，參照內(nèi)部的存儲(chǔ)表，決定以下一次控制時(shí)序下的電流值It+1 發(fā)電所需的氧化氣體流量qt+1。
前進(jìn)到步驟S18，氣體供給控制單元1025計(jì)算用于提供氧化氣體 流量qt+1的壓縮器75的轉(zhuǎn)速，將以該轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)的控制信號(hào)提供到壓縮 器75。此外，該轉(zhuǎn)速是到時(shí)刻t+1為止要提供氧化氣體流量qt+1的轉(zhuǎn)速。
通過以上動(dòng)作，在時(shí)刻t，推測(cè)出作為下一次控制時(shí)序的時(shí)刻t+l 的適當(dāng)?shù)难趸瘹怏w流量qt+1，實(shí)際上壓縮器75被驅(qū)動(dòng)，因此在時(shí)刻t+l， 變?yōu)檫m當(dāng)?shù)难趸瘹怏w流量qw被提供的狀態(tài)。因此，燃料電池20的輸 出電流I通過該前饋控制維持在最佳范圍。
根據(jù)本實(shí)施方式，在時(shí)刻t，掌握低效率運(yùn)行時(shí)的生成水量gt，并 據(jù)此限制下一次控制時(shí)序(時(shí)刻t+1)下對(duì)燃料電池20提供的氣體供 給量qw，因此可抑制因氣體供給量過多而產(chǎn)生過剩水分，以致妨礙預(yù) 熱運(yùn)行的情況。
并且，根據(jù)本實(shí)施方式，根據(jù)在時(shí)刻t的控制時(shí)序下檢測(cè)出的電 壓值Vt、溫度Tt及生成水量gt，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)下次控制時(shí)序(時(shí)刻t+l) 下的電流量It+P掌握產(chǎn)生該電流量的適當(dāng)?shù)臍怏w供給量qm，以該供 給量向燃料電池20提供氧化氣體，因此可進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱運(yùn)行而不會(huì)
18產(chǎn)生過剩水分。 (變形例)
本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，可進(jìn)行各種變形并加以應(yīng)用。 在上述實(shí)施方式中，作為燃料電池20的溫度，通過溫度傳感器
32檢測(cè)出冷卻液的燃料電池出口溫度，但不限于此。例如，如上述實(shí)
施方式所示，當(dāng)將用于檢測(cè)生成水量的溫度作為冷卻液的溫度時(shí)，根 據(jù)燃料電池的平均溫度檢測(cè)出生成水量，但也可檢測(cè)出燃料電池的特 定部位的溫度。在層疊多個(gè)單電池而成的燃料電池中，根據(jù)單電池的 位置，相對(duì)地?zé)崃恳咨l(fā)或生成水量易變多。因此，如果在推測(cè)氣體 流量的基礎(chǔ)上，確定相對(duì)存在不利傾向的單電池、例如熱量易散發(fā)而 變?yōu)榈蜏氐膯坞姵鼗蛏伤康呐懦鲂实偷膯坞姵?，檢測(cè)出該單電 池中的溫度、水分量，進(jìn)行氧化氣體流量控制，則可進(jìn)行與相對(duì)較差 的條件對(duì)應(yīng)的控制。
圖7中，在燃料電池20中用斜線表示條件相對(duì)易于變差的單電池 的位置。如圖7所示，在位于端部的單電池中，熱量易散發(fā)。這種情 況下，將位于端部的一個(gè)或多個(gè)單電池確定為系統(tǒng)狀態(tài)的檢測(cè)對(duì)象單 電池(組)，測(cè)定這些單電池(組)的溫度T、電流A、電壓V，可進(jìn) 行生成水量的檢測(cè)、氧化氣體流量的推測(cè)。
當(dāng)選擇兩端的單電池(組)作為系統(tǒng)狀態(tài)的檢測(cè)對(duì)象時(shí)，從氧化 氣體流量控制的角度出發(fā)，優(yōu)選根據(jù)任意一個(gè)較差(例如溫度較低) 的單電池(組)的檢測(cè)值來推測(cè)氧化氣體流量。
這樣處理時(shí)，可防止根據(jù)平均溫度和生成水量推測(cè)出的氧化氣體 流量不適當(dāng)?shù)摹l件較差的單電池中產(chǎn)生問題。
根據(jù)本發(fā)明，由于具有生成水量檢測(cè)單元，可準(zhǔn)確掌握燃料電池在低效率運(yùn)行時(shí)的生成水量，因此可抑制生成水過多妨礙預(yù)熱運(yùn)行的 情況，同時(shí)可在最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱運(yùn)行。
此外，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)除了可適用于固定型的燃料電池外， 也可作為移動(dòng)體的動(dòng)力源進(jìn)行搭載。在移動(dòng)體中， 一般情況下是在起 動(dòng)時(shí)等溫度相對(duì)較低的狀態(tài)下進(jìn)行預(yù)熱運(yùn)行，這是因?yàn)椋?dāng)動(dòng)力源為 燃料電池時(shí)實(shí)施低效率運(yùn)行，在該低效率運(yùn)行時(shí)可適用本發(fā)明。作為 移動(dòng)體，包括汽車、摩托車等陸地移動(dòng)裝置，飛機(jī)、直升機(jī)、宇宙飛 船等航空移動(dòng)裝置，船舶、潛水艇等海上移動(dòng)裝置。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，限制提供到燃料電池的氣體供給量，實(shí)施低效率運(yùn)行，其特征在于，檢測(cè)出在該低效率運(yùn)行時(shí)該燃料電池中生成的水分量，根據(jù)所檢測(cè)出的該水分量限制提供到該燃料電池的氣體供給量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其具有 生成水量檢測(cè)單元，檢測(cè)出在上述低效率運(yùn)行時(shí)上述燃料電池中生成的水分量；和氣體供給限制單元，根據(jù)所檢測(cè)出的上述水分量限制提供到上述 燃料電池的氣體供給量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，上述生成水量檢測(cè)單元 具有輸出電流檢測(cè)單元，檢測(cè)出上述燃料電池的輸出電流； 輸出電流積算單元，對(duì)所檢測(cè)出的上述輸出電流按照各檢測(cè)時(shí)序 進(jìn)行積算；生成水量計(jì)算單元，根據(jù)積算得出的上述輸出電流推測(cè)生成水量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，上述氣體供給限制單元 具有輸出電壓檢測(cè)單元，檢測(cè)出上述燃料電池的輸出電壓；溫度檢測(cè)單元，檢測(cè)出上述燃料電池的溫度；下次電流推測(cè)單元，根據(jù)所檢測(cè)出的上述水分量、所檢測(cè)出的該 輸出電壓及所檢測(cè)出的上述溫度，推測(cè)預(yù)定時(shí)間后的輸出電流；氣體流量推測(cè)單元，根據(jù)所推測(cè)出的該預(yù)定時(shí)間后的輸出電流， 推測(cè)應(yīng)提供到上述燃料電池的氣體流量；和氣體供給控制單元，將所推測(cè)出的該氣體流量提供到上述燃料電
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，根據(jù)上述燃料電池中條 件相對(duì)變差的部分的狀況檢測(cè)出上述水分量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，上述氣體供給限制單元 限制陰極氣體的供給。
7. —種燃料電池系統(tǒng)的控制方法，限制提供到燃料電池的氣體供給量，實(shí)施低效率運(yùn)行，其特征在于，其具有檢測(cè)出在該低效率運(yùn)行時(shí)該燃料電池中生成的水分量的步驟；和 根據(jù)所檢測(cè)出的該水分量限制提供到該燃料電池的氣體供給量的步驟。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，檢測(cè)出上述 水分量的步驟具有-檢測(cè)出上述燃料電池的輸出電流的步驟；對(duì)所檢測(cè)出的上述輸出電流按照各檢測(cè)時(shí)序進(jìn)行積算的步驟；和 根據(jù)積算得出的上述輸出電流推測(cè)生成水量的步驟。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，限制上述氣 體供給量的步驟具有檢測(cè)出上述燃料電池的輸出電壓的步驟； 檢測(cè)出上述燃料電池的溫度的步驟；根據(jù)所檢測(cè)出的上述水分量、所檢測(cè)出的該輸出電壓及所檢測(cè)出 的上述溫度，推測(cè)出預(yù)定時(shí)間后的輸出電流的步驟；根據(jù)所推測(cè)出的該預(yù)定時(shí)間后的輸出電流推測(cè)應(yīng)提供到上述燃料 電池的氣體流量的步驟；和將所推測(cè)出的該氣體流量提供到上述燃料電池的步驟。
10. —種移動(dòng)體，搭載有權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)、其控制方法及移動(dòng)體，其中，燃料電池系統(tǒng)(10)具有生成水量檢測(cè)單元(101)，檢測(cè)出在燃料電池系統(tǒng)(10)低效率運(yùn)行時(shí)燃料電池(20)中生成的水分量gt；和氣體供給限制單元(102)，根據(jù)所檢測(cè)出的水分量gt限制提供到燃料電池(20)的氣體供給量q_t+1。由于具有生成水量檢測(cè)單元(101)，因此可準(zhǔn)確掌握燃料電池低效率運(yùn)行時(shí)的生成水量，以進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，并可抑制因生成水過多而妨礙預(yù)熱運(yùn)行的情況的發(fā)生。由此，可準(zhǔn)確掌握燃料電池低效率運(yùn)行時(shí)的生成水量，以進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101496210SQ200780028250
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2007年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月12日
發(fā)明者手島剛 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社