專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)， 的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池、 電力分配部。
其具有通過燃料氣體和氧化氣體 氧化氣體供給部、二次電池以及
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)具有燃料氣體，例如含氫的氣體；燃料電池，通 過與氧化氣體、例如與空氣的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電；向燃料電池供給 氧化氣體的空氣壓縮機(jī)等氧化氣體供給部；以及可充放電的二次電池。 但在低溫環(huán)境下起動燃料電池系統(tǒng)時，燃料電池的發(fā)電性能、二次電 池的輸出特性有可能下降。
鑒于這種情況，日本特開2004 — 281219號公報中記載的燃料電池 系統(tǒng)中具有電力分配部，將燃料電池所發(fā)出的發(fā)電電力供給到燃料 電池發(fā)電所需的輔機(jī)的同時供給到二次電池以進(jìn)行充電，或?qū)⒍坞?池所放出的電力供給到輔機(jī)；以及控制部，在系統(tǒng)起動時，通過交替 進(jìn)行第1處理和第2處理而進(jìn)行對燃料電池及二次電池預(yù)熱的預(yù)熱控 制處理，上述第1處理為，控制電力分配部，以將燃料電池的發(fā)電電 力供給到輔機(jī)及二次電池，上述第2處理為，控制電力分配部，以將 燃料電池的發(fā)電電力及二次電池的放電電力供給到輔機(jī)。
日本特開2004 — 281219號公報所述的燃料電池系統(tǒng)中，通過交替 進(jìn)行第1處理和第2處理，有可能盡快對燃料電池及二次電池進(jìn)行預(yù) 熱，但二次電池中仍可能發(fā)生過度充電、過度放電。例如，為了使燃 料電池發(fā)電，需要控制空氣壓縮機(jī)等氧化氣體供給部的驅(qū)動狀態(tài)，但 在第1處理和第2處理之間轉(zhuǎn)換時，對應(yīng)氧化氣體供給部的轉(zhuǎn)速目標(biāo)值的變化，可能無法高精度地追蹤實際的轉(zhuǎn)速變化。其原因在于，對 于來自控制部的與氧化氣體供給部轉(zhuǎn)速相關(guān)的指令信號，在實際的氧 化氣體供給部的轉(zhuǎn)速變化產(chǎn)生時間延遲，即，產(chǎn)生誤差。并且，氧化 氣體供給部的轉(zhuǎn)速變化對應(yīng)于燃料電池的發(fā)電電力的變化。因此，降 低燃料電池的發(fā)電電力時，產(chǎn)生實際發(fā)電電力相對于發(fā)電電力的目標(biāo) 值而過度下降的下沖；或者相反，在提高燃料電池的發(fā)電電力時，產(chǎn) 生實際發(fā)電電力相對于發(fā)電電力的目標(biāo)值而過度上升的過沖。
對于燃料電池的發(fā)電電力，當(dāng)產(chǎn)生下沖時，在補充燃料電池發(fā)電 電力下降的二次電池的放電電力上升時，易產(chǎn)生超過放電電力上限基 準(zhǔn)的過度放電。相反，對于燃料電池的發(fā)電電力，當(dāng)產(chǎn)生過沖時，在 供給發(fā)電電力、被充電的二次電池的充電電力上升時，易發(fā)生超過充 電電力上限基準(zhǔn)的過度充電。因此，在二次電池中發(fā)生過度放電或過 度充電時會導(dǎo)致二次電池過早老化。尤其是，接近放電電力上限基準(zhǔn) 來進(jìn)行二次電池的放電、接近充電電力的上限基準(zhǔn)來進(jìn)行二次電池的 充電時，易發(fā)生過度放電、過度充電。
并且，不僅在系統(tǒng)起動時，而且在燃料電池持續(xù)發(fā)電過程中等情 況下，當(dāng)處于低溫環(huán)境下時，二次電池的性能也可能降低，因此這種 情況下也優(yōu)選進(jìn)行預(yù)熱控制處理，對二次電池預(yù)熱。
本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池系統(tǒng)，在通過交替進(jìn)行從燃 料電池到二次電池的發(fā)電電力的供給及二次電池的放電而對二次電池 進(jìn)行預(yù)熱時，使二次電池中不易發(fā)生過度充電及過度放電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及的燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池，其通過燃料氣體和 氧化氣體的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電；氧化氣體供給部，其向燃料電池供 給氧化氣體；二次電池，其進(jìn)行電力的充放電；電力分配部，其將燃 料電池所發(fā)出的發(fā)電電力供給燃料電池發(fā)電所需的輔機(jī)并供給二次電池以進(jìn)行充電，或者將二次電池所放出的電力供給輔機(jī)和負(fù)載中的至 少一方；控制部，其通過交替進(jìn)行第1處理和第2處理而進(jìn)行對二次 電池進(jìn)行預(yù)熱的預(yù)熱控制處理，上述第1處理為，控制電力分配部， 以將燃料電池的發(fā)電電力供給輔機(jī)及二次電池，上述第2處理為，控 制電力分配部，以將至少由二次電池放電所產(chǎn)生的電力供給輔機(jī)和負(fù) 載中的至少一方，該燃料電池系統(tǒng)的特征在于，控制部具有發(fā)電電 力計算單元，其在進(jìn)行預(yù)熱控制處理時根據(jù)二次電池的可充放電電力
計算燃料電池的發(fā)電電力；和氧化氣體供給部驅(qū)動控制單元，其根據(jù) 來自發(fā)電電力計算單元的輸出指令所表示的燃料電池的發(fā)電電力的計 算值，控制氧化氣體供給部的驅(qū)動狀態(tài)，發(fā)電電力計算單元逐漸改變 輸入到氧化氣體供給部驅(qū)動控制單元的輸出指令所表示的、第1處理 和第2處理之間的轉(zhuǎn)換時的燃料電池的發(fā)電電力的大小。
并且優(yōu)選氧化氣體供給部是空氣壓縮機(jī)，氧化氣體供給部驅(qū)動 控制單元根據(jù)發(fā)電電力計算單元的輸出指令所表示的燃料電池的發(fā)電 電力的計算值來控制空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。
根據(jù)本發(fā)明涉及的燃料電池系統(tǒng)，發(fā)電電力計算單元逐漸改變輸 入到氧化氣體供給部驅(qū)動控制單元的輸出指令所表示的、在第1處理
和第2處理之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時的燃料電池的發(fā)電電力的大小，因此在第1 處理和第2處理之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，對應(yīng)氧化氣體供給部的驅(qū)動狀態(tài)的 目標(biāo)值的變化，可高精度地追蹤實際的驅(qū)動狀態(tài)的變化。因此，不易 發(fā)生在降低燃料電池發(fā)電電力的情況下發(fā)電電力相對于目標(biāo)值而過度 下降的情況、及在提高燃料電池發(fā)電電力的情況下相對于發(fā)電電力的 目標(biāo)值而過度上升的情況。其結(jié)果是，在接近放電電力上限基準(zhǔn)來進(jìn) 行二次電池的放電、接近充電電力的上限基準(zhǔn)來進(jìn)行二次電池的充電 時，二次電池也不易發(fā)生過度放電、過度充電。


圖1是表示本發(fā)明的實施方式的燃料電池系統(tǒng)的基本構(gòu)成的框圖。
圖2是詳細(xì)表示本發(fā)明的實施方式的構(gòu)成的構(gòu)成圖。
圖3是表示用本發(fā)明的實施方式的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行的預(yù)熱控制
處理的流程圖。
圖4為，在進(jìn)行圖3的預(yù)熱控制處理時，(a)是表示發(fā)電電力計 算單元的輸出指令所表示的、燃料電池組的取出電力的計算值的時間 變化的圖，(b)是表示二次電池的充放電電力的時間變化的圖。
圖5為，在現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)熱控制處理時，(a)是 表示發(fā)電電力計算單元的輸出指令所表示的、燃料電池組的取出電力 的計算值的時間變化的圖，(b)是表示二次電池的充放電電力的時間 變化的圖。
圖6 (a)是對在圖5 (b)中使二次電池從充電狀態(tài)向放電狀態(tài)轉(zhuǎn) 換時的、二次電池的充放電電力的時間變化用目標(biāo)值(點劃線)和實 際測定值(實線)表示的圖，(b)是對與(a)對應(yīng)的空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn) 速的時間變化用目標(biāo)值(點劃線)和實際測定值(實線)表示的圖。
圖7 (a)是對在本發(fā)明的實施方式中使二次電池從充電狀態(tài)向放 電狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的、二次電池的充放電電力的時間變化用目標(biāo)值(點劃 線)和實際測定值(實線)表示的圖，(b)是對與(a)對應(yīng)的空氣壓 縮機(jī)的轉(zhuǎn)速的時間變化用目標(biāo)值(點劃線)和實際測定值(實線)表 示的圖。
圖8是表示由本發(fā)明的第2實施方式的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行的預(yù)熱 控制處理的流程圖。
具體實施例方式
(第1實施方式)
以下參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明涉及的實施方式。
圖1至圖4、圖7表示本發(fā)明的第1實施方式。圖1是表示本實 施方式的燃料電池系統(tǒng)10的基本構(gòu)成的框圖，圖2同樣是表示具體構(gòu) 成的構(gòu)成圖。本實施方式的燃料電池系統(tǒng)IO搭載在燃料電池車上使用，其具有 燃料電池組12。該燃料電池組12是層疊多個燃料電池單電池而成的燃 料電池單電池層疊體，并且在燃料電池單電池層疊體的層疊方向兩端 部設(shè)有集電板及端板。并且，用貫穿螺栓、螺母等緊固燃料電池單電 池層疊體、集電板以及端板。此外，也可在集電板和端板之間設(shè)置絕 緣板。
省略各燃料電池單電池的詳細(xì)圖示，但例如具有由陽極側(cè)電極 和陰極側(cè)電極夾持電解質(zhì)膜而成的膜-組件及其兩側(cè)的隔板。并且，可 向陽極側(cè)電極供給作為燃料氣體的氫氣，可向陰極側(cè)電極供給作為氧 化氣體的空氣。并且，使陽極側(cè)電極產(chǎn)生的氫離子經(jīng)由電解質(zhì)膜移動 到陰極側(cè)電極，在陰極側(cè)電極中與氫產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而生成水。并且， 使電子從陽極側(cè)電極通過外部電路向陰極側(cè)電極移動，從而產(chǎn)生電動 勢。
并且，在燃料電池組12的內(nèi)部，在隔板附近設(shè)有未圖示的內(nèi)部致 冷劑流路。通過向該內(nèi)部致冷劑流路注入作為致冷劑的冷卻水，即使 因伴隨燃料電池組12發(fā)電產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致溫度上升，也可防止其溫度 不過度上升。
并且，為了將作為氧化氣體的空氣供給到燃料電池組12，設(shè)置氧 化氣體供給流路14，并且在氧化氣體供給流路14的上游部設(shè)置作為氧 化氣體供給部的空氣壓縮機(jī)16。從外部氣體導(dǎo)入到空氣壓縮機(jī)16的空 氣由空氣壓縮機(jī)16加壓后，通過未圖示的加濕器被加濕。空氣壓縮機(jī) 16由未圖示的驅(qū)動用電機(jī)驅(qū)動。驅(qū)動用電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電子控制裝置 (ECU)等的控制部18的空氣壓縮機(jī)驅(qū)動控制單元20 (圖2)控制。 并且，將加濕后的空氣供給到燃料電池組12的陰極側(cè)電極一側(cè)的流路 中。
7并且，供給到燃料電池組12的、用于在各燃料電池單電池中進(jìn)行 電化學(xué)反應(yīng)后的空氣廢氣從燃料電池組12經(jīng)過氧化氣體系統(tǒng)排出氣體
流路22被排出。氧化氣體系統(tǒng)排出氣體流路22的中途設(shè)有未圖示的 壓力調(diào)整閥，輸送到燃料電池組12的空氣的供給壓力被控制為與燃料 電池組12的運轉(zhuǎn)狀態(tài)對應(yīng)的適當(dāng)?shù)膲毫χ?。因此，將壓力調(diào)整閥的壓 力檢測值輸入到控制部18。
另一方面，為了將作為燃料氣體的氫氣供給燃料電池組12，設(shè)有 燃料氣體供給流路24。并且，在燃料氣體供給流路24的氣體上游側(cè)設(shè) 有作為燃料氣體供給裝置的高壓氫罐、通過重整反應(yīng)生成氫的重整裝 置等的氫氣供給裝置26。從氫氣供給裝置26供給到燃料氣體供給流路 24的氫氣經(jīng)由作為壓力調(diào)整閥的減壓閥28供給到燃料電池組12的陽 極側(cè)電極一側(cè)的流路。減壓閥28的開度通過由控制部18控制致動器 30來調(diào)整。
供給到燃料電池組12的陽極側(cè)電極一側(cè)的流路的、用于電化學(xué)反 應(yīng)后的氫氣系統(tǒng)的排出氣體從燃料電池組12經(jīng)過燃料氣體系統(tǒng)循環(huán)路 徑32，再次返回到燃料電池組12。在燃料氣體系統(tǒng)循環(huán)路徑32中設(shè) 有未圖示的氫氣系統(tǒng)循環(huán)泵，在利用氫氣系統(tǒng)循環(huán)泵使氫氣系統(tǒng)排出 氣體升壓后，使其與自氫氣供給裝置26輸送的氫氣合流，然后再次輸 送到燃料電池組12。
并且，在燃料氣體系統(tǒng)循環(huán)路徑32上設(shè)置未圖示的氣液分離器， 在氣液分離器上連接燃料氣體系統(tǒng)排出流路34的上游端。即，從燃料 氣體系統(tǒng)循環(huán)路徑32使燃料氣體系統(tǒng)排出流路34分支。輸送到氣液 分離器的氫氣系統(tǒng)排出氣體的一部分與由氣液分離器分離出的水分同 時經(jīng)過設(shè)有排氣閥的燃料氣體排出流路34，送入到未圖示的稀釋器， 與通過氧化氣體系統(tǒng)排出氣體流路22輸送的空氣廢氣合流，降低氫濃 度后排出。此外，在燃料氣體系統(tǒng)循環(huán)路徑32的中途，從燃料電池組12和 氣液分離器之間等、與氣液分離器不同的部分分支出燃料氣體系統(tǒng)排
出流路34，將送入到燃料氣體系統(tǒng)排出流路34的氫氣系統(tǒng)排出氣體送 入到稀釋器。
進(jìn)一步，為了進(jìn)行燃料電池組12的狀態(tài)檢測，設(shè)有檢測燃料電
池組12的輸出電流的電流傳感器36;檢測燃料電池組12的輸出電壓 的電壓傳感器38;檢測燃料電池組12的溫度的溫度傳感器40。在使 燃料電池組12發(fā)電時，由控制部18讀入來自各傳感器36、 38、 40的 檢測信號。并且，為了獲得和目標(biāo)發(fā)電量對應(yīng)的氫氣的壓力和流量、 及空氣的壓力和流量，控制部18根據(jù)該檢測信號控制作為輔機(jī)的空氣 壓縮機(jī)16的驅(qū)動狀態(tài)的空氣壓縮機(jī)16的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速、設(shè)置在氧化 氣體系統(tǒng)排出氣體流路22的中途的壓力調(diào)整閥、減壓閥28等。
并且，由燃料電池組12發(fā)出的發(fā)電電力被供給到電力分配部42。 電力分配部42由控制部18控制，把來自燃料電池組12的發(fā)電電力供 給到負(fù)載44、輔機(jī)并被消耗，同時根據(jù)需要從進(jìn)行電力的充放電的二 次電池46進(jìn)行放電電力的放電，供給到負(fù)載44、輔機(jī)并被消耗。并且， 電力分配部42由控制部18控制，將燃料電池組12的發(fā)電電力供給到 二次電池46以進(jìn)行充電。二次電池46的SOC (State Of Charge:蓄電 池充電率)和溫度由二次電池傳感器48檢測。
作為圖1、圖2所示的負(fù)載44，包括車輛行駛用的行駛用電機(jī)。 并且，作為燃料電池系統(tǒng)10的實際負(fù)載，也包括可使燃料電池組12 及二次電池46升溫的加熱裝置50 (圖l)。并且，作為輔機(jī)，除了空 氣壓縮機(jī)16夕卜，包括使用于冷卻燃料電池組12的冷卻水在冷卻水路 徑中循環(huán)的冷卻水泵、設(shè)置在冷卻水路徑上的散熱器冷卻風(fēng)扇、設(shè)置 在電力分配部42上的逆變器、控制部18等燃料電池組12發(fā)電所需的 設(shè)備。為了控制燃料電池組12的發(fā)電狀態(tài)，控制部18執(zhí)行未圖示的存 儲器中存儲的控制程序。并且，控制部18控制電力分配部，以控制供
給負(fù)載44、輔機(jī)的電力。并且，在燃料電池系統(tǒng)10起動時，控制部 18執(zhí)行預(yù)熱控制處理。預(yù)熱控制處理為，通過由控制部18執(zhí)行控制程 序，使燃料電池組12發(fā)電而自身發(fā)熱，同時反復(fù)進(jìn)行多次二次電池46 的充放電，以使二次電池46自身發(fā)熱，對燃料電池組12及二次電池 46進(jìn)行預(yù)熱。這樣一來，可從燃料電池組12及二次電池46向負(fù)載44 供給穩(wěn)定的電力。
艮P，在預(yù)熱控制處理中，在燃料電池系統(tǒng)10起動時，由控制部 18交替進(jìn)行以下處理，以對燃料電池組12及二次電池46預(yù)熱第1 處理，控制電力分配部42，以將燃料電池組12的發(fā)電電力供給到輔機(jī) 及二次電池46;第2處理，控制電力分配部42，以將燃料電池組12 的發(fā)電電力及二次電池46的放電電力供給到輔機(jī)。為了進(jìn)行這種預(yù)熱 控制處理，控制部18具有發(fā)電電力計算單元52，根據(jù)二次電池46 的可充放電電力、即可充電電力和可放電電力，計算燃料電池組12的 發(fā)電電力；空氣壓縮機(jī)驅(qū)動控制單元20，根據(jù)來自發(fā)電電力計算單元 52的輸出指令所表示的燃料電池組12的發(fā)電電力的計算值，控制空氣 壓縮機(jī)16的驅(qū)動狀態(tài)。接著參照圖3詳細(xì)說明上述預(yù)熱控制處理。
圖3是表示預(yù)熱控制處理的流程圖，其中，預(yù)熱控制處理為在 燃料電池系統(tǒng)10起動時，使燃料電池組12發(fā)電的同時，反復(fù)進(jìn)行二 次電池46的充電和放電，從而對燃料電池組12和二次電池46預(yù)熱。 首先，在燃料電池系統(tǒng)IO起動時，在步驟Sl中，每經(jīng)過規(guī)定時間即 判斷燃料電池組12的溫度是否在規(guī)定溫度以上。即，在步驟Sl中， 控制部18 (圖l、圖2)讀入來自溫度傳感器40 (圖2)的檢測信號， 檢測燃料電池組12的溫度，判斷燃料電池組12的溫度是否在預(yù)先確 定的規(guī)定溫度以上。并且，在步驟Sl中，從燃料電池組12停止發(fā)電 開始經(jīng)過了足夠的時間時，可取代來自溫度傳感器40的檢測信號，而 讀入來自未圖示的外部氣溫傳感器的檢測信號，檢測外部氣溫，判斷外部氣溫是否在預(yù)先確定的規(guī)定溫度以上。并且，也可檢測用于冷卻 燃料電池組12的冷卻水的溫度，判斷燃料電池組12的溫度是否在規(guī) 定溫度以上。
在圖3的步驟Sl中，當(dāng)判斷為燃料電池組12的溫度或外部氣溫 在規(guī)定溫度以上時，無需對燃料電池組12及二次電池46進(jìn)行預(yù)熱， 因此轉(zhuǎn)換到步驟S2的通常運轉(zhuǎn)模式，結(jié)束預(yù)熱控制處理。與之相對， 當(dāng)判斷為燃料電池組12的溫度或外部氣溫小于規(guī)定溫度時，轉(zhuǎn)換到步 驟S3。
在步驟S3中，控制部18讀入來自二次電池傳感器48 (圖2)的 檢測信號，檢測二次電池46的狀態(tài)、即二次電池46的溫度及SOC。 接著，在圖3的步驟S4中，控制部18的發(fā)電電力計算單元52 (圖2) 根據(jù)二次電池46的溫度及SOC的檢測值，計算二次電池46的可充放 電電力、即可充電電力及可放電電力。之所以使用二次電池46的溫度 及SOC的檢測值，是因為二次電池46的可充放電電力受到溫度及SOC 的影響。
接著，在圖3的步驟S5中，發(fā)電電力計算單元52 (圖2)計算起 動用輔機(jī)消耗電力Al (參照圖4)。起動用輔機(jī)消耗電力Al是燃料電 池組12發(fā)出相當(dāng)于在步驟S4中求出的二次電池46的可充電電力的電 力所需的輔機(jī)的耗電，例如，使用表示相當(dāng)于可充電電力的電力和輔 機(jī)的耗電之間的關(guān)系的映射圖的數(shù)據(jù)，計算起動用輔機(jī)消耗電力Al。
接著，在圖3的步驟S6中，發(fā)電電力計算單元52根據(jù)在步驟S5 中計算出的起動用輔機(jī)耗電A 1、及在步驟S4中計算出的二次電池46 的可充電電力，計算出從燃料電池組12取出的取出電力的最大值 A2 (參照圖4)、持續(xù)取出該取出電力的最大值A(chǔ)2的持續(xù)時間q (參 照圖4)、從燃料電池組12取出的取出電力的起動用輔機(jī)消耗電力Al 以下的最小值A(chǔ)3 (參照圖4)、持續(xù)取出該取出電力的最小值A(chǔ)3的持續(xù)時間t2 (參照圖4)。即，在圖3的步驟S5中計算出的起動用輔機(jī)
消耗電力Al、與在步驟S4中計算出的二次電池46的可充電電力的和， 成為從燃料電池組12取出的取出電力的最大值A(chǔ)2。
尤其是，發(fā)電電力計算單元52 (圖2)計算如圖4 (a)所示， 以最大值A(chǔ)2并以持續(xù)時間t,從燃料電池組12取出電力后，開始從燃 料電池組12以最小值A(chǔ)3取出電力前的轉(zhuǎn)換時間t3;以最小值A(chǔ)3并以 持續(xù)時間12從燃料電池組12取出電力后，開始從燃料電池組12以最 大值A(chǔ)2取出電力前的轉(zhuǎn)換時間t4 (參照圖4) 。 g卩，如圖4(a)所示， 發(fā)電電力計算單元52在以最大值A(chǔ)2從燃料電池組12取出電力后發(fā)出 指令，以使取出電力經(jīng)過轉(zhuǎn)換時間t3以一定比例逐漸下降到最小值A(chǔ)3。 并且，發(fā)電電力計算單元52在以最小值A(chǔ)3從燃料電池組12取出電力 后發(fā)出指令，以使取出電力經(jīng)過轉(zhuǎn)換時間t4以一定比例逐漸上升到最 大值A(chǔ)2。表示發(fā)電電力計算單元52計算出的、從燃料電池組12取出 的電力值A(chǔ)2、 A3、持續(xù)時間t" t2、轉(zhuǎn)換時間t3、 t4的計算值的輸出指 令，被輸入到控制部18的空氣壓縮機(jī)驅(qū)動控制單元20 (圖2)。
空氣壓縮機(jī)驅(qū)動控制單元20首先根據(jù)輸出指令計算為了獲得取 出電力的最大值A(chǔ)2所需的、空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速，并控制空氣壓縮 機(jī)16，使空氣壓縮機(jī)16以計算出的轉(zhuǎn)速持續(xù)時間t,旋轉(zhuǎn)。即，在圖3 的步驟S7中，如判斷為處于預(yù)熱控制處理初始時刻時，則在步驟S8 中，由空氣壓縮機(jī)驅(qū)動控制單元20控制空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速，以從 燃料電池組12以取出電力最大值A(chǔ)2取出電力。并且，與此同時，由 控制部18的減壓閥控制單元計算與根據(jù)該轉(zhuǎn)速所得到的空氣的流量及 壓力相對應(yīng)的氫氣的流量及壓力，并進(jìn)行控制，使減壓閥28 (圖2) 的開度變?yōu)橐?guī)定的一定開度。并且，與之相伴，進(jìn)行由控制部18控制 電力分配部42的第1處理，使得從燃料電池組12 (圖1)向二次電池 46供給發(fā)電電力中的、在步驟S4求出的二次電池46的可充電電力， 對二次電池46進(jìn)行充電，并且向輔機(jī)供給發(fā)電電力的一部分。
12接著，在圖3的步驟S9中，由控制部18判斷以最大值從燃料電
池組12取出電力的時間是否經(jīng)過了持續(xù)時間t！(圖4)。如判斷為經(jīng) 過了持續(xù)時間tp則接著在圖3的步驟S10中，由空氣壓縮機(jī)驅(qū)動控制 單元20進(jìn)行降低空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制，使燃料電池組12的取出 電力如圖4 (a)所示地經(jīng)過轉(zhuǎn)換時間t3以一定比例從最大值A(chǔ)2下降到 最小值A(chǔ)3。并且，與之對應(yīng)，由減壓閥控制單元進(jìn)行使減壓閥28的 開度在轉(zhuǎn)換時間t3內(nèi)減小的控制。與之相伴，如圖4 (b)所示，進(jìn)行 由控制部18控制電力分配部42的第2處理，使得二次電池46的充電 量逐漸減小并變?yōu)?后，二次電池46的放電量逐漸上升，將二次電池 46放電的電力與與燃料電池組12的發(fā)電電力一起供給到空氣壓縮機(jī) 16等輔機(jī)。
接著，在圖3的步驟S11中，由空氣壓縮機(jī)驅(qū)動控制單元20控制 空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速，從而以取出電力最小值A(chǔ)3從燃料電池組12取 出電力。并且，與之相伴，由控制部18的減壓閥控制單元進(jìn)行控制， 使減壓閥28的開度變?yōu)榕c空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速對應(yīng)的規(guī)定的一定開 度。并且，與之相伴，由控制部18控制電力分配部42，使二次電池 46以在歩驟S4中求出的可放電電力進(jìn)行放電，并將放出的電力供給到 輔機(jī)。
接著，在圖3的步驟S12中，由控制部1.8判斷從燃料電池組12 以最小值A(chǔ)3取出電力的時間是否經(jīng)過了持續(xù)時間t2。當(dāng)判斷為經(jīng)過了 持續(xù)時間t2時，返回到步驟Sl，判斷燃料電池組12的溫度或外部氣溫 是否在規(guī)定溫度以上，當(dāng)判斷為在規(guī)定溫度以上時，轉(zhuǎn)換到步驟S2的 通常運轉(zhuǎn)模式，反復(fù)進(jìn)行步驟S3到S12的處理。此時，由于經(jīng)過了持 續(xù)時間t^ t2、轉(zhuǎn)換時間t3，因此在步驟S7中轉(zhuǎn)換到步驟S7a。并且， 在步驟S7a中，由空氣壓縮機(jī)驅(qū)動控制單元20進(jìn)行使空氣壓縮機(jī)16 的轉(zhuǎn)速上升的控制，使燃料電池組12的取出電力如圖4 U)所示地經(jīng) 過轉(zhuǎn)換時間U以一定比例從最小值A(chǔ)3上升到最大值A(chǔ)2。并且，與之 對應(yīng)，通過減壓閥控制單元進(jìn)行控制，使減壓閥28的開度在轉(zhuǎn)換時間t4中變大。與之相伴，由控制部18控制電力分配部42，使得如圖4(b) 所示，在二次電池46的放電量逐漸減小并變?yōu)?后，二次電池46的 充電量逐漸上升。
在這種預(yù)熱控制處理中，使燃料電池組12發(fā)電，反復(fù)進(jìn)行二次電 池46的充電和放電，從而使燃料電池組12和二次電池46的溫度逐漸 上升，以對燃料電池組12及二次電池46進(jìn)行預(yù)熱。隨著二次電池46 的溫度上升，如圖4(b)所示，二次電池46的可充電電力和可放電電 力變大，因此如圖4(a)所示，來自發(fā)電電力計算單元52的輸出指令 所表示的、從燃料電池組12取出的取出電力的最大值A(chǔ)2上升。
和上述本實施方式的燃料電池系統(tǒng)10的預(yù)熱控制處理不同，現(xiàn)有 技術(shù)中，如圖5、圖6所示一樣進(jìn)行預(yù)熱控制處理。即，在現(xiàn)有技術(shù)中， 如圖5 (a)所示，使得從發(fā)電電力計算單元52 (參照圖2)輸入到空 氣壓縮機(jī)驅(qū)動控制單元20的輸出指令所表示的發(fā)電電力在最大值A(chǔ)2 和最小值A(chǔ)3之間，在時間上階梯狀變化。具體而言，在圖3所示的本 實施方式的步驟S6中，省略轉(zhuǎn)換時間t3、 t4的計算，并且省略步驟S7、 S7a、 SIO。這樣一來，使輸出指令所表示的燃料電池組12 (參照圖1、 圖2)的發(fā)電電力在時間上階梯狀改變時，如圖5 (b)所示，二次電 池46的充放電電力在時間上也變化為接近階梯狀的狀態(tài)。
但使輸出指令所表示的燃料電池組12的發(fā)電電力階梯狀改變時， 無法使空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速高精度地追隨輸出指令的變化而變化。艮口， 圖6 (b)表示使發(fā)電電力計算單元52 (參照圖2)的輸出指令所表示 的電力值從最大值A(chǔ)2以階梯狀急劇地降低為最小值A(chǔ)3時的、空氣壓 縮機(jī)16 (參照圖1、圖2)的轉(zhuǎn)速的時間變化。在圖6 (b)中，單點 劃線表示空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速的目標(biāo)值，實線表示空氣壓縮機(jī)16的 轉(zhuǎn)速的實際的測定值。如圖6 (b)所示，在使輸出指令所表示的發(fā)電 電力階梯狀改變時，空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速的變化產(chǎn)生時間延遲，轉(zhuǎn)速 逐漸下降。但作為轉(zhuǎn)速下降比例的轉(zhuǎn)速的下降速度變大，如圖6 (b)的X部分所示，易發(fā)生空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速的實際測定值(實線)相 對目標(biāo)值(單點劃線)大幅下降的下沖。
另一方面，圖6 (a)表示與圖6 (b)對應(yīng)的、二次電池46 (參照 圖1、 2)從充電狀態(tài)變化為放電狀態(tài)時的充放電電力的時間變化。在 圖6(a)中，單點劃線表示二次電池46的充放電電力的目標(biāo)值，實線 表示充放電電力的實際測定值。如圖6 (a)所示，二次電池46從充電 狀態(tài)變化為放電狀態(tài)時，隨著空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速發(fā)生下沖，二次電 池46的放電電力的實際測定值(實線)大幅偏離目標(biāo)值(單點劃線)， 有可能產(chǎn)生超過放電電力上限基準(zhǔn)的過沖(圖6(a)的Y部分)。艮P， 二次電池46中可能產(chǎn)生過度放電。
并且，雖省略了圖示，但使空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速從低的規(guī)定值上 升到高的規(guī)定值時，產(chǎn)生空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速的實際測定值相對目標(biāo) 值大幅上升的過沖，并且二次電池46的放電電力的實際測定值大幅偏 離目標(biāo)值，超過充電電力上限基準(zhǔn)，二次電池46易產(chǎn)生過度充電。尤 其是，接近放電電力的上限基準(zhǔn)進(jìn)行二次電池46的放電、或接近充電 電力的上限基準(zhǔn)進(jìn)行二次電池46的充電時，二次電池46中易產(chǎn)生過 度放電、過度充電。
并且，如果來自發(fā)電電力計算單元52的輸出指令所表示的燃料電 池組12的發(fā)電電力的變化量小，則在現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)熱 控制處理時，在改變空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速的情況下，有可能也不易產(chǎn) 生下沖、過沖。但是，當(dāng)輸出指令所表示的燃料電池組12的發(fā)電電力 的變化量變大時，進(jìn)行現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱控制處理時，在改 變空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速時，易產(chǎn)生下沖、過沖。
本實施方式是用于消除在現(xiàn)有燃料電池系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)熱控制處理 時所產(chǎn)生的問題的發(fā)明，如上所述，發(fā)電電力計算單元52使輸出指令 所表示的在第1處理和第2處理之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時的、即如上述圖4 (a)所示地在從燃料電池組12取出最大電力A2時和取出最小電力A3時之 間轉(zhuǎn)換時的、燃料電池組12的發(fā)電電力的計算值的大小逐漸改變，艮口， 使計算值的大小以一定比例逐漸下降，或以一定比例逐漸上升。因此， 例如在第1處理和第2處理之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時的、空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速 從高的規(guī)定值下降到低的規(guī)定值時，也可使實際的轉(zhuǎn)速變化高精度地 追蹤空氣壓縮機(jī)16的驅(qū)動狀態(tài)即轉(zhuǎn)速的目標(biāo)值變化。
圖7 (a)、圖7 (b)是為了詳細(xì)說明本實施方式的效果，以目標(biāo) 值和實際測定值來表示二次電池46的充放電電力和空氣壓縮機(jī)16的 轉(zhuǎn)速的時間變化的圖。首先，在圖7 (a)中，單點劃線表示二次電池 46的充放電電力的目標(biāo)值，實線表示二次電池46的充放電電力的實際 測定值。并且，在圖7 (b)中，單點劃線表示空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速的 目標(biāo)值，實線表示空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速的實際測定值。比較圖7(b) 和圖6 (b)的測定結(jié)果可知，在圖7 (b)的本實施方式中，改變空氣 壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速時的時間變化率變小，即可使轉(zhuǎn)速的變化平緩。并且 根據(jù)圖7 (b)所示的本實施方式，可使實際轉(zhuǎn)速(實線)的變化高精 度地追蹤空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速的目標(biāo)值(單點劃線)的變化。因此， 和圖6 (b)的情況不同，可防止產(chǎn)生空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速的實際測定 值(圖7 (b)的實線)相對目標(biāo)值(圖7 (b)的單點劃線)大幅下降 的下沖。因此可知，在降低燃料電池組12的發(fā)電電力、并由二次電池 46放電時，不易產(chǎn)生燃料電池組12的實際發(fā)電電力相對目標(biāo)值過度下 降的下沖。
其結(jié)果是，如圖7(a)所示，在二次電池46從充電狀態(tài)變?yōu)榉烹?狀態(tài)時，也可防止二次電池46的放電電力的實際值(圖7 (a)的實線) 大幅偏離目標(biāo)值(圖7 (a)的單點劃線)而超過放電電力上限基準(zhǔn)， 從而防止二次電池46中產(chǎn)生過度放電。
并且，雖省略了圖示，但根據(jù)本實施方式，在使空氣壓縮機(jī)16的 轉(zhuǎn)速從低的規(guī)定值上升到高的規(guī)定值時，可防止產(chǎn)生空氣壓縮機(jī)16的實際轉(zhuǎn)速大幅超過目標(biāo)值的過沖，并防止二次電池46的充電電力的實 際值大幅偏離目標(biāo)值并超過充電電力上限基準(zhǔn)，從而防止在二次電池
46中產(chǎn)生過度充電。其結(jié)果是，接近放電電力的上限基準(zhǔn)進(jìn)行二次電 池46的放電、或接近充電電力的上限基準(zhǔn)進(jìn)行二次電池46的充電時， 也可使二次電池46中不易產(chǎn)生過度放電及過度充電。
并且，根據(jù)本實施方式，在發(fā)電電力計算單元52 (圖2)的輸出 指令所表示的燃料電池組12的發(fā)電電力的變化量大的情況下，改變空 氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速時，也不易產(chǎn)生下沖、過沖。因此，二次電池46 中不易產(chǎn)生過度放電及過度充電。
此外，在上述圖3所示的本實施方式中，也可將步驟S5中計算出 的起動用輔機(jī)消耗電力Al作為起動用輔機(jī)耗電基本值、將比起動用輔 機(jī)耗電基本值增加了輔機(jī)耗電的值作為起動用輔機(jī)耗電校正值進(jìn)行計 算。并且，在步驟S6中，可將步驟S4中計算出的二次電池46的可充 電電力與在步驟S5中計算出的起動用輔機(jī)耗電校正值的和作為從燃料 電池組12取出的取出電力的最大值A(chǔ)2進(jìn)行計算。
在使用起動用輔機(jī)耗電校正值求出從燃料電池組12取出的取出 電力的最大值A(chǔ)2時，起動用輔機(jī)耗電校正值大于使燃料電池組12發(fā) 電所需的最低限度的耗電，因此將燃料電池組12的輸出電力的最大值 設(shè)定得大于通常運轉(zhuǎn)模式，增大燃料電池組12的發(fā)電量，從而可增加 燃料電池組12的發(fā)熱量。
并且，在控制部18中，除了反復(fù)進(jìn)行對二次電池46充電和從二 次電池46放電的控制外，也可同時使用以下控制將燃料電池組12 的發(fā)電電力及二次電池46的放電電力中的一方或兩者供給到加熱裝置 50(圖1)，通過加熱裝置50的發(fā)熱，促進(jìn)燃料電池組12及二次電池 46的預(yù)熱。(第2實施方式)
圖8表示在本發(fā)明的第2實施方式中，燃料電池系統(tǒng)起動時用于 對二次電池進(jìn)行預(yù)熱的預(yù)熱控制處理，是和圖3對應(yīng)的流程圖。在上 述第1實施方式中，在圖3的步驟Sl中，控制部18 (圖1、圖2)判 斷燃料電池組12 (圖1、圖2)的溫度是否在規(guī)定溫度以上，根據(jù)該判 斷結(jié)果，轉(zhuǎn)換到步驟S2 (圖3)的通常運轉(zhuǎn)，或從步驟S3 (圖3)轉(zhuǎn) 換到步驟S12 (圖3)的預(yù)熱控制處理。與之相對，在本實施方式中， 是轉(zhuǎn)換到通常運轉(zhuǎn)還是轉(zhuǎn)換到預(yù)熱控制處理，根據(jù)檢測出的二次電池 46 (圖l、圖2)的溫度是否在規(guī)定溫度以上來選擇。以下對此進(jìn)行詳 細(xì)說明。并且，在以下說明中，對與圖l、圖2中標(biāo)注了附圖標(biāo)記的要 素相同的要素，標(biāo)注相同的標(biāo)記進(jìn)行說明。
如圖8所示，在本實施方式中，燃料電池系統(tǒng)10起動時，在步驟 Sla中，控制部18每經(jīng)過規(guī)定時間即讀入來自二次電池傳感器48的檢 測信號，檢測出二次電池46的溫度。接著，在步驟S]b中，判斷二次 電池46的溫度是否在預(yù)先任意確定的規(guī)定溫度以上。此外，在步驟Sla 中，停止燃料電池系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn)后，當(dāng)經(jīng)過了足夠的時間時，也可替 代來自二次電池傳感器48的檢測信號，而讀入來自未圖示的外部氣溫 傳感器的檢測信號，檢測外部氣溫，判斷外部氣溫是否在預(yù)先確定的 規(guī)定溫度以上。
在圖8的步驟Slb中，當(dāng)判斷為二次電池46的溫度或外部氣溫在 規(guī)定溫度以上時，確認(rèn)為無須對二次電池46進(jìn)行預(yù)熱，轉(zhuǎn)換到步驟S2 的通常運轉(zhuǎn)模式，結(jié)束預(yù)熱控制處理。與之相對，當(dāng)判斷為二次電池 46的溫度或外部氣溫小于規(guī)定溫度時，轉(zhuǎn)換到步驟S3'。
在步驟S3'中，控制部18讀入來自二次電池傳感器48的檢測信號， 不僅檢測二次電池的溫度，而且檢測二次電池46的SOC。接著在圖3 的步驟S4到步驟S12中，和上述第l實施方式一樣，進(jìn)行預(yù)熱控制處 理，再次返回到步驟Sla。
18本實施方式也和上述第1實施方式一樣，發(fā)電電力計算單元52使 在輸出指令表示的第1處理和第2處理之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時的、即如上述
圖4 (a)所示地在從燃料電池組12取出最大電力A2時和取出最小電 力A3時之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時的、燃料電池組12的發(fā)電電力的計算值的大 小逐漸改變，即，使計算值的大小以一定比例逐漸下降、或以一定比 例逐漸上升。因此，即使在控制電力分配部42以將燃料電池組12的 發(fā)電電力供給到輔機(jī)及二次電池46的第1處理和控制電力分配部42 以將燃料電池組12的發(fā)電電力及二次電池46的放電電力供給到輔機(jī) 的第2處理之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時的、使空氣壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速從高的規(guī)定值 下降到低的規(guī)定值的情況下，也可使實際的轉(zhuǎn)速變化高精度地追蹤空 氣壓縮機(jī)16的驅(qū)動狀態(tài)即轉(zhuǎn)速目標(biāo)值的變化。并且，相反，在使空氣 壓縮機(jī)16的轉(zhuǎn)速從低的規(guī)定值上升為高的規(guī)定值的情況下，也可使實 際的轉(zhuǎn)速變化高精度地追蹤空氣壓縮機(jī)16的驅(qū)動狀態(tài)即轉(zhuǎn)速目標(biāo)值的 變化。其結(jié)果是，在接近放電電力的上限基準(zhǔn)進(jìn)行二次電池46的放電、 或接近充電電力的上限基準(zhǔn)進(jìn)行二次電池46的充電時，二次電池46 中不易產(chǎn)生過度放電、過度充電。其他構(gòu)造和作用均與上述第1實施 方式相同，因此省略重復(fù)的圖示及說明。
此外，在上述實施方式中，說明了燃料電池系統(tǒng)IO起動時進(jìn)行預(yù) 熱控制處理的情況，但本發(fā)明不限于此。例如以下構(gòu)成中也可適用本 發(fā)明在搭載有燃料電池系統(tǒng)10的燃料電池車輛行駛時、空轉(zhuǎn)時等情 況下，當(dāng)燃料電池組12的溫度或二次電池46的溫度變?yōu)橐?guī)定溫度以 下等、在除燃料電池系統(tǒng)10起動以外的情況下燃料電池系統(tǒng)10處于 低溫環(huán)境下時，二次電池46的性能也有可能下降，因此，在這種情況 下進(jìn)行預(yù)熱控制處理，以對二次電池46進(jìn)行預(yù)熱。并且，本發(fā)明還可 適用于以下構(gòu)成在進(jìn)行預(yù)熱控制處理時的第2處理的情況下，不使 燃料電池組12發(fā)電，僅將二次電池46放電所產(chǎn)生的電力供給輔機(jī)和 負(fù)載44 (參照圖l、 2)中的至少一方，以對二次電池46進(jìn)行預(yù)熱。本發(fā)明用于燃料電池系統(tǒng)。例如用于搭載到燃料電池車輛中使用 的燃料電池系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其具有燃料電池，其通過燃料氣體和氧化氣體的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電；氧化氣體供給部，其向燃料電池供給氧化氣體；二次電池，其進(jìn)行電力的充放電；電力分配部，其將燃料電池所發(fā)出的發(fā)電電力供給燃料電池發(fā)電所需的輔機(jī)并供給二次電池以進(jìn)行充電，或者將二次電池所放出的電力供給輔機(jī)和負(fù)載中的至少一方；控制部，其通過交替進(jìn)行第1處理和第2處理而進(jìn)行對二次電池進(jìn)行預(yù)熱的預(yù)熱控制處理，上述第1處理為，控制電力分配部，以將燃料電池的發(fā)電電力供給輔機(jī)及二次電池，上述第2處理為，控制電力分配部，以將至少由二次電池放電所產(chǎn)生的電力供給輔機(jī)和負(fù)載中的至少一方，該燃料電池系統(tǒng)的特征在于，控制部具有發(fā)電電力計算單元，其在進(jìn)行預(yù)熱控制處理時根據(jù)二次電池的可充放電電力計算燃料電池的發(fā)電電力；和氧化氣體供給部驅(qū)動控制單元，其根據(jù)來自發(fā)電電力計算單元的輸出指令所表示的燃料電池的發(fā)電電力的計算值，控制氧化氣體供給部的驅(qū)動狀態(tài)，發(fā)電電力計算單元逐漸改變輸入到氧化氣體供給部驅(qū)動控制單元的輸出指令所表示的、第1處理和第2處理之間的轉(zhuǎn)換時的燃料電池的發(fā)電電力的大小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 氧化氣體供給部是空氣壓縮機(jī)，氧化氣體供給部驅(qū)動控制單元根據(jù)發(fā)電電力計算單元的輸出指令 所表示的燃料電池的發(fā)電電力的計算值來控制空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。
全文摘要
在燃料電池系統(tǒng)(10)起動時，由控制部(18)反復(fù)進(jìn)行以下處理第1處理，控制電力分配部(42)，以將燃料電池組(12)的發(fā)電電力供給到輔機(jī)及二次電池(46)；和第2處理，控制電力分配部(42)，以將燃料電池組(12)的發(fā)電電力及二次電池(46)的放電電力供給到輔機(jī)。控制部(18)的發(fā)電電力計算單元(52)計算燃料電池組(12)的發(fā)電電力，向空氣壓縮機(jī)驅(qū)動控制單元(20)輸入表示發(fā)電電力的輸出指令。發(fā)電電力計算單元(52)逐漸改變輸出指令所表示的在第1處理和第2處理之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時的燃料電池組(12)的發(fā)電電力的大小。
文檔編號H01M8/04GK101529634SQ20078003871
公開日2009年9月9日 申請日期2007年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月19日
發(fā)明者前中健志 申請人:豐田自動車株式會社