燃料電池系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及低溫起動(dòng)時(shí)的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在車輛上安裝的燃料電池一般將70°C左右設(shè)為適合發(fā)電的溫度域。因此，在車輛 起動(dòng)時(shí)，需要使燃料電池迅速升溫至適合發(fā)電的溫度域。在JP2009 - 4243A中公開(kāi)了利用 使燃料電池自身發(fā)電而產(chǎn)生的自發(fā)熱，縮短燃料電池的預(yù)熱時(shí)間的燃料電池系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 由于車輛的使用環(huán)境，有時(shí)上述的燃料電池系統(tǒng)例如在負(fù)30°C的低溫時(shí)被起動(dòng)。 在這樣的情況下，有時(shí)伴隨燃料電池的自發(fā)熱，在電解質(zhì)膜中生成的生成水超過(guò)電解質(zhì)膜 的保水量而溢出，如果在冰點(diǎn)以下，則溢出的生成水被凍結(jié)。因此，在冰點(diǎn)以下起動(dòng)燃料電 池系統(tǒng)時(shí)，有由于生成水的凍結(jié)，通過(guò)電解質(zhì)膜的氣體的擴(kuò)散性變差，不能發(fā)電的顧慮。
[0004] 本發(fā)明是著眼于這樣問(wèn)題點(diǎn)而完成的。本發(fā)明的目的是抑制在冰點(diǎn)以下燃料電池 預(yù)熱時(shí)生成水凍結(jié)的問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)一個(gè)方式是燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，包括：與燃料電池 電連接，通過(guò)燃料電池的電力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的輔助設(shè)備；以及與燃料電池電連接，加熱對(duì)燃料電 池供給的冷卻水的加熱器。該燃料電池系統(tǒng)包括：預(yù)熱控制單元，通過(guò)在燃料電池零下起動(dòng) 時(shí)送往輔助設(shè)備和加熱器的電力供給，預(yù)熱燃料電池自身。預(yù)熱控制單元包括：水量運(yùn)算單 元，根據(jù)燃料電池的濕潤(rùn)度、溫度和預(yù)熱時(shí)的發(fā)電電力，運(yùn)算燃料電池的溫度上升至冰點(diǎn)溫 度期間在電解質(zhì)膜中生成的生成水量。而且還包括凍結(jié)對(duì)策控制單元，在通過(guò)水量運(yùn)算單 元算出的生成水量超過(guò)閾值時(shí)，提高在預(yù)熱時(shí)至加熱器的、相對(duì)于送往輔助設(shè)備的電力比 例。
【附圖說(shuō)明】
[0006] 圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0007] 圖2是表示控制器中的預(yù)熱控制單元的結(jié)構(gòu)的圖。
[0008] 圖3是表示生成水量運(yùn)算單元的細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖。
[0009] 圖4是表示凍結(jié)對(duì)策控制單元的細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖。
[0010] 圖5是表示預(yù)熱控制單元的控制方法的流程圖。
[0011] 圖6是表示基于凍結(jié)對(duì)策控制的生成水的避免凍結(jié)方法的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 以下，參照添加的【附圖說(shuō)明】本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0013](第1實(shí)施方式）
[0014] 圖1是表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的概略圖。
[0015] 燃料電池系統(tǒng)10是在起動(dòng)燃料電池組1時(shí)，利用通過(guò)燃料電池組自身的發(fā)電產(chǎn)生 的自發(fā)熱對(duì)燃料電池組1進(jìn)行預(yù)熱的系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)10包括：燃料電池組1 ;陰極氣 體給排裝置2;陽(yáng)極氣體給排裝置3;組冷卻裝置4;以及控制器5。陰極氣體給排裝置2、陽(yáng) 極氣體給排裝置3、組冷卻裝置4作為燃料電池組1的輔助設(shè)備使用。
[0016] 燃料電池組1是將數(shù)百?gòu)埲剂想姵貙臃e后的電池組。燃料電池組1在本實(shí)施方式 中作為汽車用動(dòng)力源使用。
[0017] 通過(guò)陽(yáng)極電極（燃料極）和陰極電極（氧化劑極）夾持電解質(zhì)膜而構(gòu)成燃料電池。 燃料電池通過(guò)對(duì)陽(yáng)極電極供給含有氫的陽(yáng)極氣體（燃料氣體）并對(duì)陰極電極供給含有氧的 陰極氣體（氧化劑氣體）來(lái)發(fā)電。在陽(yáng)極電極以及陰極電極的兩個(gè)電極進(jìn)行的電極反應(yīng)分 別如（1)以及⑵那樣表示。
[0018][化學(xué)式1]
[0019] 陽(yáng)極電極：2H2- 4H++4e…（1)
[0020] 陰極電極：4H++4e+02- 2H20…（2)
[0021] 燃料電池通過(guò)上述（1)以及（2)的電極反應(yīng)，在產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的同時(shí)生成水。由于 層積多個(gè)這樣的燃料電池，所以在燃料電池組1中，產(chǎn)生數(shù)百伏特的電壓。燃料電池組1接 受陽(yáng)極氣體以及陰極氣體的供給，提供例如車輛的驅(qū)動(dòng)所需要的電力。在燃料電池組1中， 例如設(shè)置電阻檢測(cè)單元51。
[0022] 電阻檢測(cè)單元51為了求出燃料電池的濕潤(rùn)度，檢測(cè)電解質(zhì)膜的阻抗（電阻值）。 電解質(zhì)膜的濕潤(rùn)度越?。娊赓|(zhì)膜中的水分越少，干燥感越強(qiáng)）阻抗越大。電解質(zhì)膜的濕 潤(rùn)度越大（電解質(zhì)膜中的水分越多，濕潤(rùn)感越強(qiáng)）阻抗越小。
[0023] 電阻檢測(cè)單元51例如通過(guò)HFR(HighFrequencyResistance，高頻電阻）測(cè)量方 法求出阻抗。電阻檢測(cè)單元51使燃料電池組1的發(fā)電電流以1kHz(千赫）的正弦波變動(dòng)， 檢測(cè)燃料電池組1的電壓的變動(dòng)。然后電阻檢測(cè)單元51通過(guò)將1kHz的交流電壓振幅除以 交流電流振幅求出電阻值。電阻檢測(cè)單元51將表示電阻值的電池電阻信號(hào)輸出到控制器 5〇
[0024]陰極氣體給排裝置2是對(duì)燃料電池組1供給陰極氣體，同時(shí)將從燃料電池組1流 出的陰極廢氣排出到外部大氣的裝置。陰極氣體給排裝置2包括：陰極氣體供給通路21、 過(guò)濾器22、陰極壓縮機(jī)23、陰極氣體排出通路24、陰極調(diào)壓閥25、氣流傳感器26、壓力傳感 器27。
[0025]陰極氣體供給通路21是對(duì)燃料電池組1供給陰極氣體的通路。陰極氣體供給通 路21的一端連接到過(guò)濾器22,另一端連接到陰極氣體入口孔11。
[0026] 過(guò)濾器22將取入陰極氣體供給通路21的陰極氣體中包含的異物除去。
[0027] 陰極壓縮機(jī)23設(shè)置在陰極氣體供給通路21中。陰極壓縮機(jī)23經(jīng)由過(guò)濾器22將 來(lái)自外部大氣的空氣取入陰極氣體供給通路21，作為陰極氣體提供給燃料電池組1。
[0028] 陰極氣體排出通路24是從燃料電池組1排出陰極廢氣的通路。陰極氣體排出通 路24的一端連接到陰極氣體出口孔12,另一端開(kāi)口。
[0029] 陰極調(diào)壓閥25設(shè)置在陰極氣體排出通路24中。陰極調(diào)壓閥25通過(guò)控制器5進(jìn) 行開(kāi)閉控制。通過(guò)該開(kāi)閉控制，將流過(guò)陰極調(diào)壓閥25上游側(cè)的通路的陰極氣體的壓力（以 下稱為"陰極壓"。）調(diào)節(jié)為希望的壓力。
[0030] 氣流傳感器26設(shè)置在陰極壓縮機(jī)23上游的陰極氣體供給通路21中。氣流傳感 器26檢測(cè)流過(guò)陰極氣體供給通路21的陰極氣體的流量。
[0031] 壓力傳感器27設(shè)置在陰極氣體入口孔11的附近的陰極氣體供給通路21中。壓 力傳感器27檢測(cè)陰極壓。控制器5供給壓力傳感器27的檢測(cè)值調(diào)整陰極調(diào)壓閥25的開(kāi) 度。由此，將陰極壓調(diào)節(jié)為希望的壓力。
[0032]陽(yáng)極氣體給排裝置3是對(duì)燃料電池組1供給陽(yáng)極氣體，同時(shí)將從燃料電池組1排 出的陽(yáng)極廢氣排出到陰極氣體排出通路24的裝置。陽(yáng)極氣體給排裝置3包括：高壓罐31、 陽(yáng)極氣體供給通路32、陽(yáng)極調(diào)壓閥33、陽(yáng)極氣體排出通路34、和清洗閥35。
[0033] 高壓罐31將提供給燃料電池組1的陽(yáng)極氣體保持為高壓狀態(tài)儲(chǔ)藏。
[0034]陽(yáng)極氣體供給通路32是從高壓罐31對(duì)燃料電池組1供給陽(yáng)極氣體的通路。陽(yáng)極 氣體供給通路32的一端連接到高壓罐31，另一端連接到陽(yáng)極氣體入口孔13。
[0035] 陽(yáng)極調(diào)壓閥33設(shè)置在陽(yáng)極氣體供給通路32中。陽(yáng)極調(diào)壓閥33通過(guò)控制器5進(jìn) 行開(kāi)閉控制。通過(guò)該開(kāi)閉控制，調(diào)節(jié)從高壓罐31流過(guò)陽(yáng)極氣體供給通路32的陽(yáng)極氣體的 壓力。
[0036] 陽(yáng)極氣體排出通路34是排出從燃料電池組1流出的陽(yáng)極廢氣的通路。陽(yáng)極氣體 排出通路34的一端連接到燃料電池組1的陽(yáng)極氣體出口孔14,另一端連接到陰極氣體排出 通路24。
[0037] 清洗閥35設(shè)置在陽(yáng)極氣體排出通路34中。清洗閥35通過(guò)控制器5進(jìn)行開(kāi)閉控 制。通過(guò)清洗閥35的開(kāi)閉控制，控制陰極氣體排出通路24中合流的陽(yáng)極廢氣的流量。
[0038] 組冷卻裝置4是冷卻燃料電池組1，將燃料電池組1保持為適合發(fā)電的溫度的裝 置。組冷卻裝置4包括：冷卻水循環(huán)通路41、散熱器42、旁路通路43、恒溫器44、循環(huán)泵45、 加熱器46、第1水溫傳感器47、第2水溫傳感器48。
[0039] 冷卻水循環(huán)通路41是使冷卻燃料電池組1的冷卻水循環(huán)的通路。
[0040]散熱器42設(shè)置在冷卻水循環(huán)通路41中。散熱器42冷卻從燃料電池組1排出的 冷卻水。
[0041] 旁路通路43是使散熱器42旁路的通路。旁路通路43的一端連接到冷卻水循環(huán) 通路41，另一端連接到恒溫器44。
[0042] 恒溫器44設(shè)置在散熱器42下游側(cè)的冷卻水循環(huán)通路41中。恒溫器44是開(kāi)閉閥。 恒溫器44根據(jù)流過(guò)內(nèi)部的冷卻水的溫度自動(dòng)地開(kāi)閉。
[0043] 恒溫器44在流過(guò)內(nèi)部的冷卻水的溫度低于規(guī)定的恒溫器開(kāi)閥溫度時(shí)，成為關(guān)閉 狀態(tài)，僅將經(jīng)由旁路通路43而來(lái)的相對(duì)高溫的冷卻水提供給燃料電池組1。
[0044] 另一方面，恒溫器44在流過(guò)內(nèi)部的冷卻水的溫度為恒溫器開(kāi)閥溫度以上時(shí)，開(kāi)始 緩慢地打開(kāi)。然后恒溫器44將經(jīng)由旁路通路43而來(lái)的冷卻水和經(jīng)由散熱器42而來(lái)的相 對(duì)低溫的冷卻水在內(nèi)部混合，提供給燃料電池組1。
[0045] 循環(huán)泵45設(shè)置在恒溫器44下游側(cè)的冷卻水循環(huán)通路41中。循環(huán)泵45使流過(guò)燃 料電池組1的冷卻水循環(huán)。循環(huán)泵45的排出流量由控制器5控制。
[0046] 加熱器46設(shè)置在恒溫器44和循環(huán)泵45之間的冷卻水循環(huán)通路41中。加熱器46 在燃料電池組1預(yù)熱時(shí)被通電，使冷卻水的溫度上升。作為加熱器46例如使用PTC加熱器。
[0047] 第1水溫傳感器47設(shè)置在冷卻水循環(huán)通路41和旁路通路43的分支點(diǎn)的上游側(cè)的 冷卻水循環(huán)通路41中。第1水溫傳感器47檢測(cè)從燃料電池組1排出的冷卻水的溫度（以 下稱為"組出口水溫"。）。第1水溫傳感器47將檢測(cè)到的組出口溫度輸出到控制器5。
[0048] 第2水溫傳感器48設(shè)置在循環(huán)泵45下游側(cè)的冷卻水循環(huán)通路41中。第2水溫 傳感器48檢測(cè)燃料電池組1中流入的冷卻水的溫度（以下稱為"組入口水溫"。）。第2水 溫傳感器48將組入口水溫輸出到控制器5。
[0049]控制器5由具有中央運(yùn)算裝置（CPU)、只讀存儲(chǔ)器（ROM)、隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（RAM)、 以及輸入輸出接口（I/O接口）的微計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
[0050] 在控制器5中，從第1水溫傳感器47輸入組出口水溫，從第2水溫傳感器48輸入 組入口水溫，從電阻檢測(cè)單元51輸入電池電阻信號(hào)。
[0051] 控制器5根據(jù)組入口水溫、組出口水溫、以及電池電阻信號(hào)等，使燃料電池組1發(fā) 電?？刂破?通常控制陰極壓縮機(jī)23、陰極調(diào)壓閥25、陽(yáng)極調(diào)壓閥33、和清洗閥35,將發(fā)電 所需要的最低限度流量的陰極氣體以及陽(yáng)極氣體提供給燃料電池組1。
[0052] 在燃料電池系統(tǒng)10的起動(dòng)時(shí)，控制器5執(zhí)行將燃料電池組1預(yù)熱至適合發(fā)電的發(fā) 電溫度，例如60°C的控制（以下稱為"預(yù)熱促進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)"）。
[0053] 在預(yù)熱促進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，以燃料電池組1