的預(yù)熱所需要的流量，將陰極氣體和陽(yáng)極氣 體分別提供給燃料電池組1。由此，燃料電池組1發(fā)電，通過(guò)伴隨發(fā)電的自發(fā)熱，燃料電池組 1自身被加溫。
[0054] 控制器5將燃料電池組1發(fā)電的發(fā)電電力分配給陰極壓縮機(jī)23、循環(huán)泵45、加熱 器46等。這時(shí)，控制器5對(duì)陰極壓縮機(jī)23以及加熱器46分配燃料電池組1的發(fā)電電力中 比通常大的電力。
[0055] 具體地說(shuō)，控制器5設(shè)定陰極調(diào)壓閥25的開度，以便高于燃料電池組1的發(fā)電所 需要的最低限度的空氣壓力，同時(shí)將從陰極壓縮機(jī)23排出的空氣流量設(shè)定為可變范圍的 上限值。
[0056] 進(jìn)而，控制器5將加熱器46的加熱溫度（輸出）設(shè)定為可變范圍的上限值。因此， 通過(guò)加熱器46的冷卻水的加熱和自發(fā)熱雙方，燃料電池組1的溫度，較早地達(dá)到適合發(fā)電 的溫度，燃料電池組1的預(yù)熱完成。
[0057] 這樣，通過(guò)增加在預(yù)熱促進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)中陰極壓縮機(jī)23以及加熱器46雙方消耗的發(fā)電 電力，提高燃料電池組1的發(fā)熱量。因此，可以縮短從起動(dòng)燃料電池組1開始至燃料電池組 1的預(yù)熱完成為止的起動(dòng)時(shí)間。
[0058] 但是，有時(shí)由于車輛的使用環(huán)境，燃料電池系統(tǒng)例如在冰點(diǎn)以下負(fù)30°C的低溫時(shí) 被起動(dòng)。在這樣的情況下，如果伴隨燃料電池組的發(fā)電，在電解質(zhì)膜中生成的生成水從電解 質(zhì)膜溢出，則溢出的生成水由于在冰點(diǎn)以下，所以凍結(jié)。其結(jié)果，在燃料電池系統(tǒng)的零下起 動(dòng)時(shí)預(yù)熱燃料電池組時(shí)，有因生成水的凍結(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。
[0059] 因此，在本實(shí)施方式中，事先估計(jì)上升至冰點(diǎn)溫度時(shí)的燃料電池的生成水量，在該 生成水量超過(guò)電解質(zhì)膜可保水的保水量的上限值時(shí)，切換為提高生成水的每增加量的燃料 電池的溫度上升量的預(yù)熱控制。
[0060] 圖2是表示控制器5中的預(yù)熱控制單元的功能的結(jié)構(gòu)圖。
[0061] 在燃料電池系統(tǒng)10的零下起動(dòng)時(shí)，預(yù)熱控制單元50通過(guò)控制對(duì)陰極壓縮機(jī)23和 加熱器46等供給的電力，預(yù)熱燃料電池組1。預(yù)熱控制單元50具有生成水量運(yùn)算單元100 和凍結(jié)對(duì)策控制單元200。
[0062] 生成水量運(yùn)算單元100在接受對(duì)于燃料電池組1的起動(dòng)命令時(shí)，根據(jù)燃料電池的 濕潤(rùn)度、燃料電池的溫度、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)膜中生成的生成水的量（以下稱為"生成水量"。）。而且，對(duì)于具體的結(jié)構(gòu)，參照?qǐng)D 3在后敘述。
[0063] 生成水量運(yùn)算單元100將運(yùn)算出的生成水量作為用于判定有無(wú)超過(guò)在電解質(zhì)膜 中生成的生成水量的判定信號(hào)，輸出到凍結(jié)對(duì)策控制單元200。
[0064] 而且，生成水量運(yùn)算單元100也可以取代對(duì)凍結(jié)對(duì)策控制單元200輸出生成水量， 而判斷生成水量是否超過(guò)保水量閾值，將該結(jié)果輸出到凍結(jié)對(duì)策控制單元200。例如，生成 水量運(yùn)算單元100在判定為生成水量超過(guò)保水量閾值的情況下，輸出凍結(jié)對(duì)策運(yùn)轉(zhuǎn)指令， 在判斷為生成水量未超過(guò)保水量閾值的情況下，輸出通常的預(yù)熱促進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)指令。保水量閾 值是用于檢測(cè)從電解質(zhì)膜漏出生成水的情況的閾值，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等設(shè)定。
[0065] 凍結(jié)對(duì)策控制單元200在生成水量運(yùn)算單元100運(yùn)算出的生成水量未超過(guò)保水量 閾值時(shí)，執(zhí)行通常的預(yù)熱促進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)。在預(yù)熱促進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)中，凍結(jié)對(duì)策控制單元200將大于燃料 電池組1的發(fā)電所需要的電力的電力（以下稱為"預(yù)熱電力"）提供給陰極壓縮機(jī)23,同時(shí) 對(duì)加熱器46供給可變范圍內(nèi)的最大電力作為預(yù)熱所需要的規(guī)定的電力。
[0066] 另一方面，凍結(jié)對(duì)策控制單元200在生成水量超過(guò)保水量閾值時(shí)，執(zhí)行凍結(jié)對(duì)策 運(yùn)轉(zhuǎn)。即，與預(yù)熱促進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相比，凍結(jié)對(duì)策控制單元200提高送往加熱器46的、相對(duì)于陰 極壓縮機(jī)23的電力比例。
[0067] 圖3是表示本實(shí)施方式的生成水量運(yùn)算單元100的細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖。
[0068] 生成水量運(yùn)算單元100計(jì)算來(lái)自第1水溫傳感器47的組出口水溫和來(lái)自第2水 溫傳感器48的組入口水溫的平均值即平均溫度，作為燃料電池溫度。而且，生成水量運(yùn)算 單元100從電阻檢測(cè)單元51獲取燃料電池的電阻值。
[0069] 在生成水量運(yùn)算單元100中，保持燃料電池電阻值和燃料電池溫度。該燃料電池 電阻值和燃料電池溫度都是在燃料電池組1的上次停止時(shí)檢測(cè)出的檢測(cè)值。在零下起動(dòng) 時(shí)，有時(shí)一般因燃料電池組1的凍結(jié)，燃料電池的電阻值變高。在該情況下，燃料電池的濕 潤(rùn)度和電阻值之間的相關(guān)關(guān)系的偏移變大，存在燃料電池的濕潤(rùn)度的誤差變大的可能性。 因此，通過(guò)使用相關(guān)關(guān)系的偏移比較小的上次停止時(shí)的燃料電池的電阻值和溫度，可以提 高起動(dòng)時(shí)的燃料電池的濕潤(rùn)度的計(jì)算精度。
[0070] 生成水量運(yùn)算單元100包括：燃料電池保水量運(yùn)算單元（以下稱為"保水量運(yùn)算單 元"。）11〇、燃料電池發(fā)電生成水量運(yùn)算單元（以下稱為"發(fā)電生成水量運(yùn)算單元"。）111、 燃料電池保水量計(jì)算單元112、時(shí)間計(jì)算單元120、生成速度計(jì)算單元130、累計(jì)量估計(jì)單元 140、以及生成水量計(jì)算單元150。
[0071] 保水量運(yùn)算單元110在接受對(duì)于燃料電池組1的起動(dòng)命令時(shí)，根據(jù)上次停止時(shí)的 燃料電池溫度和燃料電池電阻值，計(jì)算電解質(zhì)膜（燃料電池）的保水量作為初始值。然后 保水量運(yùn)算單元110將燃料電池保水量的初始值輸出到累計(jì)單元113。
[0072] 在本實(shí)施方式中，保水量運(yùn)算單元110中，對(duì)于每個(gè)燃料電池的溫度，預(yù)先存儲(chǔ)表 示燃料電池電阻值和濕潤(rùn)度之間的關(guān)系的相關(guān)數(shù)據(jù)。保水量運(yùn)算單元110在獲取上次停止 時(shí)的燃料電池溫度和燃料電池電阻值時(shí)，參照燃料電池溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，運(yùn)算燃料電池的 濕潤(rùn)度。然后，保水量運(yùn)算單元110使用燃料電池的濕潤(rùn)度和至保水量的換算系數(shù)計(jì)算初 始值。
[0073] 發(fā)電生成水量運(yùn)算單元111根據(jù)運(yùn)算周期中的發(fā)電狀態(tài)運(yùn)算發(fā)電生成水量。例 如，發(fā)電生成水量可以用式（3)表示。在式（3)中，發(fā)電生成水量用Wv[g/SeC]表示，發(fā)電 電流用I[A]表示，法拉第常數(shù)用F[C/mol]表示，每1摩爾反應(yīng)物生成（或者消耗）的電子 的數(shù)量用n表示，燃料電池1的單元張數(shù)用Nc[cell]表示，水的分子量用Mw[g/mol]表示。
[0074][算式1]
[0075]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括：與燃料電池電連接，通過(guò)所述燃料電池的電力進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 的輔助設(shè)備；以及與該燃料電池電連接，加熱對(duì)該燃料電池供給的冷卻水的加熱器， 所述燃料電池系統(tǒng)還包括：在所述燃料電池的零下起動(dòng)時(shí)，通過(guò)送往所述輔助設(shè)備和 所述加熱器的電力供給，預(yù)熱燃料電池自身的預(yù)熱控制單元， 所述預(yù)熱控制單元包括： 水量運(yùn)算單元，根據(jù)所述燃料電池的濕潤(rùn)度、溫度和預(yù)熱時(shí)的發(fā)電電力，運(yùn)算在該燃料 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；以及 凍結(jié)對(duì)策控制單元，在判斷出所述運(yùn)算的生成水量超過(guò)閾值時(shí)，提高所述預(yù)熱時(shí)送往 所述加熱器的電力相對(duì)于至所述輔助設(shè)備的電力比例。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)， 所述凍結(jié)對(duì)策控制單元通過(guò)降低所述零下起動(dòng)時(shí)的至輔助設(shè)備的電力，提高所述零下 起動(dòng)時(shí)的送往所述加熱器的電力比例。
3. 如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)， 所述輔助設(shè)備是壓縮機(jī)， 所述凍結(jié)對(duì)策控制單元在判斷出所述生成水量超過(guò)閾值時(shí)，通過(guò)以基于燃料電池的發(fā) 電所需要的發(fā)電電流的空氣量控制所述壓縮機(jī)，提高所述零下起動(dòng)時(shí)的送往所述加熱器的 電力比例。
4. 如權(quán)利要求1至權(quán)利要求3的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)， 所述水量運(yùn)算單元包括： 累計(jì)量估計(jì)單元，根據(jù)所述燃料電池的溫度和預(yù)熱時(shí)的發(fā)電電力，計(jì)算從零下起動(dòng)時(shí) 的所述燃料電池起動(dòng)開始至達(dá)到〇°C附近的發(fā)電升溫時(shí)間，估計(jì)生成水的累計(jì)量；以及 生成水量計(jì)算單元，計(jì)算基于所述燃料電池的濕潤(rùn)度的保水量和所述生成水的累計(jì)量 的合計(jì)，作為所述生成水量。
5. 如權(quán)利要求1至權(quán)利要求4的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)， 所述預(yù)熱控制單元在所述燃料電池停止時(shí)檢測(cè)所述燃料電池的電阻值， 所述水量運(yùn)算單元在零下起動(dòng)時(shí)根據(jù)所述停止時(shí)的電阻值計(jì)算所述燃料電池的濕潤(rùn) 度。
6. 如權(quán)利要求4或者權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)， 所述水量運(yùn)算單元包括： 發(fā)熱量運(yùn)算單元，使用表示與所述燃料電池的發(fā)電電流相應(yīng)的電池電壓的電池特性信 息，根據(jù)所述預(yù)熱時(shí)的發(fā)電電力確定電池電壓，根據(jù)該電池電壓和理論電壓的差分運(yùn)算所 述燃料電池的發(fā)熱量； 目標(biāo)發(fā)熱量計(jì)算單元，根據(jù)所述燃料電池的溫度和熱容量，計(jì)算所述燃料電池的溫度 達(dá)到〇°C附近為止所需要的發(fā)熱量；以及 升溫時(shí)間計(jì)算單元，將所述需要的發(fā)熱量除以所述燃料電池的發(fā)熱量，計(jì)算所述發(fā)電 升溫時(shí)間。
7. 如權(quán)利要求5或者權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)， 所述水量運(yùn)算單元包括： 生成速度計(jì)算單元，根據(jù)所述預(yù)熱時(shí)的發(fā)電電力，通過(guò)電池特性信息確定發(fā)電電流，根 據(jù)該發(fā)電電流計(jì)算每單位時(shí)間的生成水量；以及 累計(jì)量計(jì)算單元，根據(jù)所述計(jì)算出的每單位時(shí)間的生成水量和發(fā)電升溫時(shí)間，計(jì)算所 述燃料電池的溫度達(dá)到〇°c附近為止生成的所述累計(jì)量。
8. 如權(quán)利要求1至權(quán)利要求7的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)， 所述燃料電池的溫度是流入所述燃料電池的冷卻水的入口溫度。
9. 一種燃料電池系統(tǒng)的控制方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括：與燃料電池電連接，通過(guò) 所述燃料電池的電力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的輔助設(shè)備；以及與該燃料電池電連接，加熱對(duì)該燃料電池 供給的冷卻水的加熱器， 在所述燃料電池的零下起動(dòng)時(shí)通過(guò)至所述輔助設(shè)備和所述加熱器的電力供給預(yù)熱燃 料電池自身的預(yù)熱控制步驟中包括： 水量運(yùn)算步驟，根據(jù)所述燃料電池的濕潤(rùn)度、溫度和預(yù)熱時(shí)的發(fā)電電力，運(yùn)算該燃料電 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；以及 凍結(jié)對(duì)策控制步驟，在判斷出所述預(yù)熱時(shí)所述運(yùn)算出的生成水量超過(guò)閾值時(shí)，提高至 所述加熱器的、相對(duì)于至所述輔助設(shè)備的電力比例。
【專利摘要】燃料電池系統(tǒng)包括：在燃料電池的零下起動(dòng)時(shí)，通過(guò)至輔助設(shè)備和加熱器的電力供給，預(yù)熱燃料電池自身的預(yù)熱控制單元。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。還包括凍結(jié)對(duì)策控制單元，在生成水量超過(guò)閾值時(shí)，提高送往加熱器的電力相對(duì)于至輔助設(shè)備的電力比例。
【IPC分類】H01M8-10, H01M8-04
【公開號(hào)】CN104871356
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201380066158
【發(fā)明人】星圣
【申請(qǐng)人】日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社
【公開日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2013年12月26日
【公告號(hào)】CA2897291A1, WO2014109239A1