燃料電池系統(tǒng)及燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通過低效率運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)燃料電池進(jìn)行預(yù)熱的燃料電池系統(tǒng)及燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是將通過利用電化學(xué)工藝使燃料氧化而伴隨氧化反應(yīng)放出的能量直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，具有將多個(gè)膜-電極接合體(單電池)層疊而成的堆疊結(jié)構(gòu)，該膜-電極接合體通過由多孔材料構(gòu)成的一對(duì)電極夾持用于選擇性地輸送氫離子的電解質(zhì)膜的兩側(cè)面而成。
[0003]燃料電池通常將70?80 °C設(shè)為最適合于發(fā)電的溫度域，但是寒冷地等的環(huán)境下，有時(shí)從起動(dòng)至達(dá)到最佳溫度域?yàn)橹剐枰L(zhǎng)時(shí)間，因此研究了各種預(yù)熱系統(tǒng)。例如，在下述專利文獻(xiàn)I中公開了如下的手法:通過實(shí)施比通常運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電效率低的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)，由此控制搭載于車輛的燃料電池的自發(fā)熱量，一邊進(jìn)行車輛行駛一邊對(duì)燃料電池進(jìn)行預(yù)熱。上述手法將燃料電池的輸出電壓設(shè)定為比基于其電流?電壓特性(以下，稱為IV特性)的電壓值低的電壓值，使燃料電池的熱損失增大而實(shí)施基于自發(fā)熱的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)，因此無需搭載預(yù)熱用的裝置，便利性優(yōu)異。
[0004]【現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)】
[0005]【專利文獻(xiàn)】
[0006]【專利文獻(xiàn)I】日本特開2002-313388號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]【發(fā)明要解決的問題】
[0008]圖9是表示現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)作點(diǎn)的變化的概念圖，示出燃料電池的IV特性線Lal、燃料電池的動(dòng)作電壓線La2、燃料電池的等電力線(以下，稱為等功率線)La3以及燃料電池的等發(fā)熱線(以下，稱為等Q線)La4。
[0009]如圖9所示，基于要求發(fā)電量Preq及要求發(fā)熱量Qreq，在燃料電池的等功率線La3與等Q線La4相交的交點(diǎn)、即動(dòng)作點(diǎn)A(I1，VI)進(jìn)行預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，由于某些理由而施加電流限制(例如，構(gòu)成燃料電池的單電池的電壓下降引起的電流限制等；參照?qǐng)D9中虛線所示的電流限制線La5)時(shí)，燃料電池的動(dòng)作點(diǎn)在動(dòng)作電壓線La2上移動(dòng)而從動(dòng)作點(diǎn)A(Il1Vl)向動(dòng)作點(diǎn)B(I2，V2)轉(zhuǎn)移。這樣，以往，在燃料電池進(jìn)行預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下施加電流限制時(shí)，通過在設(shè)定的動(dòng)作電壓線L2上使燃料電池的動(dòng)作點(diǎn)轉(zhuǎn)移(換言之，以使動(dòng)作電壓取得特定的值的方式使運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作點(diǎn)轉(zhuǎn)移)來避免電流限制，因此最終無法滿足燃料電池的要求發(fā)電量Preq ( S卩，等功率線L3上沒有燃料電池的動(dòng)作點(diǎn)的狀態(tài))，由于僅能發(fā)出比要求發(fā)電量Preq小的發(fā)電量Pmes，因此被指出燃料電池系統(tǒng)的電力響應(yīng)性下降而引起動(dòng)力性能的下降這樣的問題。
[0010]本發(fā)明鑒于以上說明的情況而作出，目的是提供一種在通過低效率運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)燃料電池進(jìn)行預(yù)熱的燃料電池系統(tǒng)中、能夠避免電流限制等各種限制并使?jié)M足要求發(fā)電量的情況優(yōu)先而使燃料電池動(dòng)作的技術(shù)。
[0011]【用于解決問題的手段】
[0012]為了解決上述的問題，本發(fā)明的一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制方法是通過低效率運(yùn)轉(zhuǎn)而對(duì)燃料電池進(jìn)行預(yù)熱的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制方法，其特征在于，包括:第O步驟，根據(jù)要求發(fā)電量和要求發(fā)熱量來決定電流目標(biāo)值；第一步驟，在電流目標(biāo)值從上限電流及下限電流的范圍脫離的情況下，以使電流目標(biāo)值進(jìn)入上限電流及下限電流的范圍內(nèi)的方式將電流目標(biāo)值設(shè)定作為電流指令值；第二步驟，通過將要求發(fā)電量除以電流指令值而求出與電流指令值對(duì)應(yīng)的目標(biāo)電壓值，在目標(biāo)電壓值超過上限電壓的情況下，以使目標(biāo)電壓值進(jìn)入上限電壓的范圍內(nèi)的方式將目標(biāo)電壓值設(shè)定作為電壓指令值；第三步驟，在電壓指令值從針對(duì)燃料電池的電壓測(cè)定值而設(shè)定的規(guī)定范圍脫離的情況下，以使電壓指令值進(jìn)入規(guī)定范圍的方式將電壓指令值設(shè)定作為最終電壓指令值；第四步驟，將電壓指令值與電流指令值相乘所得到的值除以最終電壓指令值，來得到最終電流指令值；及第五步驟，以最終電流指令值及最終電壓指令值使所述燃料電池動(dòng)作。
[0013]在此，在上述結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選將以下所示的(A)?(E)中的至少一個(gè)的最小值設(shè)定作為上限電流:
[0014]⑷由燃料電池的單電池電壓下降限制的電流值；
[0015](B)由燃料電池和輔機(jī)類限制的電流值；
[0016](C)由對(duì)燃料電池的電壓進(jìn)行控制的電壓轉(zhuǎn)換器的最大升壓比限制的電流值；
[0017](D)為了對(duì)燃料電池的栗氫引起的排氣氫濃度的上升進(jìn)行抑制而限制的電流值；
[0018](E)由系統(tǒng)整體的電力容許量限制的電流值。
[0019]而且，在上述結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選將以下所示的(F)?(H)中的至少一個(gè)的最大值設(shè)定作為下限電流:
[0020](F)將要求發(fā)電量除以高電位回避電壓而得到的電流值；
[0021](G)將要求發(fā)電量對(duì)照所述燃料電池的性能曲線而得到的電流值；
[0022](H)將要求發(fā)電量除以發(fā)熱效率維持電壓而得到的電流值。
[0023]而且，在上述結(jié)構(gòu)中，可以將電流指令值對(duì)照燃料電池的性能曲線而得到的電壓值和發(fā)熱效率維持電壓中的較小的一方設(shè)定作為上限電壓。
[0024]而且，本發(fā)明的另一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)通過低效率運(yùn)轉(zhuǎn)而對(duì)燃料電池進(jìn)行預(yù)熱，其特征在于，具備:決定部，根據(jù)要求發(fā)電量和要求發(fā)熱量來決定電流目標(biāo)值；第一設(shè)定部，在電流目標(biāo)值從上限電流及下限電流的范圍脫離的情況下，以使電流目標(biāo)值進(jìn)入上限電流及下限電流的范圍內(nèi)的方式將電流目標(biāo)值設(shè)定作為電流指令值；第二設(shè)定部，通過將要求發(fā)電量除以電流指令值而求出與電流指令值對(duì)應(yīng)的目標(biāo)電壓值，在目標(biāo)電壓值超過上限電壓的情況下，以使目標(biāo)電壓值進(jìn)入上限電壓的范圍內(nèi)的方式將目標(biāo)電壓值設(shè)定作為電壓指令值；第三設(shè)定部，在電壓指令值從針對(duì)燃料電池的電壓測(cè)定值而設(shè)定的規(guī)定范圍脫離的情況下，以使電壓指令值進(jìn)入規(guī)定范圍的方式將電壓指令值設(shè)定作為最終電壓指令值；導(dǎo)出部，將電壓指令值與電流指令值相乘所得到的值除以最終電壓指令值，來得到最終電流指令值；及控制部，以最終電流指令值及最終電壓指令值使燃料電池動(dòng)作。
[0025]【發(fā)明效果】
[0026]如以上說明那樣，根據(jù)本發(fā)明，在通過低效率運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)燃料電池進(jìn)行預(yù)熱的燃料電池系統(tǒng)中，能夠避免電流限制等各種限制并使?jié)M足要求發(fā)電量的情況優(yōu)先而使燃料電池動(dòng)作。
【附圖說明】
[0027]圖1是表示本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)的圖。
[0028]圖2是表示預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)作點(diǎn)的決定工藝的流程圖。
[0029]圖3是表示燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作點(diǎn)的變化的概念圖。
[0030]圖4A是表示燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作點(diǎn)的變化的概念圖。
[0031]圖4B是表示燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作點(diǎn)的變化的概念圖。
[0032]圖4C是表示燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作點(diǎn)的變化的概念圖。
[0033]圖5A是表示燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作點(diǎn)的變化的概念圖。
[0034]圖5B是表示燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作點(diǎn)的變化的概念圖。
[0035]圖5C是表示燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作點(diǎn)的變化的概念圖。
[0036]圖6A是表示燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作點(diǎn)的變化的概念圖。
[0037]圖6B是表示燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作點(diǎn)的變化的概念圖。
[0038]圖6C是表示燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作點(diǎn)的變化的概念圖。
[0039]圖7是用于說明電流上限閾值Iupl、電流下限閾值Ilol及電壓上限閾值Vupl的決定方法的概念圖。
[0040]圖8是用于說明電壓上限閾值VupI的決定方法的概念圖。
[0041]圖9是表示以往的燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)作點(diǎn)的變化的概念圖。
[0042]【符號(hào)說明】
[0043]10.??燃料電池系統(tǒng)，20.??燃料電池組，30…氧化氣體供給系統(tǒng)，40…燃料氣體供給系統(tǒng)，50...電力系統(tǒng)，60...冷卻系統(tǒng)，70...控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0044]以下，關(guān)于本發(fā)明的實(shí)施方式，參照附圖進(jìn)行說明。
[0045]A.本實(shí)施方式
[0046]A-1.結(jié)構(gòu)
[0047]圖1是搭載有本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10的車輛的概略結(jié)構(gòu)。需要說明的是，在以下的說明中，作為車輛的一例而設(shè)想了燃料電池機(jī)動(dòng)車(FCHV;Fuel Cell HybridVehicle)，但并不局限于車輛，也可以應(yīng)用于各種移動(dòng)體(例如，船舶或飛機(jī)、機(jī)器人等)或固定型電源、以及便攜型的燃料電池系統(tǒng)。
[0048]燃料電池系統(tǒng)10是作為搭載于燃料電池車輛的