燃料電池系統(tǒng)及燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)控制方法，尤其是涉及從間歇運轉(zhuǎn)或預(yù)熱運轉(zhuǎn)向通常運轉(zhuǎn)恢復(fù)時的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是通過電化學(xué)工藝使燃料氧化，由此將伴隨著氧化反應(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]在對這種燃料電池系統(tǒng)進行通常運轉(zhuǎn)時，為了提高燃料電池組的發(fā)電效率，以使燃料電池組的動作點在圖4所示那樣的電流-電壓的特性線(所謂IV特性線)Lal上移動的方式控制燃料電池組的發(fā)電。另一方面，在使燃料電池系統(tǒng)進行間歇運轉(zhuǎn)或預(yù)熱運轉(zhuǎn)時，以使燃料電池組的動作點在從IV特性線Lal偏離的區(qū)域(參照圖4所示的間歇運轉(zhuǎn)區(qū)域Aim、預(yù)熱運轉(zhuǎn)區(qū)域Awp)移動的方式控制燃料電池組的發(fā)電。需要說明的是，預(yù)熱運轉(zhuǎn)是在低溫起動時(例如，冰點下起動時)，與通常運轉(zhuǎn)時相比縮減空氣化學(xué)計量比，由此特意降低發(fā)電效率，相應(yīng)地增加燃料電池組的發(fā)熱量的運轉(zhuǎn)。另一方面，間歇運轉(zhuǎn)是在低負載運轉(zhuǎn)時(例如，怠速中或擁堵行駛中等)，使向燃料電池組的氧化氣體及燃料氣體的供給暫時停止的運轉(zhuǎn)。
[0004]作為與之關(guān)聯(lián)的技術(shù)，例如在下述專利文獻I中公開了如下的控制方法:在從發(fā)電效率低的運轉(zhuǎn)(間歇運轉(zhuǎn))向發(fā)電效率高的運轉(zhuǎn)(通常運轉(zhuǎn))的恢復(fù)中，為了確保燃料電池組的輸出響應(yīng)性能，在間歇運轉(zhuǎn)中，少量且連續(xù)地供給氧化氣體，在要求電力超過了規(guī)定值的情況下，切換成通常運轉(zhuǎn)。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在對燃料電池組進行間歇運轉(zhuǎn)期間，能夠抑制燃料電池組的輸出電壓超過開放端電壓的問題(換言之，進行高電位回避控制)。
[0005]【在先技術(shù)文獻】
[0006]【專利文獻】
[0007]【專利文獻I】日本特開2010-244937號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]【發(fā)明要解決的課題】
[0009]然而，在上述現(xiàn)有技術(shù)中，被指出當按照發(fā)電要求而過度提升電流時，會產(chǎn)生燃料電池組的輸出電壓無法恢復(fù)這樣的問題，反之，若為了等待燃料電池組的輸出電壓的上升而不提升輸出電流，則電力響應(yīng)性下降這樣的問題。
[0010]本發(fā)明鑒于以上說明的情況而作出，目的在于提供一種在從間歇運轉(zhuǎn)或預(yù)熱運轉(zhuǎn)等發(fā)電效率低的運轉(zhuǎn)向通常運轉(zhuǎn)恢復(fù)時的燃料電池系統(tǒng)中，能夠同時實現(xiàn)燃料電池的輸出電壓的恢復(fù)和電力響應(yīng)性的提高的技術(shù)。
[0011]【用于解決課題的方案】
[0012]為了解決上述的問題，本發(fā)明的一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制方法是從發(fā)電效率比通常運轉(zhuǎn)低的低效率運轉(zhuǎn)向通常運轉(zhuǎn)恢復(fù)時的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括:第一步驟，在燃料電池的測定電壓超過了燃料電池的下限電壓的情況下，將燃料電池的輸出電流提高至設(shè)定的容許電流;及第二步驟，在提高了輸出電流之后，將下限電壓更新為測定電壓，反復(fù)進行第一步驟和第二步驟，直至測定電壓達到設(shè)定的極限電壓。
[0013]在此，在上述結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選的是，還包括如下的第三步驟:在測定電壓未超過所述下限電壓的情況下降低輸出電流，而且，還優(yōu)選的是，容許電流基于向燃料電池供給的氧化氣體供給量和空氣化學(xué)計量比來設(shè)定。需要說明的是，上述結(jié)構(gòu)中的低效率運轉(zhuǎn)可以是間歇運轉(zhuǎn)或預(yù)熱運轉(zhuǎn)中的任一個。
[0014]而且，本發(fā)明的另一實施方式的燃料電池系統(tǒng)能夠在發(fā)電效率比通常運轉(zhuǎn)低的低效率運轉(zhuǎn)與通常運轉(zhuǎn)之間進行運轉(zhuǎn)切換，其特征在于，具備:電流控制部，在燃料電池的測定電壓超過了燃料電池的下限電壓的情況下，將燃料電池的輸出電流提高至設(shè)定的容許電流;電壓更新部，在輸出電流被提高之后，將下限電壓更新為測定電壓;及控制部，反復(fù)執(zhí)行由電流控制部進行的提高輸出電流的動作和由電壓更新部進行的將下限電壓更新為測定電壓的動作，直至測定電壓達到設(shè)定的極限電壓。
[0015]【發(fā)明效果】
[0016]如以上說明那樣，根據(jù)本發(fā)明，在從間歇運轉(zhuǎn)或預(yù)熱運轉(zhuǎn)等發(fā)電效率低的運轉(zhuǎn)向通常運轉(zhuǎn)恢復(fù)時的燃料電池系統(tǒng)中，能夠避免電流限制等各種限制，并使?jié)M足要求發(fā)電量優(yōu)先而決定燃料電池的動作點。
【附圖說明】
[0017]圖1是表示本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)的圖。
[0018]圖2是表示從間歇運轉(zhuǎn)向通常運轉(zhuǎn)恢復(fù)的情況的運轉(zhuǎn)控制工藝的流程圖。
[0019]圖3是表示加速器開度信號ACC、運轉(zhuǎn)模式0m、FC電壓Vfc、空氣流量Fa、FC電流Ifc的關(guān)系的時間圖。
[0020]圖4是表示以往的燃料電池系統(tǒng)中的運轉(zhuǎn)動作點的變化的概念圖。
[0021]【符號說明】
[0022 ] 1…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。
【具體實施方式】
[0023]以下，參照附圖，說明本發(fā)明的實施方式。
[0024]A.本實施方式
[0025]A-1.結(jié)構(gòu)
[0026]圖1是搭載有本實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，設(shè)想燃料電池汽車(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)作為車輛的一例，但是不僅是車輛，也可以應(yīng)用于各種移動體(例如，船舶、飛機、機器人等)或固定型電源、以及便攜型的燃料電池系統(tǒng)。
[0027]燃料電池系統(tǒng)10是在發(fā)電效率比通常運轉(zhuǎn)低的低效率運轉(zhuǎn)與通常運轉(zhuǎn)之間能夠進行運轉(zhuǎn)切換的燃料電池系統(tǒng)(詳情后述)，作為搭載于燃料電池車輛的車載電源系統(tǒng)發(fā)揮功能。燃料電池系統(tǒng)10具備:接受反應(yīng)氣體(燃料氣體、氧化氣體)的供給而發(fā)電的燃料電池組20;用于將作為氧化氣體的空氣向燃料電池組20供給的氧化氣體供給系統(tǒng)30;用于將作為燃料氣體的氫氣向燃料電池組20供給的燃料氣體供給系統(tǒng)40;用于控制電力的充放電的電力系統(tǒng)50;用于對燃料電池組20進行冷卻的冷卻系統(tǒng)60;對系統(tǒng)整體進行控制的控制器(ECU)70o
[0028]燃料電池組20是將多個單電池串聯(lián)層疊而成的固體高分子電解質(zhì)型單電池組。在燃料電池組20中，在陽極產(chǎn)生(I)式的氧化反應(yīng)，在陰極產(chǎn)生(2)式的還原反應(yīng)。作為燃料電池組20整體，產(chǎn)生(3)式的起電反應(yīng)。
[0029]H2—2H++2e—---(I)
[0030](l/2)02+2H++2e——H20 ---(2)
[0031]Η2+(1/2)02^Η20---(3)
[0032]在燃料電池組20安裝有用于檢測燃料電池組20的輸出電壓的電壓傳感器71、用于檢測發(fā)電電流的電流傳感器72、以及用于檢測單電池電壓的單電池電壓傳感器73。
[0033]氧化氣體供給系統(tǒng)30具有向燃料電池組20的陰極供給的氧化氣體所流動的氧化氣體通路34、從燃料電池組20排出的氧化廢氣所流動的氧化廢氣通路36。在氧化氣體通路34設(shè)有:經(jīng)由過濾器31而從大氣中取入氧化氣體的空氣壓縮器32;用于對向燃料電池組20的陰極供給的氧化氣體進行加濕的加濕器33;用于調(diào)整氧化氣體供給量的節(jié)流閥35。在氧化廢氣通路36設(shè)有:用于調(diào)整氧化氣體供給壓的背壓調(diào)整閥37;在氧化氣體(干燥氣體)與氧化廢氣(濕潤氣體)之間用于進行水分交換的加濕器33。
[0034]燃料氣體供給系統(tǒng)40具有:燃料氣體供給源41;從燃料氣體供給源41向燃料電池組20的陽極供給的燃料氣體流動的燃料氣體通路45;用于使從燃料電池組20排出的燃料廢氣向燃料氣體通路45返回的循環(huán)通路46;將循環(huán)通路46內(nèi)的燃料廢氣向燃料氣體通路45進行壓力輸送的循環(huán)栗47;與循環(huán)通路46分支連接的排氣排水通路48。
[0035]燃料氣體供給源41例如由高壓氫罐或儲氫合金等構(gòu)成，積存高壓(例如35MPa至70MPa)的氫氣。當打開截止閥42時，燃料氣體從燃料氣體供給源41向燃料氣體通路45流出。燃料氣體由調(diào)節(jié)器43或噴射器44減壓至例如200kPa左右，向燃料電池組20供給。
[0036]需要說明的是，燃料氣體供給源41可以由從烴系的燃料生成富氫的改質(zhì)氣體的改質(zhì)器、將由該改質(zhì)器生成的改質(zhì)氣體形成高壓狀態(tài)并蓄壓的高壓氣體罐構(gòu)成。
[0037]調(diào)節(jié)器43是將其上游側(cè)壓力(一次壓)調(diào)壓成預(yù)先設(shè)定的二次壓的裝置，例如，由對一次壓進行減壓的機械式的減壓閥等構(gòu)成。機械式的減壓閥具有背壓室與調(diào)壓室由隔膜分隔而形成的殼體，具有通過背壓室內(nèi)的背壓在調(diào)壓室內(nèi)將一次壓減壓成規(guī)定的壓力而形成二次壓的結(jié)構(gòu)。
[0038]噴射器44是利用電磁驅(qū)動力直接以規(guī)定的驅(qū)動周期驅(qū)動閥芯而使閥芯從閥座分離，由此能夠調(diào)整氣體流量或氣體壓的電磁驅(qū)動式的開閉閥。噴射器44具備:噴嘴體，具備具有噴射燃料氣體等氣體燃料的噴射孔的閥座，并將該氣體燃料供給引導(dǎo)至噴射孔的噴嘴體；閥芯，被收容保持成相對于該噴嘴體能夠沿軸線方向(氣體流動方向)移動并對噴射孔進行開閉。
[0039]在排氣排水通路48配設(shè)有排氣排水閥49。排氣排水閥49按照來自控制器70的指令而工作，由此將循環(huán)通路46內(nèi)的包含雜質(zhì)的燃料廢氣和水分向外部排出。通過排氣排水閥49的開閥，循環(huán)通路46內(nèi)的燃料廢氣中的雜質(zhì)的濃度下降，能夠提升在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的燃料廢氣中的氫濃度。
[0040]經(jīng)由排氣排水閥49而排出的燃料廢氣與在氧化廢氣通路36中流動的氧化廢氣混合，由稀釋器(未圖示)稀釋。循環(huán)栗47將循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的燃料廢氣通過電動機驅(qū)動向燃料電池組20進行循環(huán)供給。
[0041]電力系統(tǒng)50具備燃料電池組用的轉(zhuǎn)換器(FDC)51a、蓄電池用的轉(zhuǎn)換器(BDC)51b、蓄電池52、牽引逆變器53、牽引電動機54及輔機類55 JDCSla擔任對燃料電池組20的輸出電壓進行控制的作用，是將輸入到一次側(cè)(輸入側(cè):燃料電池組20側(cè))的輸出電壓轉(zhuǎn)換(升壓或降壓)成與一次側(cè)不同的電壓值向二次側(cè)(輸出側(cè):逆變器53側(cè))輸出，而且反之將輸入到二次側(cè)的電壓轉(zhuǎn)換成與二次側(cè)不同的電壓向一次側(cè)輸出的雙方向的電壓轉(zhuǎn)換裝置。通過該FDC51a的電壓轉(zhuǎn)換控制，來控制燃料電池組20的動作點(1、V)。
[0042]BDC51b起到對逆變器53的輸入電壓進行控制的作用，具有與例如n)C51a同樣的電路結(jié)構(gòu)。需要說明的是，BDC51b的電路結(jié)構(gòu)不是局限于上述的主旨，可以采用能夠進行逆變器53的輸入電壓的控制的所有結(jié)構(gòu)。
[0043]蓄電池52作為剩余電力的貯存源、再生制動時的再生能量貯存源、燃料電池車輛的與加速或減速相伴的負載變動時的能量緩沖器發(fā)揮功能。作為蓄電池52，優(yōu)選例如鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰二次電池等二次電池。
[0044]牽引逆變器53例如是以脈沖寬度調(diào)制方式驅(qū)動的HVM逆變器，按照來自控制器70的控制指令，將從燃料電池組20或蓄電池52輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成三相交流電壓，對牽引電動機54的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)