燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及對(duì)燃料電池進(jìn)行預(yù)熱的燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]關(guān)于燃料電池，一般來(lái)說(shuō)70°C前后被設(shè)為適于發(fā)電的溫度域。因此，在燃料電池系統(tǒng)被啟動(dòng)的情況下，希望使燃料電池迅速地升溫至適于發(fā)電的溫度域。
[0003]在JP2009— 4243A中，公開(kāi)了利用通過(guò)使燃料電池自身發(fā)電而產(chǎn)生的自發(fā)熱來(lái)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】

[0004]在當(dāng)前正在開(kāi)發(fā)的燃料電池系統(tǒng)中，在零下啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)對(duì)燃料電池的冷卻水進(jìn)行加熱的加熱器、對(duì)致動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)而向燃料電池供應(yīng)陰極氣體的壓縮機(jī)等輔機(jī)，消耗通過(guò)燃料電池而發(fā)電的電力。由此，燃料電池通過(guò)伴隨發(fā)電的自發(fā)熱和冷卻水的加熱這兩者而盡早被預(yù)熱。
[0005]在燃料電池的預(yù)熱時(shí)，由于燃料電池的IV特性差且輸出也變得不穩(wěn)定，存在燃料電池的發(fā)電電力與由輔機(jī)消耗的規(guī)定的電力相比不足的情況。此時(shí)，通過(guò)在燃料電池和蓄電池(battery)之間連接的轉(zhuǎn)換器而對(duì)燃料電池或蓄電池的電壓進(jìn)行調(diào)整，從蓄電池將相應(yīng)于不足的量的電力供應(yīng)給輔機(jī)。
[0006]但是，若從蓄電池向輔機(jī)持續(xù)放出電力，則導(dǎo)致蓄電池過(guò)放電。作為其對(duì)策，例如若將從蓄電池向加熱器的供應(yīng)電力限制得較低，則由于加熱器對(duì)冷卻水的加熱量變少，所以存在燃料電池的預(yù)熱所需的時(shí)間變長(zhǎng)的問(wèn)題。
[0007]本發(fā)明著眼于這樣的問(wèn)題而完成，其目的在于，提供抑制蓄電池的過(guò)放電，且實(shí)現(xiàn)燃料電池的盡早預(yù)熱的燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)的控制方法。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的某一方式，燃料電池系統(tǒng)具備:蓄電池，儲(chǔ)蓄電力;輔機(jī)，包含進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以使用于使燃料電池發(fā)電的氣體被供應(yīng)給所述燃料電池的致動(dòng)器、和加熱對(duì)所述燃料電池進(jìn)行循環(huán)的冷卻水的加熱器。并且該燃料電池系統(tǒng)包含:預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)部，通過(guò)對(duì)所述輔機(jī)進(jìn)行調(diào)整，從而從所述燃料電池取得規(guī)定的電力;放電控制部，在通過(guò)所述燃料電池而發(fā)電的發(fā)電電力比由所述輔機(jī)消耗的電力小的情況下，從所述蓄電池向所述輔機(jī)供應(yīng)電力。進(jìn)而該燃料電池系統(tǒng)包含:輔機(jī)限制部，在通過(guò)所述預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)部進(jìn)行所述燃料電池的預(yù)熱的情況下，在通過(guò)所述放電控制部從所述蓄電池向所述輔機(jī)供應(yīng)電力時(shí)，限制由所述致動(dòng)器消耗的電力。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。
[0010]圖2是表示控制器的功能結(jié)構(gòu)的框圖。
[0011 ]圖3是表示對(duì)燃料電池的預(yù)熱進(jìn)行限制的方法的流程圖。
[0012]圖4是表示第二實(shí)施方式中的陰極氣體流量控制部的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0013]圖5是表示過(guò)放電防止標(biāo)志生成部的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0014]圖6是表示陰極氣體壓力控制部的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0015]圖7是表示加熱器輸出控制部的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0016]圖8是表示加熱器可供應(yīng)電力運(yùn)算部的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0017]圖9是表示燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱限制時(shí)的動(dòng)作的時(shí)間圖。
[0018]圖10是表示第三實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱限制時(shí)的動(dòng)作的時(shí)間圖。
[0019]圖11是表示第四實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)的預(yù)熱限制時(shí)的動(dòng)作的時(shí)間圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下，參照附圖等說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0021](第一實(shí)施方式)
[0022]圖1是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)的圖。
[0023]燃料電池系統(tǒng)100是對(duì)燃料電池堆(只夕、;/夕)I從外部供應(yīng)陰極氣體以及陽(yáng)極氣體，且根據(jù)負(fù)荷而使燃料電池堆I發(fā)電的電源系統(tǒng)。在本實(shí)施方式中，燃料電池系統(tǒng)100對(duì)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)53等負(fù)荷，供應(yīng)通過(guò)燃料電池堆I而發(fā)電的發(fā)電電力。
[0024]燃料電池系統(tǒng)100具備燃料電池堆1、陰極氣體供排裝置2、陽(yáng)極氣體供排裝置3、堆冷卻裝置4、電力系統(tǒng)5、控制器6。
[0025]燃料電池堆I是將幾百枚燃料電池、所謂電池單元(ir/W進(jìn)行了層疊的層疊電池。燃料電池堆I接受陽(yáng)極氣體以及陰極氣體的供應(yīng)而進(jìn)行發(fā)電。在燃料電池堆I中，作為用于取出電力的端子，設(shè)置有陽(yáng)極電極側(cè)輸出端子11、和陰極電極側(cè)輸出端子12。
[0026]燃料電池由陽(yáng)極電極(燃料極)、陰極電極(氧化劑極)、被陽(yáng)極電極以及陰極電力夾著的電解質(zhì)膜而構(gòu)成。燃料電池在陽(yáng)極電極中使用含有氫的陽(yáng)極氣體(燃料氣體)、在陰極電極中使用含有氧的陰極氣體(氧化劑氣體)，通過(guò)電解質(zhì)膜產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。在陽(yáng)極電極以及陰極電極這兩個(gè)電極中，進(jìn)行以下的電化學(xué)反應(yīng)。
[0027]陽(yáng)極電極:2H2—4H++4e-...(I)
[0028]陰極電極:4H++4e—+Ο2—2H20...(2)
[0029]在燃料電池中，通過(guò)上述(I)以及(2)的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)且生成水。在燃料電池堆I中，層疊后的燃料電池的各個(gè)以相互串聯(lián)的方式連接，所以在各燃料電池中產(chǎn)生的單元電壓的總和成為燃料電池堆I的輸出電壓(例如幾百伏特)。
[0030]向燃料電池堆I，通過(guò)陰極氣體供排裝置2而供應(yīng)陰極氣體，此外通過(guò)陽(yáng)極氣體供排裝置3而供應(yīng)陽(yáng)極氣體。
[0031]陰極氣體供排裝置2是向燃料電池堆I供應(yīng)陰極氣體，且將從燃料電池堆I排出的陰極廢氣向外部空氣排出的裝置。
[0032]陰極氣體供排裝置2具備陰極氣體供應(yīng)通路21、過(guò)濾器22、陰極流量傳感器23、陰極壓縮機(jī)24、溫度傳感器25、陰極壓力傳感器26。進(jìn)而陰極氣體供排裝置2具備水分回收裝置(Water Recovery Device ；以下稱(chēng)為“WRD”。)27、陰極氣體排出通路28、陰極調(diào)壓閥29。
[0033]陰極氣體供應(yīng)通路21是被供應(yīng)給燃料電池堆I的陰極氣體流過(guò)的通路。陰極氣體供應(yīng)通路21的一端與過(guò)濾器22連接，另一端與燃料電池堆I的陰極氣體入口孔連接。
[0034]過(guò)濾器22去除被獲取至陰極氣體供應(yīng)通路21的陰極氣體中的異物。
[0035]陰極流量傳感器23被設(shè)置在與陰極壓縮機(jī)24相比更上游的陰極氣體供應(yīng)通路21中。陰極流量傳感器23對(duì)被供應(yīng)給陰極壓縮機(jī)24，最終被供應(yīng)給燃料電池堆I的陰極氣體的流量進(jìn)行檢測(cè)。
[0036]陰極壓縮機(jī)24被設(shè)置在陰極氣體供應(yīng)通路21中。陰極壓縮機(jī)24經(jīng)由過(guò)濾器22從外部空氣將空氣獲取至陰極氣體供應(yīng)通路21，將該空氣作為陰極氣體而供應(yīng)給燃料電池堆I。即，陰極壓縮機(jī)24相當(dāng)于進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以使向燃料電池堆I供應(yīng)空氣的致動(dòng)器。
[0037]溫度傳感器25被設(shè)置在陰極壓縮機(jī)24和WRD27之間的陰極氣體供應(yīng)通路21中。溫度傳感器25對(duì)WRD27的陰極氣體入口側(cè)的溫度進(jìn)行檢測(cè)。
[0038]陰極壓力傳感器26被設(shè)置在陰極壓縮機(jī)24和WRD27之間的陰極氣體供應(yīng)通路21中。陰極壓力傳感器26對(duì)WRD27的陰極氣體入口側(cè)的壓力(以下稱(chēng)為“WRD入口壓力”。)進(jìn)行檢測(cè)。由陰極壓力傳感器26檢測(cè)出的值被輸出給控制器6。
[0039]WRD27與陰極氣體供應(yīng)通路21以及陰極氣體排出通路28分別連接，對(duì)流過(guò)陰極氣體排出通路28的陰極廢氣中的水分進(jìn)行回收，通過(guò)該回收后的水分而對(duì)流過(guò)陰極氣體供應(yīng)通路21的陰極氣體進(jìn)行加濕。
[0040]陰極氣體排出通路28是從燃料電池堆I排出的陰極廢氣流過(guò)的通路。陰極氣體排出通路28的一端與燃料電池堆I的陰極氣體出口孔連接，另一端成為開(kāi)口端。
[0041]陰極調(diào)壓閥29被設(shè)置在陰極氣體排出通路28中。陰極調(diào)壓閥29對(duì)被供應(yīng)給燃料電池堆I的陰極氣體的壓力進(jìn)行調(diào)整。陰極調(diào)壓閥29通過(guò)控制器6而被控制。例如，為了使陰極壓縮機(jī)24的消耗電力增加，通過(guò)陰極調(diào)壓閥29而提高陰極氣體的壓力。
[0042]陽(yáng)極氣體供排裝置3是向燃料電池堆I供應(yīng)陽(yáng)極氣體，且將從燃料電池堆I排出的陽(yáng)極廢氣排出至陰極氣體排出通路28的裝置。陽(yáng)極氣體供排裝置3具備高壓罐31、陽(yáng)極氣體供應(yīng)通路32、陽(yáng)極調(diào)壓閥33、陽(yáng)極壓力傳感器34、陽(yáng)極氣體排出通路35、清除閥(/、°一夕弁)36 ο
[0043]高壓罐31將供應(yīng)給燃料電池堆I的陽(yáng)極氣體保持高壓狀態(tài)而儲(chǔ)藏。
[0044]陽(yáng)極氣體供應(yīng)通路32是用于從高壓罐31將陽(yáng)極氣體供應(yīng)給燃料電池堆I的通路。陽(yáng)極氣體供應(yīng)通路32的一端與高壓罐31連接，另一端與燃料電池堆I的陽(yáng)極氣體入口孔連接。
[0045]陽(yáng)極調(diào)壓閥33被設(shè)置在陽(yáng)極氣體供應(yīng)通路32中。陽(yáng)極調(diào)壓閥33通過(guò)控制器6進(jìn)行開(kāi)閉控制，將從高壓罐31推出的陽(yáng)極氣體的壓力調(diào)節(jié)為期望的壓力。
[0046]陽(yáng)極壓力傳感器34被設(shè)置在與陽(yáng)極調(diào)壓閥33相比更下游的陽(yáng)極氣體供應(yīng)通路32中。陽(yáng)極壓力傳感器34對(duì)在燃料電池堆I的陽(yáng)極氣體入口孔中流過(guò)的陽(yáng)極氣體的壓力進(jìn)行檢測(cè)。由陽(yáng)極壓力傳感器34檢測(cè)出的值被輸出給控制器6。
[0047]陽(yáng)極氣體排出通路35是從燃料電池堆I排出的陽(yáng)極廢氣流過(guò)的通路。陽(yáng)極氣體排出通路35的一端與燃料電池堆I的陽(yáng)極氣體出口孔連接，另一端與陰極氣體排出通路28連接。
[0048]清除閥36被設(shè)置在陽(yáng)極氣體排出通路35中。清除閥36通過(guò)控制器6進(jìn)行開(kāi)閉控制，對(duì)從陽(yáng)極氣體排出通路35排出至陰極氣體排出通路28的陽(yáng)極廢氣的流量進(jìn)行控制。
[0049]堆冷卻裝置4是通過(guò)冷卻水而冷卻燃料電池堆I，將燃料電池堆I保持為適于發(fā)電的溫度的裝置。
[0050]堆冷卻裝置4具備冷卻水循環(huán)通路41、散熱器42、旁路通路43、三通閥44、循環(huán)栗45、冷卻水加熱器46、第一水溫傳感器47、第二水溫傳感器48。
[0051]冷卻水循環(huán)通路41是用于對(duì)燃料電池堆I進(jìn)行冷卻的冷卻水進(jìn)行循環(huán)的通路。
[0052]散熱器42被設(shè)置在冷卻水循環(huán)通路41中。散熱器42對(duì)從燃料電池堆I排出的冷卻水進(jìn)行冷卻。
[0053]旁路通路43從冷卻水循環(huán)通路41分支并與三通閥44連接，以繞開(kāi)散熱器42。通過(guò)旁路通路43，能夠使得冷卻水在燃料電池堆I中循環(huán)而冷卻水不流向散熱器42。
[0054]三通閥44被設(shè)置在與散熱器42相比更下游側(cè)的冷卻水循環(huán)通路41中。三通閥44根據(jù)冷卻水的溫度而切換冷卻水的循環(huán)路徑。
[0055]在三通閥44中，若冷卻水的溫度相對(duì)變高，則切換冷卻水的循環(huán)路徑以使從燃料電池堆I排出的冷卻水經(jīng)由散熱器42而再次被供應(yīng)給燃料電池堆I。相反，若冷卻水的溫度相對(duì)變低，則切換冷卻水的循環(huán)路徑以使從燃料電池堆I排出的冷卻水不經(jīng)由散熱器42，而是流過(guò)旁路通路43而再次被供應(yīng)給燃料電池堆I。
[0056]循環(huán)栗45被設(shè)置在與三通閥44相比更下游側(cè)的冷卻水循環(huán)通路41中，用于使冷卻水循環(huán)。
[0057]冷卻水加熱器46被設(shè)置在旁路通路43中。冷卻水加熱器46在對(duì)燃料電池堆I進(jìn)行預(yù)熱的期間從燃料電池堆I被通電，使冷卻水的溫度上升。
[0058]第一水溫傳感器47被設(shè)置在與散熱器42相比更上游的冷卻水循環(huán)通路41中。第一水溫傳感器47對(duì)從燃料電池堆I排出的冷卻水的溫度(以下稱(chēng)為“堆出口水溫”。)進(jìn)行檢測(cè)。
[0059]第二水溫傳感器48被設(shè)置在循環(huán)栗45和燃料電池堆I之間的冷卻水循環(huán)通路41中。第二水溫傳感器48對(duì)被供應(yīng)給燃料電池堆I的冷卻水的溫度(以下稱(chēng)為“堆入口水溫” ο)進(jìn)行檢測(cè)。
[0060]電力系統(tǒng)5具備堆電流傳感器51、堆電壓傳感器52、驅(qū)動(dòng)電機(jī)53、逆變器54、蓄電池55、DC/DC轉(zhuǎn)換器56、輔機(jī)類(lèi)57、蓄電池電流傳感器58、蓄電池電壓傳感器59。
[0061 ]堆電流傳感器51與陽(yáng)極電極側(cè)輸出端子11連接，對(duì)從燃料電池堆I取出的輸出電流進(jìn)行檢測(cè)。
[0062]堆電壓傳感器52對(duì)陽(yáng)極電極側(cè)輸出端子11和陰極電極側(cè)輸出端子12之間的端子間電壓(以下稱(chēng)為“輸出電壓”。)進(jìn)行檢測(cè)。另外，也可以通過(guò)蓄電池電壓傳感器59，對(duì)在燃料電池堆I中層疊的各電池單元的電壓進(jìn)行檢測(cè)。
[0063]驅(qū)動(dòng)電機(jī)53是在轉(zhuǎn)子中埋設(shè)永久磁鐵，在圓周狀的定子上以等間隔的方式設(shè)置的各齒上纏繞線(xiàn)圈的三相交流同步電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)53具有作為通過(guò)從燃料電池堆I以及蓄電池55供應(yīng)的電力而旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的功能、和作為在車(chē)輛的減速時(shí)轉(zhuǎn)子通過(guò)外力而旋轉(zhuǎn)從而使線(xiàn)圈的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)、所謂再生電力的發(fā)電機(jī)的功能。
[0064]逆變器54由多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、例如IGBT(絕緣柵雙極晶體管(Insulated GateBipolar Transistor))構(gòu)成。逆變器54的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)通過(guò)控制器6進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，直流電力被轉(zhuǎn)換為交流電力，或交流電力被轉(zhuǎn)換為直流電力。
[0065]逆變器54在使驅(qū)動(dòng)電機(jī)53作為電動(dòng)機(jī)而發(fā)揮作用時(shí)，將合成直流電力轉(zhuǎn)換為三相交流電力而供應(yīng)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)53，其中，該合成直流電力是將從燃料電池堆I取出的發(fā)電電力、和從蓄電池55放電的放電電力進(jìn)行了合成的合成直流電力。另一方面，在使驅(qū)動(dòng)電機(jī)53作為發(fā)電機(jī)而發(fā)揮作用時(shí)，逆變器54將驅(qū)動(dòng)電機(jī)53的再生電力(三相交流電力)轉(zhuǎn)換為直流電力而供應(yīng)給蓄電池55。
[0066]蓄電池55是儲(chǔ)蓄電力的二次電池。蓄電池55例如由鋰離子蓄電池等來(lái)實(shí)現(xiàn)。蓄電池55將驅(qū)動(dòng)電機(jī)53的再生電力、或由燃料電池堆I發(fā)電的電力進(jìn)行充電。被充電給蓄電池55的電力根據(jù)需要而被供應(yīng)給輔機(jī)類(lèi)57以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)53。
[0067]DC/DC轉(zhuǎn)換器56是對(duì)燃料電池堆I的電壓和蓄電池55的電壓的其中一個(gè)進(jìn)行調(diào)整的雙方向性的電壓轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器56的一方的電壓端子與燃料電池堆I連接，另一方的電壓端子與蓄電池55連接。
[0068]DC/DC轉(zhuǎn)換器56對(duì)通過(guò)蓄電池55的電力而在燃料電池堆I側(cè)的電壓端子中產(chǎn)生的電壓進(jìn)行升壓或降壓。通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器56，燃料電池堆I的輸出電壓被控制