专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术：
在燃料电池系统中，安装了固体高分子型燃料电池，其中在电解质层上具备具有 质子导电性的固体高分子膜。该燃料电池的固体高分子膜在湿润状态下表现出高质子导电 性，由此，重要的是将固体高分子膜保持在湿润状态下，从而有效率地产生电力。鉴于这种情形，提出了下述方法在基于燃料电池的开路电压来诊断燃料电池的 水分状态并且诊断出燃料电池处于干燥状态的情况下，执行用于降低燃料电池的温度的处 理(下文中被称作FC温度降低处理)(例如，参见专利文献1)。这里，与高温空气相比，低 温空气携带的水分量较少。因此，当如上所述降低了燃料电池温度时，从燃料电池排放的空 气的温度也降低，并且干燥的燃料电池的水分能够被控制在最佳状态。专利文献1 日本专利申请特开No. 2005-3258
发明内容
本发明要解决的问题然而，当燃料电池处于低温(例如，在低温起动等等的过程中)并且燃料电池处 于干燥状态时，必须执行下述处理(下文中被称作预热处理)一旦将燃料电池的温度进一 步降低，以使燃料电池的水分进入最佳状态之后，然后对燃料电池进行预热，使燃料电池的 温度接近目标温度。因此，在常规技术中，当燃料电池处于低温并且燃料电池处于干燥状态 时，必须执行诸如FC温度降低处理一预热处理的费力处理，并且存在的问题是，难以满足 处理的快速的要求。鉴于上述情形已经做出本发明，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，即使 当燃料电池处于低温并且处于干燥状态时，该燃料电池系统也能够快速并最佳地控制燃料 电池的水分状态和温度。解决向题的手段为了实现以上目的，本发明的燃料电池系统的特征在于包括第一判断装置，所述 第一判断装置用于判断燃料电池是否处于干燥状态；第二判断装置，在所述第二判断装置 用于在燃料电池被判断处于干燥状态的情况下，判断是否允许低效率发电，在所述低效率 发电中，要被供应到所述燃料电池的反应气体量比常规发电情况下小，并且电力损耗比所 述常规发电情况下大；以及发电控制装置，所述发电控制装置用于在判断允许所述低效率 发电的情况下执行所述低效率发电。根据这种组成，在判断燃料电池处于干燥状态并且随之判断允许低效率发电的情 况下，进行低效率发电。当进行低效率发电时，可以实现急速预热，并且燃料电池2的阴极 水分平衡可以被使得进入盈余(湿润)状态，与需要诸如FC温度降低处理一预热处理的费 力处理的常规技术相比，可以快速并最佳地控制燃料电池的水分状态和温度。
这里，以上组成优选地还包括冷却机构，在判断不允许所述低效率发电时，所述冷 却机构冷却所述燃料电池。此外，在以上组成中，所述第一判断装置优选地还包括用于测量所述燃料电池的 阻抗的阻抗测量装置，并且基于所述阻抗的测量结果来判断所述燃料电池是否处于干燥状 态。另外，在以上组成中，所述第二判断装置优选地还包括用于测量所述燃料电池的 关联温度的关联温度测量装置，并且基于所述关联温度的测量结果来判断是否允许所述低 效率发电。另外，以上组成优选地还包括蓄电器，所述蓄电器执行电力的充电或放电，并且 所述第二判断装置还包括用于检测所述蓄电器中充电状态的检测装置，并且基于所述关联 温度的测量结果和所述充电状态的检测结果来判断是否允许所述低效率发电。另外，在上述组成中，所述检测装置优选地检测所述蓄电器的SOC值或充电功率， 并且所述第二判断装置基于所述关联温度的测量结果和所述蓄电器的所述充电功率或者 所述SOC值的检测结果，来判断是否允许所述低效率发电。本发明的效果如上所述，根据本发明，即使当燃料电池处于低温并且燃料电池处于干燥状态时， 也能够快速并最佳地控制燃料电池的水分状态和温度。
图1是根据第一实施例的燃料电池系统的组成图示；图2是示出根据实施例的在FC电流与FC电压之间的关系的图示；图3是示出根据实施例的在FC电流与阴极水分平衡之间的关系的图示；图4是示出根据实施例的水分控制处理的流程图；以及图5是根据第二实施例的燃料电池系统的组成图示。附图标记说明1、1' 燃料电池系统2燃料电池7 控制设备42 冷却泵43散热器47温度传感器70 计时器72 电压传感器73 电流传感器74 SOC 传感器74'电池充电功率检测传感器91基准FC温度存储器92基准阻抗存储器93基准SOC存储器
93'基准电池充电可允许功率存储器
具体实施例方式下文中，将参照附图描述本发明的优选实施例。首先，将描述本发明燃料电池系统 的概况。A.第一实施例图1是根据第一实施例的燃料电池系统1的组成图示。燃料电池系统1可以安装在诸如燃料电池汽车(FCHV)、电动车或者混合动力车等的车辆100中。然而，燃料电池系统1甚至可以应用于除了车辆100之外的各种移动体(例 如，船、飞机、机器人等)、固定电源或者便携式燃料电池系统。燃料电池系统1包括燃料电池2 ；氧化气体管道系统3，该氧化气体管道系统3将 作为氧化气体的空气供应给燃料电池2 ；燃料气体管道系统4，该燃料气体管道系统4将作 为燃料气体的氢气供应给燃料电池2 ；制冷剂管道系统5，该制冷剂管道系统5将制冷剂供 应给燃料电池2 ；电力系统6，该电力系统6对系统1的电力进行充电或放电；以及控制设备 7，该控制设备7总体上控制系统1的运转。氧化气体和燃料气体可以统称为反应气体。燃料电池2是例如固体高分子电解质型，并且具有叠堆结构，在该叠堆结构中堆 叠了大量的单体单元。在每个单体单元中，在电解质层上具备具有质子导电性的固体高分 子膜，并且单体单元具有电解质的一个面上的空气极(阴极)、电解质的另一个面上的燃料 极(阳极)以及从两侧夹持空气极和燃料极的一对分隔物。氧化气体被供应到分隔物中的 一个的氧化气体流路2a，并且燃料气体被供应到分隔物中的另一个的燃料气体流路2b。燃 料电池2通过所供应的燃料气体和氧化气体之间的电化学反应来产生电力。氧化气体管道系统3具有通过其将氧化气体供应到燃料电池2的供应路径11，以 及从燃料电池2排放的氧化废气流过的排放路径12。供应路径11和排放路径12经由氧化 气体流路2a连通。氧化废气包括由燃料电池2的电池反应产生的水分，因此具有高度湿润 状态。供应路径11设置有通过空气净化器13取用外部空气的压缩机14和加湿通过压 缩机14压送到燃料电池2的氧化气体的加湿器15。加湿器15执行在流过供应路径11并 具有低湿润状态的氧化气体与流过排放路径12并具有高湿润状态的氧化废气之间的水分 交换，并且适当地加湿要被供应到燃料电池2的氧化气体。空气极侧的燃料电池2的背压由设置在排放路径12中靠近阴极出口的背压调节 阀16来调节。在背压调节阀16附近设置检测排放路径12中的压力的压力传感器P1。氧 化废气最终作为排气通过背压调节阀16和加湿器15被排放到系统外部的大气中。燃料气体管道系统4具有氢气供应源21 ；供应路径22，通过该供应路径22将氢 气从氢气供应源21供应到燃料电池2 ；循环路径23，该循环路径23将燃料电池2排放的氢 气废气(燃料废气)返回到供应路径22的合流点A ；泵24，该泵24将循环路径23中的氢 气废气压送至供应路径22 ；以及放气路径25，该放气路径25被分支并连接到循环路径23。 通过打开源阀26将从氢气供应源21排放到供应路径22的氢气通过压力调节阀27、另外的 减压阀和截断阀28供应到燃料电池2。放气路径25设置有放气阀33，用于将氢气废气排 放到氢稀释器(未示出)。
制冷剂管道系统(冷却机构)5具有制冷剂流路41，该制冷剂流路41与燃料电 池2中的冷却流路2c连通；冷却泵42，该冷却泵42设置在制冷剂流路41中；散热器43，该 散热器43冷却燃料电池2排放的制冷剂；迂回流路44，该迂回流路44绕过散热器43 ；以及 切换阀45，该切换阀45设置散热器43和迂回流路44的冷却水的经过。制冷剂流路41具 有温度传感器46，该温度传感器46设置在燃料电池2的制冷剂入口附近；以及温度传感 器47，该温度传感器47设置在燃料电池2的制冷剂出口附近。温度传感器47检测的制冷 剂温度(燃料电池的关联温度)反映了燃料电池2的内部温度(下文中被称作FC温度)。 应该注意的是，代替检测制冷剂温度(除了检测制冷剂温度之外)，温度传感器47可以检测 燃料电池周围的组件温度(燃料电池的关联温度)或者燃料电池周围的外部空气温度(燃 料电池的关联温度)。此外，燃料电池的冷却泵42由电机来驱动，从而使制冷剂流路41内 的制冷剂循环供应到燃料电池2。
电力系统6包括高压DC/DC变压器61、电池62、牵引逆变器63、牵引电机64以及 各种辅助设备逆变器65、66和67。高压DC/DC变压器61是直流电压变压器，并且具有调 节从电池62输入的直流电压以将该电压向牵引逆变器63侧输出的功能以及调节从燃料电 池2或牵引电机64输入的直流电压以将该电压向电池62输出的功能。电池62的充/放 电通过高压DC/DC变压器61的这些功能来实现。此外，燃料电池2的输出电压由高压DC/ DC变压器61控制。电池(蓄电器)62是可充电/可放电蓄电池，例如是镍氢电池等。可供选择的，各 种类型的蓄电池都是可用的。此外，可以使用除了蓄电池之外的可充电/可放电蓄电器(例 如，电容器)来替代电池62。牵引逆变器63将直流转换成三相交流电流，并且将该电流供应到牵引电机64。例 如，牵引电机64是三相交流电流电机。例如牵引电机64是其中安装了燃料电池系统1的 车辆100的主动力源，并且连接到车辆100的轮子101L、101R。辅助设备逆变器65、66和 67分别控制压缩机14、泵24和冷却泵42的电机的驱动。控制设备7是其中包括CPU、R0M和RAM的微型计算机。CPU根据控制程序来执行 所需的计算，并且执行各种类型的处理和控制，诸如对常规运转的控制和对预热运转的控 制。ROM存储将由CPU处理的控制数据和控制程序。RAM主要用作用于控制处理的各种操 作区域。计时器70、电压传感器72和电流传感器73被连接到控制设备7。计时器70测量 控制燃料电池系统1的运转所需的各种类型的时间。电压传感器72检测燃料电池2的输 出电压(FC电压)。具体来讲，电压传感器72检测燃料电池2的大量的单体单元中的每个 产生的电压(下文中被称作“单元电压”)。因此，掌握了燃料电池2中的每个单体单元的 状态。电流传感器73检测燃料电池2的输出电流(FC电流)。控制设备7输入来自诸如压力传感器P1、温度传感器46、47和用于检测车辆100 中加速器的开度的加速器开度传感器的各种传感器的检测信号，并且向组成元件(压缩机 14、背压调节阀16等)输出控制信号。此外，控制设备7在预定时刻进行燃料电池2的水分状态的诊断等，并且基于诊断 结果来控制燃料电池2中的水分。以下将进行详细描述，但是本实施例的特征在于在判断 燃料电池2处于干燥状态并且判断燃料电池2处于低温的情况下，执行低效率发电，从而同时实现了燃料电池2的适当的温度控制和适当的水分控制。 因此，在本实施例中，能够通过低效率发电这一个处理实现燃料电池2中水分状 态的最优化和FC温度的最优化。因此，与其中需要FC温度降低处理一预热处理的费力过 程的常规技术相比，可以加速处理。在此，将描述低效率发电和常规发电之间的差别。<低效率发电与常规发电之间的差别>图2是示出燃料电池的输出电流(FC电流)与输出电压(FC)电压之间的关系的 图示。实线表示执行常规发电的情况，而虚线表示执行低效率发电的情况。应该注意的是， 横坐标表示FC电流，而纵坐标表示FC电压。这里，低效率发电是下述发电与常规发电相比，要被供应到燃料电池2的反应气 体(在本实施例中是氧化气体)的量小并且电力损耗大，并且燃料电池2在空气化学计量 比降低到例如1. 0左右(理论值)的状态下运转(参见图2中的虚线部分)。当电力损耗 被设置为这样大的值时，燃料电池2可以被急速预热。另一方面，在常规发电的过程中，为 了抑制电力损耗并且获得高发电效率，在空气化学计量比被设置为例如2. 0或更大(理论 值)时，燃料电池40进行运转(参见图2中的实线部分)。图3是示出在低效率发电和常规发电的过程中FC电流与阴极水分平衡之间的关 系的图示。虚线表示低效率发电的动作点，而实线表示常规发电的动作点。应该注意的是， 对于图3所示的低效率发电过程中的动作点和常规发电过程中的动作点中的任一个，假设 的情况是FC温度相等(例如，70°C )。如上所述，常规发电期间空气化学计量比为2.0或更大，而在低效率发电期间的 空气化学计量比为1.0左右。因此，包括在氧化废气中并排放到系统外部的水分量减少。 将对图3中所示的示例进行描述。当FC温度相等并且FC电流相等时，低效率发电过程中 的阴极水分平衡变得大于常规发电过程中的阴极水分平衡(参见动作点α 、α 2)。如图 3中所示，当动作点α (常规发电)移位到动作点α 2(低效率发电)时，阴极水分平衡从 干燥侧移动到湿润侧。从以上内容清楚的是，当执行低效率发电时，可以实现燃料电池2的急速预热，并 且可以使燃料电池2的阴极水分平衡进入盈余(湿润)状态。因此，即使在判断燃料电池 2处于干燥状态并且燃料电池2处于低温的情况下，也可以执行低效率发电，以快速并最佳 地控制燃料电池2的水分状态和燃料电池2的温度。在此，将对燃料电池的水分控制处理 进行描述。图4是示出由控制设备7执行燃料电池2的水分控制处理的流程图。首先，在步骤SllO中，控制设备7判断是否到了诊断燃料电池2的水分状态的时 刻(下文中被称作诊断时刻)。应该注意的是，在下面的示例中，假设系统启动时间作为诊 断时刻，但是可以根据系统设计等任意地设置或改变系统运转、系统停止、间歇运转等期间 的时刻。在判断没有到达诊断时刻(步骤SllO 否)的情况下，控制设备7结束处理而不 执行下面的步骤。另一个方面，在控制设备7检测到燃料电池系统的启动指令已经通过由 例如车辆100等的驾驶者的点火开关的0Ν(启动)操作而输入的情况下，控制设备判断已 经到达诊断时刻(步骤SllO 是)，从而前进至步骤S120。当控制设备(第一判断装置)7前进至步骤S 120时，控制设备测量燃料电池2的阻抗，基于测量结果来判断燃料电池2的水分状态，并且判断燃料电池2是否处于干燥状 态。以下将对此进行详细描述。首先，控制设备(阻抗测量装置)7以预定的采样比率对由 电压传感器72检测到的FC电压和由电流传感器73检测到的FC电流进行采样，并且执行 傅立叶变换处理(FFT计算处理或DFT计算处理)等。此外，控制设备(阻抗测量装置)7 通过将进行了傅立叶变换处理的FC电压信号除以进行了傅立叶变换处理的FC电流信号等 来测量燃料电池2的阻抗。 然后，控制设备7读取存储在基准阻抗存储器92中的基准阻抗IPth，并且将读取 的基准阻抗IPth与测量的阻抗(下文中被称作测量阻抗)进行比较。这里，基准阻抗IPth是用于判断燃料电池2是否处于干燥状态的基准值，并且预 先通过实验等获得。具体来讲，通过实验等方式获得用于判断燃料电池2是否处于干燥状 态的阻抗，并且将其映射并且存储在基准阻抗存储器92中。在测量阻抗低于基准阻抗IPth并且控制设备7判断燃料电池2不干燥(换言之， 燃料电池2处于湿润状态)的情况下，控制设备结束处理，没有执行下面的步骤。另一方面， 在测量阻抗为基准阻抗IPth或更大并且控制设备(第二判断装置)7判断燃料电池2处于 干燥状态的情况下，处理前进至步骤S130，以判断是否允许低效率发电。以下将详细描述该步骤。控制设备7将由温度传感器47检测到的FC温度(下文 中被称作检测的FC温度)与存储在基准FC温度存储器91中的基准FC温度进行比较，并 且判断是否允许低效率发电。这里，基准FC温度Tth是用于判断是否允许燃料电池2的低 效率发电的基准值(例如，70°C )，并且预先通过实验等方式获得。具体来说，通过实验等方 式获得用于判断是否允许低效率发电的FC温度，并且将其映射并且存储在基准FC温度存 储器91中。在检测的FC温度超过基准FC温度Tth并且控制设备7判断不允许(换言之，禁 止)低效率发电的情况下，控制设备前进至步骤S150来执行FC温度降低处理，由此结束处 理。具体来讲，控制设备7控制诸如冷却泵42或散热器43的冷却机构的驱动，以执行用于 将FC温度降低至对控制设备7等设置的可允许的温度以使燃料电池2的水分处于最佳状 态的处理并由此结束处理。在另一个方面，在检测的FC温度为基准FC温度Tth或更小并且控制设备(发电控 制装置)7判断允许低效率发电的情况下，控制设备前进至步骤S140，以执行低效率发电， 由此结束处理。如参考图3所描述的，当执行低效率发电时，可以实现燃料电池2的急速预 热，并且燃料电池2的阴极水分平衡可以被使得进入盈余(湿润)状态。因此，即使在判断 燃料电池2处于干燥状态(步骤S120 是)并且燃料电池2处于低温(步骤S130 是)的 情况下，可以执行低效率发电，以快速并最佳地控制燃料电池2的水分状态和燃料电池2的 温度。如上所述，根据本实施例，即使在判断燃料电池2处于干燥状态并且燃料电池2处 于低温的情况下，也可以执行低效率发电，以快速并最佳地控制燃料电池2的水分状态和 燃料电池2的温度。B.第二实施例在以上的第一实施例中，仅基于检测的FC温度来判断是否允许低效率发电，但是 额外地可以基于电池(蓄电器)62的充电状态来判断是否允许低效率发电。图5是示出根据第二实施例的燃料电池系统1'的组成的图示。应该注意的是，与图1的部件对应的部件用相同的附图标记来表示，并且将省略对其的详细描述。SOC传感器(检测装置)74检测电池62的SOC值(电池62的充电状态)，并且将该值作为检测的SOC值告知控制设备7。基准SOC存储器93存储用于判断燃料电池2是否允许低效率发电的基准SOC值(例如，75%)。预先通过实验等方式获得基准SOC值Sth。具体来讲，通过实验等方式获得用于判断是否允许低效率发电的基准SOC值Sth，并且将其映射和存储在基准SOC存储器93中。控制设备(第二判断装置)7基于FC温度和SOC值来判断是否允许低效率发电。将对此进行更详细的描述。当检测的FC温度为基准FC温度Tth或更小并且检测的SOC值为基准SOC值Sth或更小时，控制设备7判断允许低效率发电。在另外的情况下，控制设备判断应该禁止低效率发电。因此，不但基于FC温度而且基于电池62的充电状态来判断是否允许低效率发电，由此能够预先防止由低效率发电造成的从燃料电池2至电池62的过充电。应该注意的是，在以上示例中，基于SOC值来检测电池62的充电状态，但是也可以代替该值(或者除了该值之外)基于电池充电功率来检测电池62的充电状态。具体来讲，设置电池充电功率检测传感器74 ‘来替代SOC传感器74，并且设置基准电池可允许充电功率存储器93 ’来替代基准SOC存储器93。电池充电功率检测传感器(检测装置)74'检测电池62的充电功率(电池62的充电状态)，并且将该功率作为检测到的充电功率通知控制设备7。基准电池充电可允许功率存储器93'存储用于判断燃料电池2是否允许低效率发电的基准电池充电可允许功率(例如，2.5kW)。预先通过实验等方式获得基准电池充电可允许功率Wth。具体来讲，通过实验等方式获得用于判断是否允许低效率发电的基准电池充电可允许功率Wth，并且将其映射和存储在基准电池充电可允许功率存储器93‘内。控制设备(第二判断装置)7基于FC温度和检测的充电功率判断是否允许低效率发电。将对此进行详细描述。当检测的FC温度是基准FC温度Tth或更小并且检测的充电功率是基准电池充电可允许功率Wth或更小时，控制设备7判断允许低效率发电。在另外的情况下，控制设备判断应该禁止低效率发电。即使根据这种组成，也能够预先防止由低效率发电造成的从燃料电池2至电池62的过充电。应该注意的是，在这些实施例中，示出了要被供应到阴极的氧化气体作为其供应量在低效率发电过程中被减少的反应气体，当然，也可以是要被供应到阳极的燃料气体量被减少或者这两种反应气体的量都被减少。
权利要求
一种燃料电池系统，包括第一判断装置，所述第一判断装置用于判断燃料电池是否处于干燥状态；第二判断装置，所述第二判断装置用于在所述燃料电池被判断为处于所述干燥状态的情况下，判断是否允许低效率发电，其中所述低效率发电是指要被供应到所述燃料电池的反应气体量比常规发电情况下小，并且电力损耗比所述常规发电情况下大；以及发电控制装置，所述发电控制装置用于在判断出允许所述低效率发电的情况下执行所述低效率发电。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括冷却机构，在判断出不允许所述低效率发电的情况下，所述冷却机构冷却所述燃料电池。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述第一判断装置还包括用于测量所述 燃料电池的阻抗的阻抗测量装置，并且基于所述阻抗的测量结果来判断所述燃料电池是否 处于所述干燥状态。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中所述第二判断装置还包括用于测量 与所述燃料电池关联的温度的关联温度测量装置，并且基于所述关联温度的测量结果来判 断是否允许所述低效率发电。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，还包括 蓄电器，所述蓄电器执行充电或放电，并且所述第二判断装置还包括用于检测所述蓄电器中的充电状态的检测装置，并且基于所 述关联温度的测量结果和所述充电状态的检测结果来判断是否允许所述低效率发电。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述检测装置检测所述蓄电器的SOC值 或充电功率，并且所述第二判断装置基于所述关联温度的测量结果和所述蓄电器的所述SOC值或者所 述充电功率的检测结果，来判断是否允许所述低效率发电。
全文摘要
[技术问题]为了即使当燃料电池处于低温并且处于干燥状态时，也快速并最佳地控制燃料电池的水分状态和温度。[解决手段]如果确定燃料电池处于干燥状态(步骤S120中的是)并且确定燃料电池处于低温(步骤S130中的是)，则控制设备执行低效率发电(步骤S140)。执行低效率发电使得可以快速预热燃料电池并且使燃料电池(2)的阴极水分平衡进入盈余(湿润)状态，从而能够快速并最佳地控制燃料电池的水分状态和温度。
文档编号H01M8/04GK101803094SQ20088010730
公开日2010年8月11日 申请日期2008年10月6日 优先权日2007年10月16日
发明者梶原滋人 申请人:丰田自动车株式会社