燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及向燃料电池供给含氢的燃料气体和氧化气体来使其发电的燃料电池系统。
背景技术：
作为利用氢和氧的电化学反应而发电的燃料电池，例如有固体高分子型燃料电池。该固体高分子燃料电池具备层叠多个单电池(cell)而构成的层叠体。构成层叠体的单电池具备阳极(燃料极)和阴极(空气极)，在这些阳极和阴极之间，插入具有磺酸基作为离子交换基的固体高分子电解质膜。对阳极供给燃料气体(氢气或者对碳化氢改质使其富氢的改质氢)，对阴极供给含氧的氧化气体(空气作为一例)作为氧化剂。通过对阳极供给燃料气体，包含于燃料气体的氢与构成阳极的催化剂层的催化剂反应，由此产生氢离子。所产生的氢离子通过固体高分子电解质膜，在阴极与氧产生电反应。成为通过该电化学反应进行发电的构成。作为这样的燃料电池系统的一例，提出了下述专利文献1所记载的方案。下述专利文献1所记载的燃料电池系统中，在消除原料气体以及原料供给动力的浪费的同时，抑制燃料电池本体的单电池电压的不均。具体而言，在构成燃料电池本体的发电单电池的电压发生不均时，判断其原因是由在燃料电池本体内部的原料气体分布引起的还是由单电池劣化引起的，根据判断结果设定原料气体的理想配比(化学计量比)。另外，作为这样的燃料电池系统的一例，提出了下述专利文献2所记载的方案。下述专利文献2所记载的燃料电池系统中，可恢复的燃料电池的电流电压特性降低时，不催促使用者进行检查、更换，而在不可恢复的燃料电池的电流电压特性降低量达到预定值时， 催促使用者进行检查、更换，推定燃料电池本体的电流电压特性，并进行燃料电池本体的劣化判定。具体而言，将从预先存储的电流电压特性的初始值Vl到当前的电压值V3的电流电压特性降低量设为第1降低量，将停止运转而可恢复的电流电压特性的降低量设为第2 降低量。从第1降低量减去第2降低量得到的第3降低量是不可恢复的降低量，当第3降低量达到预定值时，催促使用者进行燃料电池本体的检查、更换。另外，作为这样的燃料电池系统的一例，提出了下述专利文献3所记载的方案。下述专利文献3所记载的燃料电池系统中，不引起输出限制的波动而稳定地取出输出。具体而言，在燃料电池的输出电压低于燃料电池能够稳定地发电的电压下限阈值的情况下，限制从燃料电池取出的电流，在输出电压上升而变为电压下限阈值以上时，解除从燃料电池取出电流的限制，计算解除电流的限制时的电流的增加量上限。现有技术文献专利文献1 日本特开2004-207029号公报专利文献2 日本特开2006-147404号公报专利文献3 日本特开2006-309979号公报

发明内容
发明要解决的问题然而，在对燃料电池供给含氢的燃料气体和氧化气体来使其发电的燃料电池系统中，由于燃料电池的电流和电压的关系变动，有必要准确地推定并把握该电流和电压的关系。作为推定该电流和电压的关系(IV推定)的一种方法，存在从预先设定的IV推定图中跟随实测值的学习方式的IV推定方法。该方法中，可能会发生燃料电池系统的运转控制赶不上该跟随而电力分配不良和/或电池的过充电的情况。为了避免这样的问题，考虑缩短跟随间隔，但是存在电力分配起伏并发生波动的担忧。另一方面，也考虑使燃料电池的电容分量吸收电力分配起伏的部分的方法，但是又担心燃料电池的Pt催化剂的劣化。本发明是鉴于这样的问题而完成的发明，其目的在于提供能够基于原理原则准确执行燃料电池的IV推定的燃料电池系统。用于解决问题的手段为了解决上述问题，本发明的燃料电池系统是对燃料电池供给含氢的燃料气体和氧化气体而使其发电的燃料电池系统，其特征在于，具备运转状态取得单元，其取得所述燃料电池的运转状态；特性推定单元，其推定表示所述燃料电池的电流和电压的关系的IV 特性，所述特性推定单元根据所述运转状态取得单元取得的运转状态，求出所述燃料电池的电阻过电压、活性化过电压、电流/电压滞后以及浓度过电压中的至少一方，基于该求出的结果推定所述IV特性。根据本发明，运转状态取得单元取得燃料电池的运转状态，特性推定单元基于该取得的运转状态来求出燃料电池的电阻过电压、活性化过电压、电流/电压滞后以及浓度过电压中的至少一方，因此，基于燃料电池的运转状态，能够准确把握燃料电池的电阻过电压、活性化过电压、电流/电压滞后以及浓度过电压中的至少一方。另外，特性推定单元基于燃料电池的电阻过电压、活性化过电压、电流/电压滞后以及浓度过电压中的至少一方来推定IV特性，因此，能够执行基于例如巴特勒-沃尔默(Butler-Volmer)方程式这样的原理原则的燃料电池的IV推定。另外，在本发明的燃料电池系统中，优选，所述运转状态取得单元测量所述燃料电池的稳定状态下的阻抗，所述特性推定单元基于该阻抗测量值求出所述电阻过电压，基于该求出的电阻过电压推定所述IV特性。在该优选的方式中，测量燃料电池的稳定状态下的阻抗并求出电阻过电压，因此能够求出基于燃料电池的内部状态的准确的电阻过电压。另外，基于这样求出的电阻过电压来推定IV特性，因此能够基于原理原则进行准确反映了燃料电池的内部状态的IV推定。另外，在本发明的燃料电池系统中，优选，具备劣化检测单元，其检测所述燃料电池的劣化；和控制单元，其执行所述燃料电池系统的运转控制，所述劣化检测单元基于所述运转状态取得单元测量出的所述燃料电池的阻抗，把握构成所述燃料电池的单电池的膜有无薄化，所述控制单元在单电池的膜发生了薄化的情况下执行溢流防止控制以及警告报知控制。在该优选的方式中，能够基于燃料电池的阻抗求出燃料电池的膜电阻，能够根据该膜电阻和膜的质子传导度来把握膜厚。因此，能够把握构成燃料电池的单电池的膜有无薄化， 能够执行与薄化对应的溢流防止控制以及警告报知控制。另外，在本发明的燃料电池系统中，优选，所述运转状态取得单元测量所述燃料电
5池的输出电流、交换电流密度以及温度，所述特性推定单元基于该输出电流、交换电流密度以及温度来求出所述活性化过电压，基于该求出的活性化过电压推定所述IV特性。在该优选的方式中，基于输出电流、交换电流密度以及温度求出活性化过电压，因此能够求出基于燃料电池的内部状态的准确的活性化过电压。另外，基于这样求出的活性化过电压推定IV 特性，因此能够基于原理原则进行准确反映了燃料电池的内部状态的IV推定。
另外，在本发明的燃料电池系统中，优选，具备劣化检测单元，其检测所述燃料电池的劣化；和控制单元，其执行所述燃料电池系统的运转控制，所述劣化检测单元推定所述燃料电池所使用的Pt催化剂的有效表面积，所述控制单元基于推定出的Pt催化剂的有效表面积来执行Pt催化剂的劣化抑制运转。根据运转状态取得单元求出的活性化过电压和实际测量出的输出电压，能够把握交换电流密度的变动，在该优选的方式中，作为该交换电流密度的变动依赖于Pt催化剂的有效表面积的变动，推定Pt催化剂的有效表面积。基于这样推定出的Pt催化剂的有效表面积执行Pt催化剂的劣化抑制运转，因此能够进行准确反映了燃料电池的内部状态的劣化抑制控制。 另外，在本发明的燃料电池系统中，优选，所述运转状态取得单元取得所述燃料电池所使用的Pt催化剂的氧化/还原反应速度与所述燃料电池的输出电压以及温度的关系， 所述特性推定单元基于该取得的Pt催化剂的氧化/还原反应速度与所述燃料电池的输出电压以及温度的关系，求出所述电流/电压滞后，基于该求出的电流/电压滞后推定所述IV 特性。在该优选的方式中，基于Pt催化剂的氧化皮膜对电流/电压滞后产生影响这样的情况，根据Pt催化剂的氧化/还原反应速度与所述燃料电池的输出电压以及温度的关系，算出Pt催化剂的Pt/Pto并求出电流/电压滞后。基于这样求出的电流/电压滞后推定IV 特性，因此能够基于原理原则进行准确反映了燃料电池的内部状态的IV推定。另外，在本发明的燃料电池系统中，优选，所述特性推定单元基于所述运转状态取得单元取得的Pt催化剂的氧化/还原反应速度与所述燃料电池的输出电压以及温度的关系，推定Pt催化剂的溶出度，所述控制单元基于推定出的Pt催化剂的溶出度，执行Pt催化剂的劣化抑制运转。在该优选的方式中，基于Pt催化剂的氧化/还原反应速度与燃料电池的输出电压以及温度的关系，推定Pt催化剂的溶出度，因此，能够基于准确把握的Pt催化剂的劣化程度来执行Pt催化剂的劣化抑制运转，能够进行准确反映了燃料电池的内部状态的劣化抑制控制。另外，在本发明的燃料电池系统中，优选，所述运转状态取得单元取得所述燃料电池的温度、理想配比以及剩余水量，所述特性推定单元基于该取得的所述燃料电池的温度、 理想配比以及剩余水量，求出所述浓度过电压，基于该求出的浓度过电压推定所述IV特性。在该优选的方式中，基于燃料电池的温度、理想配比以及剩余水量求出浓度过电压，因此能够求出基于燃料电池的内部状态的准确的浓度过电压。另外、基于这样求出的浓度过电压推定IV特性，因此能够基于原理原则进行准确反映了燃料电池的内部状态的IV推定。另外，在本发明的燃料电池系统中，优选，所述运转状态取得单元根据所述燃料电池的输出电流来推定剩余水量，所述特性推定单元基于该取得的剩余水量求出所述浓度过电压，基于该求出的浓度过电压推定所述IV特性。在该优选的方式中，根据输出电流推定剩余水量，进一步基于该推定出的剩余水量求出浓度过电压，推定IV特性，因此能够进行准确反映了燃料电池的内部状态的IV推定。
另外，在本发明的燃料电池系统中，优选，具备劣化检测单元，其检测所述燃料电池的劣化；和控制单元，其执行所述燃料电池系统的运转控制，所述劣化检测单元推定所述燃料电池所使用的Pt催化剂的碳氧化程度，所述控制单元基于推定出的Pt催化剂的碳氧化程度来执行警告控制。在该优选的方式中，根据由浓度过电压引起的IV特性的减少程度来推定Pt催化剂的碳氧化程度，因此能够进行准确反映了燃料电池的内部状态的推定，能够执行准确的警告控制。发明的效果根据本发明，能够提供可基于原理原则准确地执行燃料电池的IV推定的燃料电池系统。


图1是表示作为本发明的实施方式的搭载于燃料电池车辆的燃料电池系统的结构的图。图2是表示图1的燃料电池的IV特性的一例的图。图3是表示在推定IV特性时使用的电压和反应速度的关系的图。图4是对图1中的浓度过电压部分放大表示的图。标号说明FCS 燃料电池系统FC:燃料电池ASS 氧化气体供给系统ASl 过滤器AS2 空气压缩机AS3 氧化气体流路AS4 氧化中止气体流路AS5 加湿器A3:背压调整阀CS 冷却系统CSl 散热器CS2 冷却液泵CS3 冷却液去路CS4 冷却液回路FSS 燃料气体供给系统FSl 燃料气体供给源FS2 注入器FS3 燃料气体流路FS4:循环流路FS5 循环泵FS6 排气排水流路Hl 遮断阀
H2 调节器
H3 遮断阀
H4 遮断阀
H5 排气排水阀
ES 电力系统
ESl DC/DC转换器
ES2 电池
ES3:牵引逆变器
ES4 牵引马达
ES5 辅助设备类
EC 控制器
Sl 电压传感器
S2:电流传感器
S3 SOC传感器
S4、S6 压力传感器
S5 水温传感器
ACC 加速开度信号
IG 起动信号
VC 车速信号
具体实施例方式以下，参照

本发明的实施方式。为了使说明容易理解，尽可能对各图中相同的构成要素附以相同的标号，省略重复的说明。首先，参照图1说明作为本发明的实施方式的搭载于燃料电池车辆的燃料电池系统FCS。图1是表示作为燃料电池车辆的车载电源系统发挥功能的燃料电池系统FCS的系统构成的图。燃料电池系统FCS能够搭载于燃料电池车辆(FCHV)、电动车辆、混合动力车辆
等车辆。燃料电池系统FCS具备燃料电池FC、氧化气体供给系统ASS、燃料气体供给系统 FSS、电力系统ES、冷却系统CS和控制器EC。燃料电池FC接受反应气体(燃料气体、氧化气体)的供给而发电。氧化气体供给系统ASS是用于将作为氧化气体的空气供给到燃料电池FC的系统。燃料气体供给系统FSS是用于将作为燃料气体的氢气供给到燃料电池FC的系统。电力系统ES是用于控制电力的充放电的系统。冷却系统CS是用于冷却燃料电池FC 的系统。控制器EC是总体控制燃料电池系统FCS整体的控制器。燃料电池FC构成为串联层叠多个单电池(具备阳极、阴极以及电解质的单一的电池(发电体))而成的固体高分子电解质形的单电池层叠体。在燃料电池FC中，设置有未图示的温度传感器。在燃料电池FC，在通常运转中，在阳极发生(1)式的氧化反应，在阴极发生⑵式的还原反应。作为燃料电池FC整体，发生(3)式的起电反应。H2 — 2H++2e"(1)(l/2)02+2H++2e" ^ H2O (2)
H2+(1/2) O2 — H2O (3)氧化气体供给系统ASS具有氧化气体流路AS3和氧化中止(off)气体流路AS4。 氧化气体流路AS3是流动向燃料电池FC的阴极供给的氧化气体的流路。氧化中止气体流路AS4是流动从燃料电池FC排出的氧化中止气体的流路。在氧化气体流路AS3设置有空气压缩机AS2和加湿器AS5。空气压缩机AS2是用于经由过滤器ASl从大气中取入氧化气体的压缩机。加湿器AS5是用于将由空气压缩机 AS2加压的氧化气体加湿的加湿器。在氧化中止气体流路AS4设置有压力传感器S6、背压调整阀A3和加湿器AS5。背压调整阀A3是用于调整氧化气体供给压的阀。加湿器AS5是被设置用作在氧化气体(干气体)和氧化中止气体(湿气体)之间进行水分交换。燃料气体供给系统FSS具有燃料气体供给源FS1、燃料气体流路FS3、循环流路 FS4、循环泵FS5和排气排水流路FS6。燃料气体流路FS3是流动从燃料气体供给源FSl对燃料电池FC的阳极供给的燃料气体的流路。循环流路FS4是用于使从燃料电池FC排出的燃料中止气体返回燃料气体流路FS3的流路。循环泵FS5是将循环流路FS4内的燃料中止气体压送到燃料气体流路FS3的泵。排气排水流路FS6是分支连接于循环流路FS4的流路。燃料气体供给源FSl由例如高压氢罐和/或氢吸藏合金等构成，贮存高压(例如， 35MI^ 70MPa)的氢气。若打开遮断阀H1，则燃料气体从燃料气体供给源FSl流出到燃料气体流路FS3。燃料气体通过调节器H2和/或注入器FS2，例如被减压到200kPa左右，被供给燃料电池FC。在燃料气体流路FS3设置有遮断阀HI、调节器H2、注入器FS2、遮断阀H3和压力传感器S4。遮断阀Hl是用于遮断或者运行来自燃料气体供给源FSl的燃料气体的供给的阀。调节器H2调整燃料气体的压力。注入器FS2控制向燃料电池FC的燃料气体供给量。 遮断阀H3是用于遮断向燃料电池FC的燃料气体供给的阀。调节器H2是将其上游侧压力(一次压)调压到预先设定的二次压的装置，例如， 由对一次压进行减压的机械式的减压阀等构成。机械式的减压阀具有如下结构隔着隔膜形成有背压室和调压室的筐体，通过背压室内的背压将在调压室内的一次压减压到预定的压力而将其作为二次压。通过在注入器FS2的上游侧配置调节器H2，能够使注入器FS2的上游侧压力有效降低。注入器FS2是通过以预定的驱动周期用电磁驱动力直接驱动阀体而使其从阀座离开、从而能够调整气体流量和/或气压的电磁驱动式的开关阀。注入器FS2具备阀座， 其具有喷射燃料气体等气体燃料的喷射孔；喷嘴体，其将该气体燃料引导供给至喷射孔； 和阀体，其能够相对于该喷嘴在轴线方向(气体流动方向)移动并容纳保持，开关喷射孔。注入器FS2的阀体由作为电磁驱动装置的螺线管驱动，构成为能够通过从控制器 EC输出的控制信号控制注入器FS2的气体喷射时间以及气体喷射时期。注入器FS2为了向其下游供给所要求的气体流量，通过变更在注入器FS2的气体流路设置的阀体的开口面积(开度)以及开放时间中的至少一方，从而调整供给到下游侧的气体流量(或者氢摩尔浓度)。在循环流路FS4设置有遮断阀H4，并与排气排水流路FS6连接。在排气排水流路 FS6设置有排气排水阀H5。排气排水阀H5是用于通过根据来自控制器EC的指令工作、从而使得循环流路FS4内的含有杂质的燃料中止气体和水分排出到外部的阀。通过排气排水阀H5的开阀，能够使得循环流路FS4内的燃料中止气体中的杂质的浓度下降，提高在循环系统内循环的燃料中止气体中的氢浓度。经由排气排水阀H5被排出的燃料中止气体和在氧化中止气体流路AS4中流动的氧化中止气体混合，由稀释器(未图示)稀释。循环泵FS5通过马达驱动将循环系统内的燃料中止气体循环供给燃料电池FC。电力系统ES具备DC/DC转换器ESl、电池ES2、牵引逆变器ES3、牵引马达ES4和辅助设备类ES5。燃料电池系统FCS构成为DC/DC转换器ESl和牵引逆变器ES3并联地与燃料电池FC连接的并联式混合动力系统。DC/DC转换器ESl具有将从电池ES2供给的直流电压升压并输出到牵引逆变器 ES3的功能，和将燃料电池FC发电产生的直流电力、或者通过再生制动由牵引马达ES4回收的再生电力降压来对电池ES2充电的功能。根据DC/DC转换器ESl的这些功能，控制电池 ES2的充放电。另外，通过由DC/DC转换器ESl实现的电压转换控制，控制燃料电池FC的运转点(输出端子电压、输出电流)。在燃料电池FC安装有电压传感器Sl和电流传感器S2。 电压传感器Sl是用于检测燃料电池FC的输出端子电压的传感器。电流传感器S2是用于检测燃料电池FC的输出电流的传感器。电池ES2作为剩余电力的贮存源、再生制动时的再生能量贮存源、伴随燃料电池车辆的加速或减速的负荷变动时的能量缓冲器发挥功能。作为电池ES2，例如优选镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池等的二次电池。在电池ES2安装有用于检测SOCGtate of charge 充电状态)的SOC传感器S3。牵引逆变器ES3例如是以脉冲宽度调制方式驱动的PWM逆变器。牵引逆变器ES3 根据来自控制器EC的控制指令将从燃料电池FC或者电池ES2输出的直流电压变换为三相交流电压，控制牵引马达ES4的旋转转矩。牵引马达ES4例如是三相交流马达，构成燃料电池车辆的动力源。辅助设备类ES5是在燃料电池系统FCS内的各部配置的各马达(例如，泵类等的动力源)、用于驱动这些马达的逆变器类、以及各种车载辅助设备类(例如，空气压缩机、注入器、冷却水循环泵、散热器等)的总称。冷却系统CS具有散热器CS1、冷却液泵CS2、冷却液去路CS3和冷却液回路CS4。 散热器CSl将用于冷却燃料电池FC的冷却液放热、冷却。冷却液泵CS2是用于使冷却液在燃料电池FC和散热器CSl之间循环的泵。冷却液去路CS3是连接散热器CSl和燃料电池 FC的流路，设置有冷却液泵CS2。通过驱动冷却液泵CS2，冷却液通过冷却液去路CS3从散热器CSl流向燃料电池FC。冷却液回路CS4是连接燃料电池FC和散热器CSl的流路，设置有水温传感器S5。通过驱动冷却液泵CS2，冷却了燃料电池FC的冷却液返回到散热器CSl。控制器EC (控制部)是具备CPU、ROM、RAM以及输入输出接口的计算机系统，控制燃料电池系统FCS的各部。例如，当控制器EC接收到从点火开关输出的起动信号IG时，开始燃料电池系统FCS的运转。然后，控制器EC基于从加速器传感器输出的加速开度信号ACC 和/或从车速传感器输出的车速信号VC等，求出燃料电池系统FCS整体的要求电力。燃料电池系统FCS整体的要求电力是车辆走行电力和辅助设备电力的合计值。这里，辅助设备电力包括由车载辅助设备类(加湿器、空气压缩机、氢泵以及冷却
10水循环泵等)消耗的电力、由车辆行驶所必要的装置(变速机、车轮控制装置、驾驶装置以及悬架装置等)消耗的电力、由在乘员空间内设置的装置(空调装置、照明器具以及音频设备等)消耗的电力等。并且，控制器EC决定燃料电池FC和电池ES2各自的输出电力的分配。控制器EC 控制氧化气体供给系统ASS以及燃料气体供给系统FSS以使得燃料电池FC的发电量与目标电力一致，并且控制DC/DC转换器ES1，控制燃料电池FC的运转点(输出端子电压、输出电流)。而且，控制器EC为了获得与加速器开度相应的目标转矩，例如，作为开关指令，将U 相、V相以及W相的各交流电压指令值输出到牵引逆变器ES3，控制牵引马达ES4的输出转矩以及转速。进而，控制器EC控制冷却系统CS，进行控制以使得燃料电池FC变为适当的温度。本实施方式的燃料电池系统FCS，通过所述构成，作为燃料电池系统发挥功能，该燃料电池系统具备取得燃料电池FC的运转状态的运转状态取得单元ECl，推定表示燃料电池FC的电流和电压的关系的IV特性的特性推定单元EC2，检测燃料电池FC劣化的劣化检测单元EC3、和执行燃料电池系统FCS的运转控制的控制单元EC4。因此，控制器EC作为运转状态取得单元EC1、特性推定单元EC2、劣化检测单元EC3以及控制单元EC4发挥功能。图2是表示燃料电池FCS所使用的燃料电池FC的电流/电压特性(IV特性)的图。如图2所示，通过从相当于开路电压的常数U减去电阻过电压ηΙΚ、活性化过电压na。t、 浓度过电压n。。n。，算出燃料电池FC的电压V。V = U-活性化过电压na。t-浓度过电压η。。η。-电阻过电压IIikG)特性推定单元EC2根据运转状态取得单元ECl取得的运转状态，求出燃料电池FC 的电阻过电压ηΙΚ、活性化过电压η a。t、电流/电压滞后H以及浓度过电压。中的至少一方，基于该求出的结果推定IV特性。首先，说明基于电阻过电压ηΙΚ的电流/电压推定(IV推定)以及控制变更。运转状态取得单元ECl测量燃料电池FC的稳定状态下的阻抗，特性推定单元EC2基于该阻抗测量值求出电阻过电压，基于该求出的电阻过电压ηΙΚ推定IV特性。换言之，通过根据阻抗测量值求出图2中的Δ 1的倾斜度，从而求得电阻过电压ηΙΚ。另外，劣化检测单元EC3基于运转状态取得单元测量出的燃料电池FC的阻抗来把握构成燃料电池FC的单电池的膜有无薄化，控制单元EC4在单电池的膜发生了薄化的情况下执行溢流防止控制以及警告报知控制。具体而言，基于膜电阻艮 、膜的质子传导度κ _、 膜厚Zm的关系式(5)，把握膜厚变化，把握有无薄化。Rffleffl= 1/Kffleffl XZffleffl (5)另外，若燃料电池FC的膜厚变化，则水透过量也变化，剩余水也变化，因此也优选推定这些来执行溢流防止控制和/或警告报知控制。作为溢流防止控制，优选进行理想配比提高和/或背压降低。另外，在推定为膜厚极端地降低的情况下，可能会在膜上有开孔而存在不可恢复的不良情况，因此优选对使用者发出催促更换燃料电池FC的层叠体的警告。接着，说明基于活性化过电压na。t的电流/电压推定(IV推定)以及控制变更。 运转状态取得单元ECl测量燃料电池FC的输出电流、交换电流密度以及温度，特性推定单元EC2基于该输出电流i、交换电流密度io以及温度T，根据关系式(6)求出活性化过电压 na。t，基于该求出的活性化过电压na。t推定IV特性。换言之、求得图2中的Δ2的倾斜度。
nact = RT/2aFXln(i/io) (6)另外，在式(6)中，R为气体常数，F为法拉第常数，α为电荷移动系数。电荷移动系数α是由燃料电池FC所使用的催化剂决定的系数。另外，也可以对输出电流i加上考虑了燃料气体的交叉泄露的电流i。MSS。另外，劣化检测单元EC3推定燃料电池FC所使用的Pt催化剂的有效表面积，控制单元EC4基于推定出的Pt催化剂的有效表面积，执行Pt催化剂的劣化抑制运转。具体而言，根据实际测量出的输出电压的偏差和式(6)来推定交换电流密度io的变化，设交换电流密度io与Pt催化剂的有效表面积成比例，推定Pt催化剂的有效表面积。若Pt催化剂的有效表面积为预定面积以下，则执行劣化抑制运转，但是作为劣化抑制运转，执行用于降低低负荷下的活性化过电压、提高氧分压的运转。具体而言，优选使空气理想配比和/或背压上升。另外，在Pt催化剂的有效表面积过度地减少或劣化严重的情况下，优选对使用者发出催促更换燃料电池FC层叠体的警告。另外，对于求出活性化过电压na。t，优选，在燃料电池FC稳定的运转区域中运转的过程中，取得燃料电池FC的输出电流以及输出电压的实测值，基于该取得的电流以及电压来算出活性化过电压na。t。具体而言，对连接实测数据的各电流下的电压值的最大值的上限线进行直线近似，来求出活性化过电压na。t。该情况下，优选使用IV特性曲线可看作大致直线的中负荷区域的实测数据。因为Pt催化剂的表面积减少是非常缓慢地进行，所以即使只选择使用这样的稳定运转区域的数据，也能够充分地跟随实际现象。接着，说明基于电流/电压滞后H的电流/电压推定(IV推定)以及控制变更。运转状态取得单元ECl取得燃料电池FC所使用的Pt催化剂的氧化/还原反应速度和燃料电池FC的输出电压或温度的关系，特性推定单元EC2基于该取得的Pt催化剂的氧化/还原反应速度和燃料电池FC的输出电压或温度的关系，求出电流/电压滞后H，基于该求出的电流/电压滞后H推定IV特性。在图3示出Pt催化剂的氧化/还原反应速度和燃料电池FC的输出电压的关系的一例。如图3所示，根据事先评价求出Pt催化剂的氧化/还原反应速度、预先设定与输出电压对应的图(map)，对其进行累计，由此能够算出Pt/PtO比例，能够算出Pt催化剂的有效表面积。IV特性的由PtO产生的下降量即电流/电压滞后H，通过关系式(7)求出。H = RT/FXln(aXi。rrXL) (7)另外，在式(7)中，R为气体常数、F为法拉第常数、T为燃料电池FC的温度、a为 Pt表面积、iorr为氧还原电流密度、L为阴极催化剂层厚。氧还原电流密度根据电流密度io求出。另外，在该情况下，优选，执行恢复运转，使该状态变为以Pt为100 %、PtO为 0%的基准。另外，特性推定单元EC2基于运转状态取得单元ECl取得的Pt催化剂的氧化/还原反应速度和燃料电池FC的输出电压以及温度的关系，推定Pt催化剂的溶出度，控制单元 EC4基于推定出的Pt催化剂的溶出度，执行Pt催化剂的劣化抑制运转。具体而言，在相同条件下算出电流/电压滞后H，若该算出的电流/电压滞后H有差异，则判断为Pt催化剂的有效表面积减少或已劣化，作为Pt催化剂的溶出度进行推定。作为该情况的Pt催化剂的劣化抑制运转，在使燃料电池的电容成分吸收电力分配的过不足的控制中，假设通过降低输出电压的上限值，从而抑制Pt催化剂的劣化。
接着，说明基于浓度过电压η。。η。的电流/电压推定(IV推定)以及控制变更。运转状态取得单元ECl取得燃料电池FC的温度、理想配比以及剩余水量，特性推定单元EC2 基于该取得的燃料电池FC的温度、理想配比以及剩余水量，求出浓度过电压η。。η。，基于该求出的浓度过电压n。。n。推定IV特性。更具体而言，使温度、理想配比和剩余水量的图值具有图4所示的浓度过电压η _。的IV特性的倾斜度Δ3和IV特性的下垂位置β，来进行推定。运转状态取得单元ECl对燃料电池FC的输出电流进行累计，基于与剩余水量的图来推定剩余水量。特性推定单元EC2基于该取得的剩余水量和浓度过电压η _。的图来决定作为浓度过电压n。。n。的下降的Δ3。IV特性的下垂位置β基于温度、理想配比以及剩余水量的图而决定。另外，劣化检测单元EC3推定燃料电池FC所使用的Pt催化剂的碳氧化程度，控制单元EC4基于推定出的Pt催化剂的碳氧化程度，执行警告控制。更具体而言，根据IV特性的倾斜度△ 3的增加和/或IV特性的下垂位置β的减少程度来推定Pt催化剂的碳氧化程度。该情况下，作为降低浓度过电压n_。的控制，优选进行提高理想配比和/或降低背压这样的溢流防止控制。另外，在认为IV特性的倾斜度△ 3增加过度和/或IV特性的下垂位置β减少的情况下，优选对使用者发出催促更换燃料电池FC的层叠体的警告。
权利要求
1.一种燃料电池系统，对燃料电池供给含氢的燃料气体和氧化气体来使其发电，其特征在于，具备运转状态取得单元，其取得所述燃料电池的运转状态；和特性推定单元，其推定表示所述燃料电池的电流和电压的关系的IV特性， 所述特性推定单元根据所述运转状态取得单元取得的运转状态，求出所述燃料电池的电阻过电压、活性化过电压、电流/电压滞后以及浓度过电压中的至少一方，基于该求出的结果推定所述IV特性。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述运转状态取得单元测量所述燃料电池的稳定状态下的阻抗； 所述特性推定单元基于该阻抗测量值求出所述电阻过电压，基于该求出的电阻过电压推定所述IV特性。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，具备 劣化检测单元，其检测所述燃料电池的劣化；和控制单元，其执行所述燃料电池系统的运转控制，所述劣化检测单元基于所述运转状态取得单元测量出的所述燃料电池的阻抗，把握构成所述燃料电池的单电池的膜有无薄化，所述控制单元在单电池的膜发生了薄化的情况下执行溢流防止控制以及警告报知控制。
4.根据权利要求1 3中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述运转状态取得单元测量所述燃料电池的输出电流、交换电流密度以及温度； 所述特性推定单元基于该输出电流、交换电流密度以及温度求出所述活性化过电压，基于该求出的活性化过电压推定所述IV特性。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，具备 劣化检测单元，其检测所述燃料电池的劣化；和控制单元，其执行所述燃料电池系统的运转控制，所述劣化检测单元推定所述燃料电池所使用的Pt催化剂的有效表面积，所述控制单元基于推定出的Pt催化剂的有效表面积来执行Pt催化剂的劣化抑制运转。
6.根据权利要求1 5中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述运转状态取得单元取得所述燃料电池所使用的Pt催化剂的氧化/还原反应速度与所述燃料电池的输出电压以及温度的关系，所述特性推定单元基于该取得的Pt催化剂的氧化/还原反应速度与所述燃料电池的输出电压以及温度的关系，求出所述电流/电压滞后，基于该求出的电流/电压滞后推定所述IV特性。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述特性推定单元基于所述运转状态取得单元取得的Pt催化剂的氧化/还原反应速度与所述燃料电池的输出电压以及温度的关系，推定Pt催化剂的溶出度，所述控制单元基于推定出的Pt催化剂的溶出度，执行Pt催化剂的劣化抑制运转。
8.根据权利要求1 7中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述运转状态取得单元取得所述燃料电池的温度、理想配比以及剩余水量， 所述特性推定单元基于该取得的所述燃料电池的温度、理想配比以及剩余水量，求出所述浓度过电压，基于该求出的浓度过电压推定所述IV特性。
9.根据权利要求1 7中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述运转状态取得单元根据所述燃料电池的输出电流来推定剩余水量，所述特性推定单元基于该取得的剩余水量求出所述浓度过电压，基于该求出的浓度过电压推定所述IV特性。
10.根据权利要求8或9所述的燃料电池系统，其特征在于，具备 劣化检测单元，其检测所述燃料电池的劣化；和控制单元，其执行所述燃料电池系统的运转控制，所述劣化检测单元推定所述燃料电池所使用的Pt催化剂的碳氧化程度，所述控制单元基于推定出的Pt催化剂的碳氧化程度执行警告控制。
全文摘要
该燃料电池系统FCS取得燃料电池FC的运转状态，推定表示燃料电池FC的电流和电压的关系的IV特性，根据燃料电池FC的运转状态求出燃料电池FC的电阻过电压、活性化过电压、电流/电压滞后以及浓度过电压中的至少一项，基于该求出的结果推定IV特性。
文档编号H01M8/10GK102511100SQ20098016150
公开日2012年6月20日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者土屋尚久, 木之本忠臣, 松末真明, 田野裕 申请人:丰田自动车株式会社