燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】将负极气体和正极气体供给到燃料电池来使其发电的燃料电池系统具备：正极气体供给部，其向燃料电池供给正极气体；正极压力检测部，其检测向燃料电池供给的正极气体的压力；燃料电池温度检测部，其检测燃料电池的温度；内部电阻检测部，其检测燃料电池的内部电阻；目标正极流量计算部，其基于燃料电池系统的运转状态来计算需要向燃料电池供给的目标正极流量；正极流量估计部，其根据正极气体的压力、燃料电池的温度以及燃料电池的内部电阻来估计正极气体的流量；以及正极流量控制部，其基于目标正极流量以及估计出的正极气体的流量来控制正极气体供给部。
【专利说明】燃料电池系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料电池系统。
【背景技术】
[0002]在JP2006-286436A中，作为以往的燃料电池系统，存在以下的燃料电池系统:通过控制向燃料电池供给的正极气体的流量、压力，来将电解质膜的湿润状态控制为期望的湿润状态。
【发明内容】
[0003]在燃料电池系统中，为了使燃料电池的输出电力成为目标输出电力，还为了防止液泛，需要根据要求来高精度地控制向燃料电池供给的正极气体的流量。然而，在前述的以往的燃料电池系统中，由于检测正极气体的流量的气流传感器的偏差，控制正极气体的流量时的精度差，难以将正极气体的流量高精度地控制为目标值。
[0004]这样一来，例如，若供给到燃料电池的正极气体的流量少于使燃料电池的输出电力为目标输出电力所需的流量则会发生电压下降，因此为了安全而需要将流量的目标值增大到所需以上，因此正极压缩机的消耗电力增加而燃烧消耗率恶化。
[0005]另外，在供给到燃料电池的正极气体的流量变得少于防止液泛所需的流量时也会发生电压下降，因此基于与上述相同的理由而燃烧消耗率恶化。
[0006]本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于提供一种能够高精度地估计正极气体流量的燃料电池系统。
_7] 用于解决问题的方案
[0008]根据本发明的某个方式，提供了如下一种燃料电池系统，该燃料电池系统具备:正极气体供给部，其向燃料电池供给正极气体；正极压力检测部，其检测向燃料电池供给的正极气体的压力；燃料电池温度检测部，其检测燃料电池的温度；内部电阻检测部，其检测燃料电池的内部电阻；目标正极流量计算部，其基于燃料电池系统的运转状态来计算需要向燃料电池供给的目标正极流量；正极流量估计部，其根据正极气体的压力、燃料电池的温度以及燃料电池的内部电阻来估计正极气体的流量；以及正极流量控制部，其基于目标正极流量以及估计出的正极气体的流量来控制正极气体供给部。
[0009]下面参照附图来详细说明本发明的实施方式、本发明的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明的第一实施方式的燃料电池系统的概要图。
[0011]图2是与正极气体的堆入口湿度RHc相应地示出将燃料电池堆的内部电阻维持为某个固定的值所需的正极流量的图。
[0012]图3是与正极气体的堆入口湿度RHc相应地示出正极压力、堆温度以及大气湿度分别表示某个固定的值时的正极流量的图。[0013]图4是说明基于正极压力、堆温度以及内部电阻来估计正极流量的方法的图。
[0014]图5是说明实际内部电阻大于目标内部电阻时的电解质膜的湿润控制的图。
[0015]图6是说明实际内部电阻大于目标内部电阻时的电解质膜的湿润控制的图。
[0016]图7是示出了电解质膜的湿润状态与内部电阻之间的关系的图。
[0017]图8是基于正极压缩机的转速以及正极压缩机的前后压力差来估计正极流量的对应图。
[0018]图9是说明实际内部电阻小于目标内部电阻时的电解质膜的湿润控制的图。
[0019]图10是说明实际内部电阻小于目标内部电阻时的电解质膜的湿润控制的图。
[0020]图11是说明本发明的第一实施方式的电解质膜的湿润控制的流程图。
[0021]图12是说明电解质膜的湿润控制处理的流程图。
[0022]图13是说明本发明的第二实施方式的正极压缩机的控制的流程图。
【具体实施方式】
[0023](第一实施方式)
[0024]燃料电池通过用负极(anode)电极(燃料极)和正极(cathode)电极(氧化剂极)将电解质膜夹在中间并向负极电极供给含氢的负极气体(燃料气体)、向正极电极供给含氧的正极气体(氧化剂气体)来进行发电。在负极电极和正极电极这两个电极处进行的电极反应如下。
[0025]负极电极:2H2— 4H++4e、..(I)
[0026]正极电极:4H++4e+O2 — 2H20...(2)
[0027]通过该(I)和⑵的电极反应，燃料电池产生I伏特左右的电动势。
[0028]在将这种燃料电池用作汽车用动力源的情况下，由于所要求的电力大，因此作为将数百块燃料电池层叠而得到的燃料电池堆来使用。然后，构成向燃料电池堆供给负极气体和正极气体的燃料电池系统，取出用于驱动车辆的电力。
[0029]图1是本发明的一实施方式的燃料电池系统100的概要图。
[0030]燃料电池系统100具备燃料电池堆1、负极气体供排装置2、正极气体供排装置3、堆冷却装置4以及控制器5。
[0031]燃料电池堆I是层叠多块燃料电池而得到的，接受负极气体和正极气体的供给进行发电，将所产生的电力供给到驱动车辆所需的电动机(未图示)等各种电气部件。
[0032]负极气体供排装置2具备高压罐21、负极气体供给通路22、负极压力调节阀23、负极气体排出通路24、负极气体回流通路25、再循环压缩机26以及排出阀27。
[0033]高压罐21将要向燃料电池堆I供给的负极气体保持为高压状态来贮存。
[0034]负极气体供给通路22是流通供给到燃料电池堆I的负极气体的通路，一端连接于高压罐21，另一端连接于燃料电池堆I的负极气体入口孔11。
[0035]负极压力调节阀23设置在负极气体供给通路22中。由控制器5对负极压力调节阀23进行开闭控制，该负极压力调节阀23将从高压罐21流出到负极气体供给通路22的负极气体的压力调节为期望的压力。
[0036]负极气体排出通路24是流通从燃料电池堆I排出的负极排气的通路，一端连接于燃料电池堆11的负极气体出口孔12，另一端为开口端。负极排气是电极反应中未被使用的剩余的负极气体与从正极侧泄漏过来的氮等惰性气体的混合气体。
[0037]负极气体回流通路25是用于使被排出到负极气体排出通路24的负极排气返回到负极气体供给通路22的通路。负极气体回流通路25 —端连接于排出阀27的上游侧的负极气体排出通路24，另一端连接于负极压力调节阀23的下游侧的负极气体供给通路22。
[0038]再循环压缩机26设置在负极气体回流通路25中。再循环压缩机26使排出到负极气体排出通路24的负极排气返回到负极气体供给通路22。
[0039]排出阀27设置在负极气体排出通路24与负极气体回流通路25的连接部的下游侧的负极气体排出通路24。由控制器5对排出阀27进行开闭控制，该排出阀27将负极排气、凝结水排出到燃料电池系统100的外部。
[0040]正极气体供排装置3具备正极气体供给通路31、正极气体排出通路32、过滤器33、正极压缩机34、气流传感器35、水分回收装置(Water Recovery Device,以下称为“WRD”。)36、正极压力调节阀37、第一压力传感器38以及第二压力传感器39。
[0041]正极气体供给通路31是流通供给到燃料电池堆I的正极气体的通路。正极气体供给通路31 —端连接于过滤器33，另一端连接于燃料电池堆I的正极气体入口孔13。
[0042]正极气体排出通路32是流通从燃料电池堆I排出的正极排气的通路。正极气体排出通路32 —端连接于燃料电池堆I的正极气体出口孔14，另一端为开口端。正极排气是正极气体与通过电极反应而产生的水蒸气的混合气体。
[0043]过滤器33去除取入到正极气体供给通路31的正极气体中的异物。
[0044]正极压缩机34设置在正极气体供给通路31中。正极压缩机34经由过滤器33将作为正极气体的空气(外部大气)取入到正极气体供给通路31，供给到燃料电池堆I。
[0045]气流传感器35设置在正极压缩机34的下游的正极气体供给通路31。气流传感器35检测在正极气体供给通路31中流动的正极气体的流量(以下称为“正极流量”。)。
[0046]WRD36是回收正极排气中的水分、利用该回收到的水分对正极气体进行加湿的装置，具备加湿部361和除湿部362。
[0047]加湿部361设置在气流传感器35的下游的正极气体供给通路31。加湿部361对供给到燃料电池堆I的正极气体进行加湿。
[0048]除湿部362设置在正极气体排出通路32中。除湿部362对在正极气体排出通路32中流动的正极排气进行除湿，将回收到的水蒸气供给到加湿部361。
[0049]正极压力调节阀37设置在WRD36的除湿部362的下游的正极气体排出通路32。由控制器5对正极压力调节阀37进行开闭控制，该正极压力调节阀37将供给到燃料电池堆I的正极气体的压力(正极压力)调节为期望的压力。
[0050]第一压力传感器38设置在正极压缩机34的上游的正极供给通路31，检测正极气体的压力。
[0051]第二压力传感器39设置在WRD36的加湿部361的下游的正极气体供给通路31。压力传感器39检测供给到燃料电池堆I的正极气体的压力(以下称为“正极压力”。)。
[0052]堆冷却装置4是对燃料电池堆I进行冷却、将燃料电池堆I保持为适于发电的温度的装置。堆冷却装置4具备冷却水循环通路41、散热器42、旁路通路43、三通阀44、冷却水循环泵45以及水温传感器46。
[0053]冷却水循环通路41是循环用于冷却燃料电池堆11的冷却水的通路。[0054]散热器42设置在冷却水循环通路41中。散热器42对从燃料电池堆I排出的冷却水进行冷却。
[0055]旁路通路43 —端连接于冷却水循环通路41，另一端连接于三通阀44，以能够使冷却水绕过散热器42地进行循环。
[0056]三通阀44设置在散热器42的下游侧的冷却水循环通路41。三通阀44根据冷却水的温度来切换冷却水的循环路径。具体地说，冷却水的温度相对高时，对冷却水的循环路径进行切换使得从燃料电池堆I排出的冷却水经由散热器42再次被供给到燃料电池堆I。反之，在冷却水的温度相对低时，对冷却水的循环路径进行切换使得从燃料电池堆I排出的冷却水不经由散热器42而在旁路通路43中流动而再次被供给到燃料电池堆I。
[0057]冷却水循环泵45设置在三通阀44的下游侧的冷却水循环通路41，使冷却水循环。
[0058]水温传感器46设置在散热器42的上游侧的冷却水循环通路41。水温传感器46检测从燃料电池堆I排出的冷却水的温度(以下称为“堆温度”。)。
[0059]控制器5由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/o接口)的微计算机构成。除了来自前述的气流传感器35、第一压力传感器38、第二压力传感器39以及水温传感器46的信号以外，来自检测燃料电池堆I的输出电流的电流传感器51、检测燃料电池堆I的输出电压的电压传感器52、检测加速踏板的踏下量的加速行程传感器53等控制燃料电池系统100所需的各种传感器的信号也被输入到控制器5。
[0060]控制器5基于该各种传感器的检测信号来计算驱动车辆所需的电力(以下称为“要求输出电力”。)。
[0061]另外，控制器5对正极流量、正极压力以及堆温度进行控制来控制燃料电池堆I的内部水分量，使得构成燃料电池堆I的各燃料电池的电解质膜成为被适度加湿的规定的湿润状态，以使燃料电池堆I高效地发电。
[0062]已知电解质膜的湿润状态与燃料电池堆I的内部高频电阻(HFR，High FrequencyResistance)(以下称为“内部电阻”。)具有关联关系，在燃料电池堆I的内部水分量少而电解质膜干燥的情况下，内部电阻变大而燃料电池堆I的输出电压降低。另一方面，在燃料电池堆I的内部水分量过量的情况下，燃料电池堆I的电极会被水分所覆盖，因此负极气体和正极气体的扩散被阻碍，输出电压降低。因而，控制器5对正极流量、正极压力以及堆温度进行控制来控制燃料电池堆I的内部水分量，使得燃料电池堆I的内部电阻为预先决定的规定的目标内部电阻。
[0063]在此，为了提高燃料电池系统100的燃烧消耗率，期望尽可能地减少正极流量从而使正极压缩机34低转地运转。
[0064]然而，关于正极流量，为了至少使燃料电池堆I的输出电力为要求输出电力，需要避免使正极流量低于所需最低限度的流量(以下称为“最低正极流量”。)。因而，在将燃料电池堆I的内部电阻收敛到目标内部电阻时，有时会成为如下的状况:必须在将正极流量降到最低正极流量之后对正极压力、堆温度进行控制。
[0065]但是，气流传感器35对正极流量的检测精度有正极流量越少则检测精度越低的趋势，因此在将正极流量降到最低正极流量时，实际上并不能将正极流量降到最低正极流量。也就是说，存在以下问题:只能将正极流量降到对最低正极流量加上足够的余量所得的流量，从而燃烧消耗率恶化。
[0066]因此，在本实施方式中，高精度地估计正极流量，以使估计出的正极流量不低于最低正极流量的方式控制正极压缩机34，并根据需要来控制正极压力和堆温度以使内部电阻为目标内部电阻。
[0067]下面，参照图2到图4来说明本实施方式的正极流量的估计方法。
[0068]图2是与正极气体的堆入口湿度相应地示出将燃料电池堆I的内部电阻维持为某个固定的值所需的正极流量的图。
[0069]如图2所示，正极气体的堆入口湿度越高，则将内部电阻维持为某个固定的值所需的正极流量越多。另外，在正极气体的堆入口湿度相同的情况下，将内部电阻维持为高的值时所需的正极流量更多。
[0070]这是由于正极气体的堆入口湿度越高则使电解质膜越湿，是由于为了将内部电阻维持为固定的值，需要使正极流量随着堆入口湿度变高而增加相应的量，从而使电解质膜干燥。
[0071]图3是与正极气体的堆入口湿度相应地示出正极压力、堆温度以及大气湿度分别表示某个固定的值时的正极流量的图。
[0072]如图3所示，正极流量越少则正极气体的堆入口湿度越高。另外，在正极流量相同的情况下，正极压力越高时、堆温度越低时、另外大气湿度越高时，则正极气体的堆入口湿度越高。也就是说，正极压力、堆温度以及大气湿度的各参数越向使燃料电池堆I的内部水分量增加的方向变化，则正极气体的堆入口湿度越高。
[0073]这是基于通过正极排气中的水分来加湿向燃料电池堆I供给的正极气体这样的WRD36的特性。
[0074]图4是说明基于正极压力、堆温度以及内部电阻来估计正极流量的方法的图。
[0075]在本实施方式中，分别检测正极压力、堆温度以及内部电阻，但是不检测大气湿度。
[0076]在此，如果已知内部电阻，则能够预先通过实验等求出前述的图2的关系，由此描绘出图4所示的实线Al。实线Al是与正极气体的堆入口湿度相应地示出根据检测出的当前的内部电阻(以下称为“实际内部电阻”。)估计出的正极流量的线。
[0077]另外，如果已知正极压力和堆温度，则即使不知道大气湿度，也能够预先通过实验等求出前述的图3的关系，由此描绘出图4所示的假定大气湿度为0%时的实线BI以及假定大气湿度为100%时的实线B2。
[0078]实线BI是与正极气体的堆入口湿度相应地示出在假定大气湿度为O %时根据检测出的正极压力和堆温度估计出的正极流量的线。实线B2是与正极气体的堆入口湿度相应地示出在假定大气湿度为100%时根据检测出的正极压力和堆温度估计出的正极流量的线。
[0079]这样一来，至少能够估计出实际的正极流量(以下称为“实际正极流量”。)处于实线Al与实线BI的交点Cl处的正极流量(以下称为“实际正极流量下限值”。)和实线Al与实线B2的交点C2处的正极流量(以下称为“实际正极流量上限值”。)之间。
[0080]因而，只要以使实际正极流量下限值不低于最低正极流量的方式控制正极压缩机34，至少实际正极流量就不会低于最低正极流量。[0081]因此，在本实施方式中，基本上将实际正极流量下限值设为正极流量的估计值，以使实际正极流量下限值不低于最低正极流量的方式控制正极压缩机34，并根据需要来控制正极压力和堆温度以使内部电阻为目标内部电阻。
[0082]接着，参照图5到图9来说明使内部电阻为目标内部电阻的电解质膜的湿润控制。
[0083]图5和图6是说明实际内部电阻大于目标内部电阻时的电解质膜的湿润控制的图。
[0084]在图5和图6中，实线A2是与正极气体的堆入口湿度相应地示出将内部电阻维持为目标内部电阻所需的正极流量的线。此外，实线Al是与图4同样地与正极气体的堆入口湿度相应地示出根据检测出的当前的内部电阻(以下称为“实际内部电阻”。)估计出的正极流量的线。实线BI是与图4同样地与正极气体的堆入口湿度相应地示出在假定大气湿度为0%时根据检测出的正极压力和堆温度估计出的正极流量的线。
[0085]如图5所示，在实际内部电阻高于目标内部电阻、而实线A2与实线BI的交点C3处的正极流量(以下称为“目标正极流量下限值”。)为最低正极流量以上时，能够通过以使正极流量减少实际正极流量下限值与目标正极流量下限值的差量的方式控制正极压缩机34，来将实际内部电阻收敛到目标内部电阻。
[0086]然而，在如图6所示那样目标正极流量下限值小于最低正极流量时，无法使正极流量减少到目标正极流量下限值，只能使其减少到最低正极流量。这是由于，当在目标正极流量下限值小于最低正极流量时使正极流量减少到目标正极流量下限值时，输出电力会低于要求输出电力。
[0087]因此，在这种情况下，在以使正极流量减少实际正极流量下限值与最低正极流量的差量的方式控制正极压缩机34之后，对正极压力和堆温度中的一方或双方进行控制，由此使内部电阻收敛到目标内部电阻。具体地说，通过升高正极压力或者降低堆温度来使实线BI移动到实线BI’，从而使内部电阻收敛到目标内部电阻。实线BI’是与实线A2的交点C4处的正极流量为最低正极流量的线。
[0088]接着，参照图7到图10来说明实际内部电阻小于目标内部电阻时的电解质膜的湿润控制。
[0089]图7是示出了电解质膜的湿润状态与内部电阻之间的关系的图。
[0090]如图7所示，燃料电池堆I的内部电阻根据电解质膜的湿润状态而变化，电解质膜处于越干的状态，该内部电阻越高。而且，在电解质膜的湿润度低时、即电解质膜相对干燥时，与电解质膜的湿润状态的变化对应地变化的内部电阻的变化幅度大。反之，在电解质膜的湿润度高的情况下、即电解质膜相对湿的情况下，电解质膜的湿润状态变化时的内部电阻的变化幅度小。
[0091]因此，若在电解质膜相对湿而实际内部电阻小时基于正极压力、堆温度以及实际内部电阻来估计正极流量，其估计精度恐怕会降低。
[0092]因此，在本实施方式中，在实际内部电阻小于目标内部电阻时，例外地参照图8的对应图，基于正极压缩机34的转速以及正极压缩机34的前后压力差来估计正极流量。
[0093]图8是基于正极压缩机34的转速以及正极压缩机34的前后压力差来估计正极流量的对应图。
[0094]如图8所示，正极压缩机34的转速越高，另外正极压缩机34的前后压力差越大，则正极流量估计值越大。
[0095]图9和图10是说明实际内部电阻小于目标内部电阻时的电解质膜的湿润控制的图。
[0096]在图9和图10中，实线A2是与图5同样地与正极气体的堆入口湿度相应地示出将内部电阻维持为目标内部电阻所需的正极流量的线。实线BI是与图4同样地与正极气体的堆入口湿度相应地示出在假定大气湿度为0%时根据检测出的正极压力和堆温度估计出的正极流量的线。
[0097]如图9所示,在最低正极流量大于目标正极流量下限值时，以使正极流量增加最低正极流量与基于正极压缩机34的转速和前后压力差估计出的正极流量的估计值(以下称为“正极流量估计值”。)的差量的方式控制正极压缩机34。之后，通过升高正极压力或降低堆温度来使实线BI移动到实线BI’，从而使内部电阻收敛到目标内部电阻。
[0098]另一方面，在如图10所示那样最低正极流量小于目标正极流量下限值时，以使正极流量增加最低正极流量与正极流量估计值的差量的方式控制正极压缩机34。之后，通过降低正极压力或升高堆温度来使实线BI移动到实线BI’，从而使内部电阻收敛到目标内部电阻。
[0099]下面说明本实施方式的电解质膜的湿润控制。
[0100]图11是说明本实施方式的电解质膜的湿润控制的流程图。
[0101]在步骤SI中，控制器5读入各种传感器的检测信号，检测燃料电池系统100的运转状态。
[0102]在步骤S2中，控制器5基于燃料电池系统100的运转状态来计算要求输出电力。
[0103]在步骤S3中，控制器5基于要求输出电力来计算最低正极流量。要求输出电力越小则最低正极流量越少。
[0104]在步骤S4中，控制器5检测燃料电池堆I的实际内部电阻。具体地说，例如控制DC/DC转换器(未图示)等来将交流电流叠加于燃料电池堆I的输出电流，通过电压传感器检测此时的燃料电池堆11的电压值。然后，基于该电压值来计算所叠加的交流电流的电压振幅，使该电压振幅除以所叠加的交流电流的电流振幅，由此计算燃料电池的内部电阻。
[0105]在步骤S5中，控制器5基于正极压力、堆温度以及实际内部电阻来计算实际正极流量下限值。
[0106]在步骤S6中，控制器5基于正极压力、堆温度以及预先设定的规定的目标内部电阻来计算目标正极流量下限值。
[0107]在步骤S7中，控制器5判断实际内部电阻与目标内部电阻是否相等。具体地说，若实际内部电阻与目标内部电阻之差的绝对值为规定值以内，则判断为实际内部电阻与目标内部电阻相等。若实际内部电阻与目标内部电阻相等，则控制器5结束本次的处理。另一方面，若实际内部电阻与目标内部电阻不相等，则进行步骤S8的处理。
[0108]在步骤S8中，控制器5实施电解质膜的湿润控制处理。参照图12，在后面叙述电解质膜的湿润控制处理的详情。
[0109]图12是说明电解质膜的湿润控制处理的流程图。
[0110]在步骤S81中，控制器5判断实际内部电阻是否大于目标内部电阻。若实际内部电阻大于目标内部电阻，则控制器5进行步骤S82的处理。另一方面，若实际内部电阻小于目标内部电阻则进行步骤S86的处理。
[0111]在步骤S82中，控制器5判断目标正极流量下限值是否为最低正极流量以上。若目标正极流量下限值为最低正极流量以上，则控制器5进行步骤S83的处理。另一方面，若目标正极流量下限值小于最低正极流量，则进行步骤S84的处理。
[0112]在步骤S83中，控制器5以使正极流量减少实际正极流量下限值与目标正极流量下限值的差量的方式控制正极压缩机34。由此，使内部电阻收敛到目标内部电阻(参照图5)。
[0113]在步骤S84中，控制器5以使正极流量减少实际正极流量下限值与最低正极流量的差量的方式控制正极压缩机34 (参照图6)。
[0114]在步骤S85中，控制器5控制正极压力和堆温度中的一方或双方，使得内部电阻为目标内部电阻。具体地说，在控制正极压力的情况下升高正极压力，在控制堆温度时降低堆温度。由此，使内部电阻收敛到目标内部电阻(参照图6)。
[0115]在步骤S86中，控制器5参照图9的对应图，基于正极压缩机34的转速以及正极压缩机34的前后压力差来计算正极流量估计值。
[0116]在步骤S87中，控制器5以使正极流量增加最低正极流量与正极流量估计值的差量的方式控制正极压缩机34(参照图8和图9)。
[0117]在步骤S88中，控制器5判断最低正极流量是否大于目标正极流量下限值。若最低正极流量大于目标正极流量下限值，则控制器5进行步骤S89的处理。另一方面，若最低正极气体流量小于目标正极流量，则进行步骤S90的处理。
[0118]在步骤S89中，控制器5控制正极压力和堆温度中的一方或双方，使得内部电阻为目标内部电阻。具体地说，在控制正极压力的情况下升高正极压力，在控制堆温度时降低堆温度(参照图8)。
[0119]在步骤S90中，控制器5控制正极压力和堆温度中的一方或双方，使得内部电阻为目标内部电阻。具体地说，在控制正极压力的情况下降低正极压力，在控制堆温度时升高堆温度(参照图9)。
[0120]下面，说明本实施方式的作用效果。
[0121]在以使由气流传感器35检测出的正极流量不低于最低正极流量的方式进行控制的情况下，由于气流传感器35的检测精度的影响，只能将正极流量降到最低正极流量加上足够的余量所得的流量。
[0122]与此相对，根据本实施方式，基于正极压力、堆温度以及内部电阻来计算被认作当前的正极流量的流量中的取最低值的流量、即实际正极流量下限值，将其设为正极流量的估计值。
[0123]由此，能够高精度地估计正极流量，因此与以使由气流传感器35检测出的正极流量不低于最低正极流量的方式进行控制的情况相比，能够使正极流量降到更接近最低正极流量。因此，能够使正极压缩机34低转地运转，因此能够提高燃料电池系统100的燃烧消耗率。
[0124]另外，根据本实施方式，以使实际正极流量下限值不低于根据燃料电池系统100的运转状态确定的最低正极流量的方式控制正极压缩机34，并根据需要来控制正极压力和堆温度以使内部电阻为目标内部电阻。[0125]由此，能够将电解质膜的湿润状态维持为最佳的状态，因此能够提高燃料电池系统100的发电效率。
[0126]另外，根据本实施方式，在燃料电池堆I的内部电阻大于规定值而基于正极压力、堆温度以及内部电阻估计正极流量时的估计精度有可能降低时，基于正极压缩机34的转速以及前后压力差来估计正极流量。
[0127]由此，能够维持正极流量的估计精度，因此能够可靠地避免正极流量低于最低正极流量，并且能够使正极压缩机34低转地运转，因此能够提高燃料电池系统100的燃烧消耗率。
[0128](第二实施方式)
[0129]接着，说明本发明的第二实施方式。本实施方式在气流传感器35的检测精度低的区域，不使用由气流传感器35检测出的正极流量而使用估计出的正极流量来对正极压缩机34进行反馈控制。此外，在以下的各实施方式中，对发挥与上述的第一实施方式同样的功能的部分，使用同一标记并适当省略重复的说明。
[0130]如前所述，气流传感器35对正极流量的检测精度有正极流量越少则该检测精度越低的趋势。
[0131]因此，在本实施方式中，在气流传感器35对正极流量的检测精度降低的区域、SP由气流传感器35检测出的正极流量小于规定量的区域，使用估计出的正极流量来对正极压缩机34进行反馈控制。
[0132]具体地说，在由气流传感器35检测出的正极流量小于规定量的区域，基于估计出的正极流量以及向燃料电池堆I供给的正极气体的目标值(以下称为“目标正极流量”。)来对正极压缩机34进行反馈控制，使得估计出的正极流量为目标正极流量。另一方面，在由气流传感器35检测出的正极流量为规定量以上的区域，基于由气流传感器35检测出的正极流量以及目标正极流量来对正极压缩机34进行反馈控制，使得检测出的正极流量为目标正极流量。
[0133]下面，参照图13的流程图来说明本实施方式的正极压缩机34的控制。
[0134]图13是说明本实施方式的正极压缩机34的控制的流程图。
[0135]在步骤S21中，控制器5基于燃料电池系统100的运转状态来计算目标正极流量。目标正极流量是在满足目标输出电力的同时还能够防止液泛的流量。
[0136]在步骤S22中，控制器5将基于正极压力、堆温度以及实际内部电阻计算出的实际正极流量下限值设为正极流量的估计值。
[0137]在步骤S23中，控制器5判断由气流传感器35检测出的正极流量是否小于规定量。若由气流传感器35检测出的正极流量小于规定量，则控制器5进行步骤S24的处理。另一方面，若由气流传感器35检测出的正极流量为规定量以上，则进行步骤S25的处理。
[0138]在步骤S24中，控制器5基于正极流量的估计值以及目标正极流量来对正极压缩机34进行反馈控制，使得正极流量的估计值为目标正极流量。
[0139]在步骤S25中，控制器5基于由气流传感器35检测出的正极流量以及目标正极流量来对正极压缩机34进行反馈控制，使得检测出的正极流量为目标正极流量。
[0140]根据以上说明的本实施方式，在气流传感器35的检测精度低的区域，不使用由气流传感器35检测出的正极流量，而使用精度更高的估计出的正极流量来对正极压缩机34向目标正极流量进行反馈控制。
[0141]由此，在气流传感器35的检测精度低的区域，不需要为了安全而事先将目标正极流量增大到所需以上，因此能够使正极压缩机34低转地运转，从而能够提高燃料电池系统100的燃烧消耗率。
[0142]以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过是示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不在于将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。
[0143]在上述第一实施方式中，若在实际内部电阻相对小时基于正极压力、堆温度以及实际内部电阻来估计正极流量，则其估计精度恐怕会降低，因此在这种情况下根据正极压缩机34的运转状态来估计正极流量。
[0144]然而，也可以以实际内部电阻越小则最低正极流量越高的方式进行校正，从而不管实际内部电阻的大小地基于正极压力、堆温度以及实际内部电阻来估计正极流量。通过这样，无论正极流量的估计精度恶化多少，都能够抑制实际的正极流量低于最低正极流量，其结果能够防止发电效率恶化。
[0145]另外，在上述第一实施方式中，是假定大气湿度为0%来基于正极压力、堆温度以及实际内部电阻估计正极流量的。
[0146]然而，在具备检测大气湿度的湿度传感器的情况下，也可以根据该湿度传感器的检测值对估计出的正极流量进行校正。具体地说，优选以大气湿度越高则估计出的正极流量越大的方式进行校正。由此，能够更高精度地估计正极流量。
[0147]另外，在上述第一实施方式中，也可以仅在气流传感器35的检测精度低的区域实施电解质膜的湿润控制。
[0148]本申请基于2012年I月10日向日本专利局申请的特愿2012-2278号要求优先权，通过参照将该申请的全部内容引入本说明书中。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统，将负极气体和正极气体供给到燃料电池来使该燃料电池发电，该燃料电池系统具备: 正极气体供给部，其向上述燃料电池供给正极气体； 正极压力检测部，其检测向上述燃料电池供给的上述正极气体的压力； 燃料电池温度检测部，其检测上述燃料电池的温度； 内部电阻检测部，其检测上述燃料电池的内部电阻； 目标正极流量计算部，其基于上述燃料电池系统的运转状态来计算需要向上述燃料电池供给的目标正极流量； 正极流量估计部，其根据上述正极气体的压力、上述燃料电池的温度以及上述燃料电池的内部电阻来估计上述正极气体的流量；以及 正极流量控制部，其基于上述目标正极流量以及估计出的上述正极气体的流量来控制上述正极气体供给部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述燃料电池的内部电阻越高，则上述正极流量估计部使上述正极气体的流量的估计值越大。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述正极气体的压力越高，则上述正极流量估计部使上述正极气体的流量的估计值越大。
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， 上述燃料电池的温度越低，则上述正极流量估计部使上述正极气体的流量的估计值越大。
5.根据权利要求1~4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述正极流量估计部假定大气湿度为使用上述燃料电池的外部环境中的最低值，来估计上述正极气体的流量。
6.根据权利要求1~4中的任一项所述的燃料电池系统,其特征在于， 还具备检测大气湿度的大气湿度检测部， 上述正极流量估计部对根据上述正极气体的压力、上述燃料电池的温度以及上述燃料电池的内部电阻估计出的正极气体的流量的估计值以上述大气湿度越高则该估计值越大的方式进行校正。
7.根据权利要求1~6中的任一项所述的燃料电池系统,其特征在于， 还具备将上述燃料电池的内部电阻控制为规定的目标内部电阻的内部电阻控制部，在估计出的上述正极气体的流量与上述目标正极流量相等的情况下，当上述燃料电池的内部电阻高于上述目标内部电阻时，上述内部电阻控制部通过使上述正极气体的压力升高，来将上述燃料电池的内部电阻控制为规定的目标内部电阻。
8.根据权利要求1~6中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 还具备将上述燃料电池的内部电阻控制为规定的目标内部电阻的内部电阻控制部，在估计出的上述正极气体的流量与上述目标正极流量相等的情况下，当上述燃料电池的内部电阻高于上述目标内部电阻时，上述内部电阻控制部通过使上述燃料电池的温度降低，来将上述燃料电池的内部电阻控制为规定的目标内部电阻。
9.根据权利要求1~8中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 在上述燃料电池的内部电阻高于规定值时，上述正极流量估计部根据上述正极气体的压力、上述燃料电池的温度以及上述燃料电池的内部电阻来估计上述正极气体的流量， 在上述燃料电池的内部电阻低于上述规定值时，上述正极流量估计部基于向上述燃料电池加压输送正极气体的压缩机的转速以及前后压力差来估计上述正极气体的流量。
10.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， 上述目标正极流量计算部以上述燃料电池的内部电阻越高则使上述最低正极流量越高的方式进行校正。
11.根据权利要求1~10中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 还具备检测向上述燃料电池供给的上述正极气体的流量的正极流量检测部， 在上述正极气体的流量低于规定量时,上述正极流量控制部基于上述目标正极流量以及估计出的上述正极气体的流量来控制上述正极气体供给部。
【文档编号】H01M8/04GK104040771SQ201380005206
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年1月10日 优先权日:2012年1月10日
【发明者】富田要介, 池添圭吾, 各务文雄 申请人:日产自动车株式会社