燃料电池系统及燃料电池系统的运转控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过低效率运转对燃料电池进行预热的燃料电池系统及燃料电池系统的运转控制方法。
【背景技术】
[0002]燃料电池是将通过利用电化学工艺使燃料氧化而伴随氧化反应放出的能量直接转换成电能的发电系统，具有将多个膜-电极接合体(单电池)层叠而成的堆叠结构，该膜-电极接合体通过由多孔材料构成的一对电极夹持用于选择性地输送氢离子的电解质膜的两侧面而成。
[0003]燃料电池通常将70?80 °C设为最适合于发电的温度域，但是寒冷地等的环境下，有时从起动至达到最佳温度域为止需要长时间，因此研究了各种预热系统。例如，在下述专利文献I中公开了如下的手法:通过实施比通常运转的发电效率低的低效率运转，由此控制搭载于车辆的燃料电池的自发热量，一边进行车辆行驶一边对燃料电池进行预热。上述手法将燃料电池的输出电压设定为比基于其电流?电压特性(以下，称为IV特性)的电压值低的电压值，使燃料电池的热损失增大而实施基于自发热的预热运转，因此无需搭载预热用的装置，便利性优异。
[0004]【现有技术文献】
[0005]【专利文献】
[0006]【专利文献I】日本特开2002-313388号公报
【发明内容】
[0007]【发明要解决的问题】
[0008]图9是表示现有的燃料电池系统的预热运转时的动作点的变化的概念图，示出燃料电池的IV特性线Lal、燃料电池的动作电压线La2、燃料电池的等电力线(以下，称为等功率线)La3以及燃料电池的等发热线(以下，称为等Q线)La4。
[0009]如图9所示，基于要求发电量Preq及要求发热量Qreq，在燃料电池的等功率线La3与等Q线La4相交的交点、即动作点A(I1，VI)进行预热运转的状态下，由于某些理由而施加电流限制(例如，构成燃料电池的单电池的电压下降引起的电流限制等；参照图9中虚线所示的电流限制线La5)时，燃料电池的动作点在动作电压线La2上移动而从动作点A(Il1Vl)向动作点B(I2，V2)转移。这样，以往，在燃料电池进行预热运转的状态下施加电流限制时，通过在设定的动作电压线L2上使燃料电池的动作点转移(换言之，以使动作电压取得特定的值的方式使运转动作点转移)来避免电流限制，因此最终无法满足燃料电池的要求发电量Preq ( S卩，等功率线L3上没有燃料电池的动作点的状态)，由于仅能发出比要求发电量Preq小的发电量Pmes，因此被指出燃料电池系统的电力响应性下降而引起动力性能的下降这样的问题。
[0010]本发明鉴于以上说明的情况而作出，目的是提供一种在通过低效率运转对燃料电池进行预热的燃料电池系统中、能够避免电流限制等各种限制并使满足要求发电量的情况优先而使燃料电池动作的技术。
[0011]【用于解决问题的手段】
[0012]为了解决上述的问题，本发明的一实施方式的燃料电池系统的运转控制方法是通过低效率运转而对燃料电池进行预热的燃料电池系统的运转控制方法，其特征在于，包括:第O步骤，根据要求发电量和要求发热量来决定电流目标值；第一步骤，在电流目标值从上限电流及下限电流的范围脱离的情况下，以使电流目标值进入上限电流及下限电流的范围内的方式将电流目标值设定作为电流指令值；第二步骤，通过将要求发电量除以电流指令值而求出与电流指令值对应的目标电压值，在目标电压值超过上限电压的情况下，以使目标电压值进入上限电压的范围内的方式将目标电压值设定作为电压指令值；第三步骤，在电压指令值从针对燃料电池的电压测定值而设定的规定范围脱离的情况下，以使电压指令值进入规定范围的方式将电压指令值设定作为最终电压指令值；第四步骤，将电压指令值与电流指令值相乘所得到的值除以最终电压指令值，来得到最终电流指令值；及第五步骤，以最终电流指令值及最终电压指令值使所述燃料电池动作。
[0013]在此，在上述结构中，优选将以下所示的(A)?(E)中的至少一个的最小值设定作为上限电流:
[0014]⑷由燃料电池的单电池电压下降限制的电流值；
[0015](B)由燃料电池和辅机类限制的电流值；
[0016](C)由对燃料电池的电压进行控制的电压转换器的最大升压比限制的电流值；
[0017](D)为了对燃料电池的栗氢引起的排气氢浓度的上升进行抑制而限制的电流值；
[0018](E)由系统整体的电力容许量限制的电流值。
[0019]而且，在上述结构中，优选将以下所示的(F)?(H)中的至少一个的最大值设定作为下限电流:
[0020](F)将要求发电量除以高电位回避电压而得到的电流值；
[0021](G)将要求发电量对照所述燃料电池的性能曲线而得到的电流值；
[0022](H)将要求发电量除以发热效率维持电压而得到的电流值。
[0023]而且，在上述结构中，可以将电流指令值对照燃料电池的性能曲线而得到的电压值和发热效率维持电压中的较小的一方设定作为上限电压。
[0024]而且，本发明的另一实施方式的燃料电池系统通过低效率运转而对燃料电池进行预热，其特征在于，具备:决定部，根据要求发电量和要求发热量来决定电流目标值；第一设定部，在电流目标值从上限电流及下限电流的范围脱离的情况下，以使电流目标值进入上限电流及下限电流的范围内的方式将电流目标值设定作为电流指令值；第二设定部，通过将要求发电量除以电流指令值而求出与电流指令值对应的目标电压值，在目标电压值超过上限电压的情况下，以使目标电压值进入上限电压的范围内的方式将目标电压值设定作为电压指令值；第三设定部，在电压指令值从针对燃料电池的电压测定值而设定的规定范围脱离的情况下，以使电压指令值进入规定范围的方式将电压指令值设定作为最终电压指令值；导出部，将电压指令值与电流指令值相乘所得到的值除以最终电压指令值，来得到最终电流指令值；及控制部，以最终电流指令值及最终电压指令值使燃料电池动作。
[0025]【发明效果】
[0026]如以上说明那样，根据本发明，在通过低效率运转对燃料电池进行预热的燃料电池系统中，能够避免电流限制等各种限制并使满足要求发电量的情况优先而使燃料电池动作。
【附图说明】
[0027]图1是表示本实施方式的燃料电池系统的概略结构的图。
[0028]图2是表示预热运转时的动作点的决定工艺的流程图。
[0029]图3是表示燃料电池系统的预热运转时的运转动作点的变化的概念图。
[0030]图4A是表示燃料电池系统的预热运转时的运转动作点的变化的概念图。
[0031]图4B是表示燃料电池系统的预热运转时的运转动作点的变化的概念图。
[0032]图4C是表示燃料电池系统的预热运转时的运转动作点的变化的概念图。
[0033]图5A是表示燃料电池系统的预热运转时的运转动作点的变化的概念图。
[0034]图5B是表示燃料电池系统的预热运转时的运转动作点的变化的概念图。
[0035]图5C是表示燃料电池系统的预热运转时的运转动作点的变化的概念图。
[0036]图6A是表示燃料电池系统的预热运转时的运转动作点的变化的概念图。
[0037]图6B是表示燃料电池系统的预热运转时的运转动作点的变化的概念图。
[0038]图6C是表示燃料电池系统的预热运转时的运转动作点的变化的概念图。
[0039]图7是用于说明电流上限阈值Iupl、电流下限阈值Ilol及电压上限阈值Vupl的决定方法的概念图。
[0040]图8是用于说明电压上限阈值VupI的决定方法的概念图。
[0041]图9是表示以往的燃料电池系统的预热运转时的动作点的变化的概念图。
[0042]【符号说明】
[0043]10.??燃料电池系统，20.??燃料电池组，30…氧化气体供给系统，40…燃料气体供给系统，50...电力系统，60...冷却系统，70...控制器。
【具体实施方式】
[0044]以下，关于本发明的实施方式，参照附图进行说明。
[0045]A.本实施方式
[0046]A-1.结构
[0047]图1是搭载有本实施方式的燃料电池系统10的车辆的概略结构。需要说明的是，在以下的说明中，作为车辆的一例而设想了燃料电池机动车(FCHV;Fuel Cell HybridVehicle)，但并不局限于车辆，也可以应用于各种移动体(例如，船舶或飞机、机器人等)或固定型电源、以及便携型的燃料电池系统。
[0048]燃料电池系统10是作为搭载于燃料电池车辆的