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]本发明涉及燃料电池系统的运转控制方法，尤其是涉及从间歇运转或预热运转向通常运转恢复时的燃料电池系统的运转控制方法。
【背景技术】
[0002]燃料电池是通过电化学工艺使燃料氧化，由此将伴随着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]在对这种燃料电池系统进行通常运转时，为了提高燃料电池组的发电效率，以使燃料电池组的动作点在图4所示那样的电流-电压的特性线(所谓IV特性线)Lal上移动的方式控制燃料电池组的发电。另一方面，在使燃料电池系统进行间歇运转或预热运转时，以使燃料电池组的动作点在从IV特性线Lal偏离的区域(参照图4所示的间歇运转区域Aim、预热运转区域Awp)移动的方式控制燃料电池组的发电。需要说明的是，预热运转是在低温起动时(例如，冰点下起动时)，与通常运转时相比缩减空气化学计量比，由此特意降低发电效率，相应地增加燃料电池组的发热量的运转。另一方面，间歇运转是在低负载运转时(例如，怠速中或拥堵行驶中等)，使向燃料电池组的氧化气体及燃料气体的供给暂时停止的运转。
[0004]作为与之关联的技术，例如在下述专利文献I中公开了如下的控制方法:在从发电效率低的运转(间歇运转)向发电效率高的运转(通常运转)的恢复中，为了确保燃料电池组的输出响应性能，在间歇运转中，少量且连续地供给氧化气体，在要求电力超过了规定值的情况下，切换成通常运转。根据上述结构，在对燃料电池组进行间歇运转期间，能够抑制燃料电池组的输出电压超过开放端电压的问题(换言之，进行高电位回避控制)。
[0005]【在先技术文献】
[0006]【专利文献】
[0007]【专利文献I】日本特开2010-244937号公报
【发明内容】
[0008]【发明要解决的课题】
[0009]然而，在上述现有技术中，被指出当按照发电要求而过度提升电流时，会产生燃料电池组的输出电压无法恢复这样的问题，反之，若为了等待燃料电池组的输出电压的上升而不提升输出电流，则电力响应性下降这样的问题。
[0010]本发明鉴于以上说明的情况而作出，目的在于提供一种在从间歇运转或预热运转等发电效率低的运转向通常运转恢复时的燃料电池系统中，能够同时实现燃料电池的输出电压的恢复和电力响应性的提高的技术。
[0011]【用于解决课题的方案】
[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控制方法是从发电效率比通常运转低的低效率运转向通常运转恢复时的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，包括:第一步骤，在燃料电池的测定电压超过了燃料电池的下限电压的情况下，将燃料电池的输出电流提高至设定的容许电流;及第二步骤，在提高了输出电流之后，将下限电压更新为测定电压，反复进行第一步骤和第二步骤，直至测定电压达到设定的极限电压。
[0013]在此，在上述结构中，优选的是，还包括如下的第三步骤:在测定电压未超过所述下限电压的情况下降低输出电流，而且，还优选的是，容许电流基于向燃料电池供给的氧化气体供给量和空气化学计量比来设定。需要说明的是，上述结构中的低效率运转可以是间歇运转或预热运转中的任一个。
[0014]而且，本发明的另一实施方式的燃料电池系统能够在发电效率比通常运转低的低效率运转与通常运转之间进行运转切换，其特征在于，具备:电流控制部，在燃料电池的测定电压超过了燃料电池的下限电压的情况下，将燃料电池的输出电流提高至设定的容许电流;电压更新部，在输出电流被提高之后，将下限电压更新为测定电压;及控制部，反复执行由电流控制部进行的提高输出电流的动作和由电压更新部进行的将下限电压更新为测定电压的动作，直至测定电压达到设定的极限电压。
[0015]【发明效果】
[0016]如以上说明那样，根据本发明，在从间歇运转或预热运转等发电效率低的运转向通常运转恢复时的燃料电池系统中，能够避免电流限制等各种限制，并使满足要求发电量优先而决定燃料电池的动作点。
【附图说明】
[0017]图1是表示本实施方式的燃料电池系统的概略结构的图。
[0018]图2是表示从间歇运转向通常运转恢复的情况的运转控制工艺的流程图。
[0019]图3是表示加速器开度信号ACC、运转模式0m、FC电压Vfc、空气流量Fa、FC电流Ifc的关系的时间图。
[0020]图4是表示以往的燃料电池系统中的运转动作点的变化的概念图。
[0021]【符号说明】
[0022 ] 1…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】
[0023]以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
[0024]A.本实施方式
[0025]A-1.结构
[0026]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，设想燃料电池汽车(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)作为车辆的一例，但是不仅是车辆，也可以应用于各种移动体(例如，船舶、飞机、机器人等)或固定型电源、以及便携型的燃料电池系统。
[0027]燃料电池系统10是在发电效率比通常运转低的低效率运转与通常运转之间能够进行运转切换的燃料电池系统(详情后述)，作为搭载于燃料电池车辆的车载电源系统发挥功能。燃料电池系统10具备:接受反应气体(燃料气体、氧化气体)的供给而发电的燃料电池组20;用于将作为氧化气体的空气向燃料电池组20供给的氧化气体供给系统30;用于将作为燃料气体的氢气向燃料电池组20供给的燃料气体供给系统40;用于控制电力的充放电的电力系统50;用于对燃料电池组20进行冷却的冷却系统60;对系统整体进行控制的控制器(ECU)70o
[0028]燃料电池组20是将多个单电池串联层叠而成的固体高分子电解质型单电池组。在燃料电池组20中，在阳极产生(I)式的氧化反应，在阴极产生(2)式的还原反应。作为燃料电池组20整体，产生(3)式的起电反应。
[0029]H2—2H++2e—---(I)
[0030](l/2)02+2H++2e——H20 ---(2)
[0031]Η2+(1/2)02^Η20---(3)
[0032]在燃料电池组20安装有用于检测燃料电池组20的输出电压的电压传感器71、用于检测发电电流的电流传感器72、以及用于检测单电池电压的单电池电压传感器73。
[0033]氧化气体供给系统30具有向燃料电池组20的阴极供给的氧化气体所流动的氧化气体通路34、从燃料电池组20排出的氧化废气所流动的氧化废气通路36。在氧化气体通路34设有:经由过滤器31而从大气中取入氧化气体的空气压缩器32;用于对向燃料电池组20的阴极供给的氧化气体进行加湿的加湿器33;用于调整氧化气体供给量的节流阀35。在氧化废气通路36设有:用于调整氧化气体供给压的背压调整阀37;在氧化气体(干燥气体)与氧化废气(湿润气体)之间用于进行水分交换的加湿器33。
[0034]燃料气体供给系统40具有:燃料气体供给源41;从燃料气体供给源41向燃料电池组20的阳极供给的燃料气体流动的燃料气体通路45;用于使从燃料电池组20排出的燃料废气向燃料气体通路45返回的循环通路46;将循环通路46内的燃料废气向燃料气体通路45进行压力输送的循环栗47;与循环通路46分支连接的排气排水通路48。
[0035]燃料气体供给源41例如由高压氢罐或储氢合金等构成，积存高压(例如35MPa至70MPa)的氢气。当打开截止阀42时，燃料气体从燃料气体供给源41向燃料气体通路45流出。燃料气体由调节器43或喷射器44减压至例如200kPa左右，向燃料电池组20供给。
[0036]需要说明的是，燃料气体供给源41可以由从烃系的燃料生成富氢的改质气体的改质器、将由该改质器生成的改质气体形成高压状态并蓄压的高压气体罐构成。
[0037]调节器43是将其上游侧压力(一次压)调压成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背压室与调压室由隔膜分隔而形成的壳体，具有通过背压室内的背压在调压室内将一次压减压成规定的压力而形成二次压的结构。
[0038]喷射器44是利用电磁驱动力直接以规定的驱动周期驱动阀芯而使阀芯从阀座分离，由此能够调整气体流量或气体压的电磁驱动式的开闭阀。喷射器44具备:喷嘴体，具备具有喷射燃料气体等气体燃料的喷射孔的阀座，并将该气体燃料供给引导至喷射孔的喷嘴体；阀芯，被收容保持成相对于该喷嘴体能够沿轴线方向(气体流动方向)移动并对喷射孔进行开闭。
[0039]在排气排水通路48配设有排气排水阀49。排气排水阀49按照来自控制器70的指令而工作，由此将循环通路46内的包含杂质的燃料废气和水分向外部排出。通过排气排水阀49的开阀，循环通路46内的燃料废气中的杂质的浓度下降，能够提升在循环系统内循环的燃料废气中的氢浓度。
[0040]经由排气排水阀49而排出的燃料废气与在氧化废气通路36中流动的氧化废气混合，由稀释器(未图示)稀释。循环栗47将循环系统内的燃料废气通过电动机驱动向燃料电池组20进行循环供给。
[0041]电力系统50具备燃料电池组用的转换器(FDC)51a、蓄电池用的转换器(BDC)51b、蓄电池52、牵引逆变器53、牵引电动机54及辅机类55 JDCSla担任对燃料电池组20的输出电压进行控制的作用，是将输入到一次侧(输入侧:燃料电池组20侧)的输出电压转换(升压或降压)成与一次侧不同的电压值向二次侧(输出侧:逆变器53侧)输出，而且反之将输入到二次侧的电压转换成与二次侧不同的电压向一次侧输出的双方向的电压转换装置。通过该FDC51a的电压转换控制，来控制燃料电池组20的动作点(1、V)。
[0042]BDC51b起到对逆变器53的输入电压进行控制的作用，具有与例如n)C51a同样的电路结构。需要说明的是，BDC51b的电路结构不是局限于上述的主旨，可以采用能够进行逆变器53的输入电压的控制的所有结构。
[0043]蓄电池52作为剩余电力的贮存源、再生制动时的再生能量贮存源、燃料电池车辆的与加速或减速相伴的负载变动时的能量缓冲器发挥功能。作为蓄电池52，优选例如镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。
[0044]牵引逆变器53例如是以脉冲宽度调制方式驱动的HVM逆变器，按照来自控制器70的控制指令，将从燃料电池组20或蓄电池52输出的直流电压转换成三相交流电压，对牵引电动机54的旋转转