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：
本发明涉及一种燃料电池系统， 的电化学反应进行发电的燃料电池、 电力分配部。
其具有通过燃料气体和氧化气体 氧化气体供给部、二次电池以及
背景技术：
燃料电池系统具有燃料气体，例如含氢的气体；燃料电池，通 过与氧化气体、例如与空气的电化学反应进行发电；向燃料电池供给 氧化气体的空气压縮机等氧化气体供给部；以及可充放电的二次电池。 但在低温环境下起动燃料电池系统时，燃料电池的发电性能、二次电 池的输出特性有可能下降。
鉴于这种情况，日本特开2004 — 281219号公报中记载的燃料电池 系统中具有电力分配部，将燃料电池所发出的发电电力供给到燃料 电池发电所需的辅机的同时供给到二次电池以进行充电，或将二次电 池所放出的电力供给到辅机；以及控制部，在系统起动时，通过交替 进行第1处理和第2处理而进行对燃料电池及二次电池预热的预热控 制处理，上述第1处理为，控制电力分配部，以将燃料电池的发电电 力供给到辅机及二次电池，上述第2处理为，控制电力分配部，以将 燃料电池的发电电力及二次电池的放电电力供给到辅机。
日本特开2004 — 281219号公报所述的燃料电池系统中，通过交替 进行第1处理和第2处理，有可能尽快对燃料电池及二次电池进行预 热，但二次电池中仍可能发生过度充电、过度放电。例如，为了使燃 料电池发电，需要控制空气压縮机等氧化气体供给部的驱动状态，但 在第1处理和第2处理之间转换时，对应氧化气体供给部的转速目标值的变化，可能无法高精度地追踪实际的转速变化。其原因在于，对 于来自控制部的与氧化气体供给部转速相关的指令信号，在实际的氧 化气体供给部的转速变化产生时间延迟，即，产生误差。并且，氧化 气体供给部的转速变化对应于燃料电池的发电电力的变化。因此，降 低燃料电池的发电电力时，产生实际发电电力相对于发电电力的目标 值而过度下降的下冲；或者相反，在提高燃料电池的发电电力时，产 生实际发电电力相对于发电电力的目标值而过度上升的过冲。
对于燃料电池的发电电力，当产生下冲时，在补充燃料电池发电 电力下降的二次电池的放电电力上升时，易产生超过放电电力上限基 准的过度放电。相反，对于燃料电池的发电电力，当产生过冲时，在 供给发电电力、被充电的二次电池的充电电力上升时，易发生超过充 电电力上限基准的过度充电。因此，在二次电池中发生过度放电或过 度充电时会导致二次电池过早老化。尤其是，接近放电电力上限基准 来进行二次电池的放电、接近充电电力的上限基准来进行二次电池的 充电时，易发生过度放电、过度充电。
并且，不仅在系统起动时，而且在燃料电池持续发电过程中等情 况下，当处于低温环境下时，二次电池的性能也可能降低，因此这种 情况下也优选进行预热控制处理，对二次电池预热。
本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，在通过交替进行从燃 料电池到二次电池的发电电力的供给及二次电池的放电而对二次电池 进行预热时，使二次电池中不易发生过度充电及过度放电。

发明内容
本发明涉及的燃料电池系统具有燃料电池，其通过燃料气体和 氧化气体的电化学反应进行发电；氧化气体供给部，其向燃料电池供 给氧化气体；二次电池，其进行电力的充放电；电力分配部，其将燃 料电池所发出的发电电力供给燃料电池发电所需的辅机并供给二次电池以进行充电，或者将二次电池所放出的电力供给辅机和负载中的至 少一方；控制部，其通过交替进行第1处理和第2处理而进行对二次 电池进行预热的预热控制处理，上述第1处理为，控制电力分配部， 以将燃料电池的发电电力供给辅机及二次电池，上述第2处理为，控 制电力分配部，以将至少由二次电池放电所产生的电力供给辅机和负 载中的至少一方，该燃料电池系统的特征在于，控制部具有发电电 力计算单元，其在进行预热控制处理时根据二次电池的可充放电电力
计算燃料电池的发电电力；和氧化气体供给部驱动控制单元，其根据 来自发电电力计算单元的输出指令所表示的燃料电池的发电电力的计 算值，控制氧化气体供给部的驱动状态，发电电力计算单元逐渐改变 输入到氧化气体供给部驱动控制单元的输出指令所表示的、第1处理 和第2处理之间的转换时的燃料电池的发电电力的大小。
并且优选氧化气体供给部是空气压縮机，氧化气体供给部驱动 控制单元根据发电电力计算单元的输出指令所表示的燃料电池的发电 电力的计算值来控制空气压缩机的转速。
根据本发明涉及的燃料电池系统，发电电力计算单元逐渐改变输 入到氧化气体供给部驱动控制单元的输出指令所表示的、在第1处理
和第2处理之间进行转换时的燃料电池的发电电力的大小，因此在第1 处理和第2处理之间进行转换时，对应氧化气体供给部的驱动状态的 目标值的变化，可高精度地追踪实际的驱动状态的变化。因此，不易 发生在降低燃料电池发电电力的情况下发电电力相对于目标值而过度 下降的情况、及在提高燃料电池发电电力的情况下相对于发电电力的 目标值而过度上升的情况。其结果是，在接近放电电力上限基准来进 行二次电池的放电、接近充电电力的上限基准来进行二次电池的充电 时，二次电池也不易发生过度放电、过度充电。


图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的基本构成的框图。
图2是详细表示本发明的实施方式的构成的构成图。
图3是表示用本发明的实施方式的燃料电池系统进行的预热控制
处理的流程图。
图4为，在进行图3的预热控制处理时，(a)是表示发电电力计 算单元的输出指令所表示的、燃料电池组的取出电力的计算值的时间 变化的图，(b)是表示二次电池的充放电电力的时间变化的图。
图5为，在现有的燃料电池系统中进行预热控制处理时，(a)是 表示发电电力计算单元的输出指令所表示的、燃料电池组的取出电力 的计算值的时间变化的图，(b)是表示二次电池的充放电电力的时间 变化的图。
图6 (a)是对在图5 (b)中使二次电池从充电状态向放电状态转 换时的、二次电池的充放电电力的时间变化用目标值(点划线)和实 际测定值(实线)表示的图，(b)是对与(a)对应的空气压缩机的转 速的时间变化用目标值(点划线)和实际测定值(实线)表示的图。
图7 (a)是对在本发明的实施方式中使二次电池从充电状态向放 电状态转换时的、二次电池的充放电电力的时间变化用目标值(点划 线)和实际测定值(实线)表示的图，(b)是对与(a)对应的空气压 縮机的转速的时间变化用目标值(点划线)和实际测定值(实线)表 示的图。
图8是表示由本发明的第2实施方式的燃料电池系统进行的预热 控制处理的流程图。
具体实施例方式
(第1实施方式)
以下参照附图详细说明本发明涉及的实施方式。
图1至图4、图7表示本发明的第1实施方式。图1是表示本实 施方式的燃料电池系统10的基本构成的框图，图2同样是表示具体构 成的构成图。本实施方式的燃料电池系统IO搭载在燃料电池车上使用，其具有 燃料电池组12。该燃料电池组12是层叠多个燃料电池单电池而成的燃 料电池单电池层叠体，并且在燃料电池单电池层叠体的层叠方向两端 部设有集电板及端板。并且，用贯穿螺栓、螺母等紧固燃料电池单电 池层叠体、集电板以及端板。此外，也可在集电板和端板之间设置绝 缘板。
省略各燃料电池单电池的详细图示，但例如具有由阳极侧电极 和阴极侧电极夹持电解质膜而成的膜-组件及其两侧的隔板。并且，可 向阳极侧电极供给作为燃料气体的氢气，可向阴极侧电极供给作为氧 化气体的空气。并且，使阳极侧电极产生的氢离子经由电解质膜移动 到阴极侧电极，在阴极侧电极中与氢产生电化学反应而生成水。并且， 使电子从阳极侧电极通过外部电路向阴极侧电极移动，从而产生电动 势。
并且，在燃料电池组12的内部，在隔板附近设有未图示的内部致 冷剂流路。通过向该内部致冷剂流路注入作为致冷剂的冷却水，即使 因伴随燃料电池组12发电产生的热量导致温度上升，也可防止其温度 不过度上升。
并且，为了将作为氧化气体的空气供给到燃料电池组12，设置氧 化气体供给流路14，并且在氧化气体供给流路14的上游部设置作为氧 化气体供给部的空气压縮机16。从外部气体导入到空气压縮机16的空 气由空气压縮机16加压后，通过未图示的加湿器被加湿。空气压缩机 16由未图示的驱动用电机驱动。驱动用电机的转速由电子控制装置 (ECU)等的控制部18的空气压縮机驱动控制单元20 (图2)控制。 并且，将加湿后的空气供给到燃料电池组12的阴极侧电极一侧的流路 中。
7并且，供给到燃料电池组12的、用于在各燃料电池单电池中进行 电化学反应后的空气废气从燃料电池组12经过氧化气体系统排出气体
流路22被排出。氧化气体系统排出气体流路22的中途设有未图示的 压力调整阀，输送到燃料电池组12的空气的供给压力被控制为与燃料 电池组12的运转状态对应的适当的压力值。因此，将压力调整阀的压 力检测值输入到控制部18。
另一方面，为了将作为燃料气体的氢气供给燃料电池组12，设有 燃料气体供给流路24。并且，在燃料气体供给流路24的气体上游侧设 有作为燃料气体供给装置的高压氢罐、通过重整反应生成氢的重整装 置等的氢气供给装置26。从氢气供给装置26供给到燃料气体供给流路 24的氢气经由作为压力调整阀的减压阀28供给到燃料电池组12的阳 极侧电极一侧的流路。减压阀28的开度通过由控制部18控制致动器 30来调整。
供给到燃料电池组12的阳极侧电极一侧的流路的、用于电化学反 应后的氢气系统的排出气体从燃料电池组12经过燃料气体系统循环路 径32，再次返回到燃料电池组12。在燃料气体系统循环路径32中设 有未图示的氢气系统循环泵，在利用氢气系统循环泵使氢气系统排出 气体升压后，使其与自氢气供给装置26输送的氢气合流，然后再次输 送到燃料电池组12。
并且，在燃料气体系统循环路径32上设置未图示的气液分离器， 在气液分离器上连接燃料气体系统排出流路34的上游端。即，从燃料 气体系统循环路径32使燃料气体系统排出流路34分支。输送到气液 分离器的氢气系统排出气体的一部分与由气液分离器分离出的水分同 时经过设有排气阀的燃料气体排出流路34，送入到未图示的稀释器， 与通过氧化气体系统排出气体流路22输送的空气废气合流，降低氢浓 度后排出。此外，在燃料气体系统循环路径32的中途，从燃料电池组12和 气液分离器之间等、与气液分离器不同的部分分支出燃料气体系统排
出流路34，将送入到燃料气体系统排出流路34的氢气系统排出气体送 入到稀释器。
进一步，为了进行燃料电池组12的状态检测，设有检测燃料电
池组12的输出电流的电流传感器36;检测燃料电池组12的输出电压 的电压传感器38;检测燃料电池组12的温度的温度传感器40。在使 燃料电池组12发电时，由控制部18读入来自各传感器36、 38、 40的 检测信号。并且，为了获得和目标发电量对应的氢气的压力和流量、 及空气的压力和流量，控制部18根据该检测信号控制作为辅机的空气 压縮机16的驱动状态的空气压縮机16的旋转轴的转速、设置在氧化 气体系统排出气体流路22的中途的压力调整阀、减压阀28等。
并且，由燃料电池组12发出的发电电力被供给到电力分配部42。 电力分配部42由控制部18控制，把来自燃料电池组12的发电电力供 给到负载44、辅机并被消耗，同时根据需要从进行电力的充放电的二 次电池46进行放电电力的放电，供给到负载44、辅机并被消耗。并且， 电力分配部42由控制部18控制，将燃料电池组12的发电电力供给到 二次电池46以进行充电。二次电池46的SOC (State Of Charge:蓄电 池充电率)和温度由二次电池传感器48检测。
作为图1、图2所示的负载44，包括车辆行驶用的行驶用电机。 并且，作为燃料电池系统10的实际负载，也包括可使燃料电池组12 及二次电池46升温的加热装置50 (图l)。并且，作为辅机，除了空 气压縮机16夕卜，包括使用于冷却燃料电池组12的冷却水在冷却水路 径中循环的冷却水泵、设置在冷却水路径上的散热器冷却风扇、设置 在电力分配部42上的逆变器、控制部18等燃料电池组12发电所需的 设备。为了控制燃料电池组12的发电状态，控制部18执行未图示的存 储器中存储的控制程序。并且，控制部18控制电力分配部，以控制供
给负载44、辅机的电力。并且，在燃料电池系统10起动时，控制部 18执行预热控制处理。预热控制处理为，通过由控制部18执行控制程 序，使燃料电池组12发电而自身发热，同时反复进行多次二次电池46 的充放电，以使二次电池46自身发热，对燃料电池组12及二次电池 46进行预热。这样一来，可从燃料电池组12及二次电池46向负载44 供给稳定的电力。
艮P，在预热控制处理中，在燃料电池系统10起动时，由控制部 18交替进行以下处理，以对燃料电池组12及二次电池46预热第1 处理，控制电力分配部42，以将燃料电池组12的发电电力供给到辅机 及二次电池46;第2处理，控制电力分配部42，以将燃料电池组12 的发电电力及二次电池46的放电电力供给到辅机。为了进行这种预热 控制处理，控制部18具有发电电力计算单元52，根据二次电池46 的可充放电电力、即可充电电力和可放电电力，计算燃料电池组12的 发电电力；空气压縮机驱动控制单元20，根据来自发电电力计算单元 52的输出指令所表示的燃料电池组12的发电电力的计算值，控制空气 压縮机16的驱动状态。接着参照图3详细说明上述预热控制处理。
图3是表示预热控制处理的流程图，其中，预热控制处理为在 燃料电池系统10起动时，使燃料电池组12发电的同时，反复进行二 次电池46的充电和放电，从而对燃料电池组12和二次电池46预热。 首先，在燃料电池系统IO起动时，在步骤Sl中，每经过规定时间即 判断燃料电池组12的温度是否在规定温度以上。即，在步骤Sl中， 控制部18 (图l、图2)读入来自温度传感器40 (图2)的检测信号， 检测燃料电池组12的温度，判断燃料电池组12的温度是否在预先确 定的规定温度以上。并且，在步骤Sl中，从燃料电池组12停止发电 开始经过了足够的时间时，可取代来自温度传感器40的检测信号，而 读入来自未图示的外部气温传感器的检测信号，检测外部气温，判断外部气温是否在预先确定的规定温度以上。并且，也可检测用于冷却 燃料电池组12的冷却水的温度，判断燃料电池组12的温度是否在规 定温度以上。
在图3的步骤Sl中，当判断为燃料电池组12的温度或外部气温 在规定温度以上时，无需对燃料电池组12及二次电池46进行预热， 因此转换到步骤S2的通常运转模式，结束预热控制处理。与之相对， 当判断为燃料电池组12的温度或外部气温小于规定温度时，转换到步 骤S3。
在步骤S3中，控制部18读入来自二次电池传感器48 (图2)的 检测信号，检测二次电池46的状态、即二次电池46的温度及SOC。 接着，在图3的步骤S4中，控制部18的发电电力计算单元52 (图2) 根据二次电池46的温度及SOC的检测值，计算二次电池46的可充放 电电力、即可充电电力及可放电电力。之所以使用二次电池46的温度 及SOC的检测值，是因为二次电池46的可充放电电力受到温度及SOC 的影响。
接着，在图3的步骤S5中，发电电力计算单元52 (图2)计算起 动用辅机消耗电力Al (参照图4)。起动用辅机消耗电力Al是燃料电 池组12发出相当于在步骤S4中求出的二次电池46的可充电电力的电 力所需的辅机的耗电，例如，使用表示相当于可充电电力的电力和辅 机的耗电之间的关系的映射图的数据，计算起动用辅机消耗电力Al。
接着，在图3的步骤S6中，发电电力计算单元52根据在步骤S5 中计算出的起动用辅机耗电A 1、及在步骤S4中计算出的二次电池46 的可充电电力，计算出从燃料电池组12取出的取出电力的最大值 A2 (参照图4)、持续取出该取出电力的最大值A2的持续时间q (参 照图4)、从燃料电池组12取出的取出电力的起动用辅机消耗电力Al 以下的最小值A3 (参照图4)、持续取出该取出电力的最小值A3的持续时间t2 (参照图4)。即，在图3的步骤S5中计算出的起动用辅机
消耗电力Al、与在步骤S4中计算出的二次电池46的可充电电力的和， 成为从燃料电池组12取出的取出电力的最大值A2。
尤其是，发电电力计算单元52 (图2)计算如图4 (a)所示， 以最大值A2并以持续时间t,从燃料电池组12取出电力后，开始从燃 料电池组12以最小值A3取出电力前的转换时间t3;以最小值A3并以 持续时间12从燃料电池组12取出电力后，开始从燃料电池组12以最 大值A2取出电力前的转换时间t4 (参照图4) 。 g卩，如图4(a)所示， 发电电力计算单元52在以最大值A2从燃料电池组12取出电力后发出 指令，以使取出电力经过转换时间t3以一定比例逐渐下降到最小值A3。 并且，发电电力计算单元52在以最小值A3从燃料电池组12取出电力 后发出指令，以使取出电力经过转换时间t4以一定比例逐渐上升到最 大值A2。表示发电电力计算单元52计算出的、从燃料电池组12取出 的电力值A2、 A3、持续时间t" t2、转换时间t3、 t4的计算值的输出指 令，被输入到控制部18的空气压縮机驱动控制单元20 (图2)。
空气压縮机驱动控制单元20首先根据输出指令计算为了获得取 出电力的最大值A2所需的、空气压縮机16的转速，并控制空气压縮 机16，使空气压縮机16以计算出的转速持续时间t,旋转。即，在图3 的步骤S7中，如判断为处于预热控制处理初始时刻时，则在步骤S8 中，由空气压縮机驱动控制单元20控制空气压縮机16的转速，以从 燃料电池组12以取出电力最大值A2取出电力。并且，与此同时，由 控制部18的减压阀控制单元计算与根据该转速所得到的空气的流量及 压力相对应的氢气的流量及压力，并进行控制，使减压阀28 (图2) 的开度变为规定的一定开度。并且，与之相伴，进行由控制部18控制 电力分配部42的第1处理，使得从燃料电池组12 (图1)向二次电池 46供给发电电力中的、在步骤S4求出的二次电池46的可充电电力， 对二次电池46进行充电，并且向辅机供给发电电力的一部分。
12接着，在图3的步骤S9中，由控制部18判断以最大值从燃料电
池组12取出电力的时间是否经过了持续时间t！(图4)。如判断为经 过了持续时间tp则接着在图3的步骤S10中，由空气压縮机驱动控制 单元20进行降低空气压縮机的转速的控制，使燃料电池组12的取出 电力如图4 (a)所示地经过转换时间t3以一定比例从最大值A2下降到 最小值A3。并且，与之对应，由减压阀控制单元进行使减压阀28的 开度在转换时间t3内减小的控制。与之相伴，如图4 (b)所示，进行 由控制部18控制电力分配部42的第2处理，使得二次电池46的充电 量逐渐减小并变为0后，二次电池46的放电量逐渐上升，将二次电池 46放电的电力与与燃料电池组12的发电电力一起供给到空气压縮机 16等辅机。
接着，在图3的步骤S11中，由空气压縮机驱动控制单元20控制 空气压缩机16的转速，从而以取出电力最小值A3从燃料电池组12取 出电力。并且，与之相伴，由控制部18的减压阀控制单元进行控制， 使减压阀28的开度变为与空气压縮机16的转速对应的规定的一定开 度。并且，与之相伴，由控制部18控制电力分配部42，使二次电池 46以在歩骤S4中求出的可放电电力进行放电，并将放出的电力供给到 辅机。
接着，在图3的步骤S12中，由控制部1.8判断从燃料电池组12 以最小值A3取出电力的时间是否经过了持续时间t2。当判断为经过了 持续时间t2时，返回到步骤Sl，判断燃料电池组12的温度或外部气温 是否在规定温度以上，当判断为在规定温度以上时，转换到步骤S2的 通常运转模式，反复进行步骤S3到S12的处理。此时，由于经过了持 续时间t^ t2、转换时间t3，因此在步骤S7中转换到步骤S7a。并且， 在步骤S7a中，由空气压縮机驱动控制单元20进行使空气压縮机16 的转速上升的控制，使燃料电池组12的取出电力如图4 U)所示地经 过转换时间U以一定比例从最小值A3上升到最大值A2。并且，与之 对应，通过减压阀控制单元进行控制，使减压阀28的开度在转换时间t4中变大。与之相伴，由控制部18控制电力分配部42，使得如图4(b) 所示，在二次电池46的放电量逐渐减小并变为0后，二次电池46的 充电量逐渐上升。
在这种预热控制处理中，使燃料电池组12发电，反复进行二次电 池46的充电和放电，从而使燃料电池组12和二次电池46的温度逐渐 上升，以对燃料电池组12及二次电池46进行预热。随着二次电池46 的温度上升，如图4(b)所示，二次电池46的可充电电力和可放电电 力变大，因此如图4(a)所示，来自发电电力计算单元52的输出指令 所表示的、从燃料电池组12取出的取出电力的最大值A2上升。
和上述本实施方式的燃料电池系统10的预热控制处理不同，现有 技术中，如图5、图6所示一样进行预热控制处理。即，在现有技术中， 如图5 (a)所示，使得从发电电力计算单元52 (参照图2)输入到空 气压縮机驱动控制单元20的输出指令所表示的发电电力在最大值A2 和最小值A3之间，在时间上阶梯状变化。具体而言，在图3所示的本 实施方式的步骤S6中，省略转换时间t3、 t4的计算，并且省略步骤S7、 S7a、 SIO。这样一来，使输出指令所表示的燃料电池组12 (参照图1、 图2)的发电电力在时间上阶梯状改变时，如图5 (b)所示，二次电 池46的充放电电力在时间上也变化为接近阶梯状的状态。
但使输出指令所表示的燃料电池组12的发电电力阶梯状改变时， 无法使空气压縮机的转速高精度地追随输出指令的变化而变化。艮口， 图6 (b)表示使发电电力计算单元52 (参照图2)的输出指令所表示 的电力值从最大值A2以阶梯状急剧地降低为最小值A3时的、空气压 縮机16 (参照图1、图2)的转速的时间变化。在图6 (b)中，单点 划线表示空气压縮机16的转速的目标值，实线表示空气压縮机16的 转速的实际的测定值。如图6 (b)所示，在使输出指令所表示的发电 电力阶梯状改变时，空气压縮机16的转速的变化产生时间延迟，转速 逐渐下降。但作为转速下降比例的转速的下降速度变大，如图6 (b)的X部分所示，易发生空气压縮机16的转速的实际测定值(实线)相 对目标值(单点划线)大幅下降的下冲。
另一方面，图6 (a)表示与图6 (b)对应的、二次电池46 (参照 图1、 2)从充电状态变化为放电状态时的充放电电力的时间变化。在 图6(a)中，单点划线表示二次电池46的充放电电力的目标值，实线 表示充放电电力的实际测定值。如图6 (a)所示，二次电池46从充电 状态变化为放电状态时，随着空气压縮机16的转速发生下冲，二次电 池46的放电电力的实际测定值(实线)大幅偏离目标值(单点划线)， 有可能产生超过放电电力上限基准的过冲(图6(a)的Y部分)。艮P， 二次电池46中可能产生过度放电。
并且，虽省略了图示，但使空气压縮机16的转速从低的规定值上 升到高的规定值时，产生空气压縮机16的转速的实际测定值相对目标 值大幅上升的过冲，并且二次电池46的放电电力的实际测定值大幅偏 离目标值，超过充电电力上限基准，二次电池46易产生过度充电。尤 其是，接近放电电力的上限基准进行二次电池46的放电、或接近充电 电力的上限基准进行二次电池46的充电时，二次电池46中易产生过 度放电、过度充电。
并且，如果来自发电电力计算单元52的输出指令所表示的燃料电 池组12的发电电力的变化量小，则在现有的燃料电池系统中进行预热 控制处理时，在改变空气压縮机16的转速的情况下，有可能也不易产 生下冲、过冲。但是，当输出指令所表示的燃料电池组12的发电电力 的变化量变大时，进行现有的燃料电池系统的预热控制处理时，在改 变空气压縮机16的转速时，易产生下冲、过冲。
本实施方式是用于消除在现有燃料电池系统中进行预热控制处理 时所产生的问题的发明，如上所述，发电电力计算单元52使输出指令 所表示的在第1处理和第2处理之间进行转换时的、即如上述图4 (a)所示地在从燃料电池组12取出最大电力A2时和取出最小电力A3时之 间转换时的、燃料电池组12的发电电力的计算值的大小逐渐改变，艮口， 使计算值的大小以一定比例逐渐下降，或以一定比例逐渐上升。因此， 例如在第1处理和第2处理之间进行转换时的、空气压縮机16的转速 从高的规定值下降到低的规定值时，也可使实际的转速变化高精度地 追踪空气压縮机16的驱动状态即转速的目标值变化。
图7 (a)、图7 (b)是为了详细说明本实施方式的效果，以目标 值和实际测定值来表示二次电池46的充放电电力和空气压縮机16的 转速的时间变化的图。首先，在图7 (a)中，单点划线表示二次电池 46的充放电电力的目标值，实线表示二次电池46的充放电电力的实际 测定值。并且，在图7 (b)中，单点划线表示空气压縮机16的转速的 目标值，实线表示空气压縮机16的转速的实际测定值。比较图7(b) 和图6 (b)的测定结果可知，在图7 (b)的本实施方式中，改变空气 压縮机16的转速时的时间变化率变小，即可使转速的变化平缓。并且 根据图7 (b)所示的本实施方式，可使实际转速(实线)的变化高精 度地追踪空气压缩机16的转速的目标值(单点划线)的变化。因此， 和图6 (b)的情况不同，可防止产生空气压縮机16的转速的实际测定 值(图7 (b)的实线)相对目标值(图7 (b)的单点划线)大幅下降 的下冲。因此可知，在降低燃料电池组12的发电电力、并由二次电池 46放电时，不易产生燃料电池组12的实际发电电力相对目标值过度下 降的下冲。
其结果是，如图7(a)所示，在二次电池46从充电状态变为放电 状态时，也可防止二次电池46的放电电力的实际值(图7 (a)的实线) 大幅偏离目标值(图7 (a)的单点划线)而超过放电电力上限基准， 从而防止二次电池46中产生过度放电。
并且，虽省略了图示，但根据本实施方式，在使空气压縮机16的 转速从低的规定值上升到高的规定值时，可防止产生空气压縮机16的实际转速大幅超过目标值的过冲，并防止二次电池46的充电电力的实 际值大幅偏离目标值并超过充电电力上限基准，从而防止在二次电池
46中产生过度充电。其结果是，接近放电电力的上限基准进行二次电 池46的放电、或接近充电电力的上限基准进行二次电池46的充电时， 也可使二次电池46中不易产生过度放电及过度充电。
并且，根据本实施方式，在发电电力计算单元52 (图2)的输出 指令所表示的燃料电池组12的发电电力的变化量大的情况下，改变空 气压縮机16的转速时，也不易产生下冲、过冲。因此，二次电池46 中不易产生过度放电及过度充电。
此外，在上述图3所示的本实施方式中，也可将步骤S5中计算出 的起动用辅机消耗电力Al作为起动用辅机耗电基本值、将比起动用辅 机耗电基本值增加了辅机耗电的值作为起动用辅机耗电校正值进行计 算。并且，在步骤S6中，可将步骤S4中计算出的二次电池46的可充 电电力与在步骤S5中计算出的起动用辅机耗电校正值的和作为从燃料 电池组12取出的取出电力的最大值A2进行计算。
在使用起动用辅机耗电校正值求出从燃料电池组12取出的取出 电力的最大值A2时，起动用辅机耗电校正值大于使燃料电池组12发 电所需的最低限度的耗电，因此将燃料电池组12的输出电力的最大值 设定得大于通常运转模式，增大燃料电池组12的发电量，从而可增加 燃料电池组12的发热量。
并且，在控制部18中，除了反复进行对二次电池46充电和从二 次电池46放电的控制外，也可同时使用以下控制将燃料电池组12 的发电电力及二次电池46的放电电力中的一方或两者供给到加热装置 50(图1)，通过加热装置50的发热，促进燃料电池组12及二次电池 46的预热。(第2实施方式)
图8表示在本发明的第2实施方式中，燃料电池系统起动时用于 对二次电池进行预热的预热控制处理，是和图3对应的流程图。在上 述第1实施方式中，在图3的步骤Sl中，控制部18 (图1、图2)判 断燃料电池组12 (图1、图2)的温度是否在规定温度以上，根据该判 断结果，转换到步骤S2 (图3)的通常运转，或从步骤S3 (图3)转 换到步骤S12 (图3)的预热控制处理。与之相对，在本实施方式中， 是转换到通常运转还是转换到预热控制处理，根据检测出的二次电池 46 (图l、图2)的温度是否在规定温度以上来选择。以下对此进行详 细说明。并且，在以下说明中，对与图l、图2中标注了附图标记的要 素相同的要素，标注相同的标记进行说明。
如图8所示，在本实施方式中，燃料电池系统10起动时，在步骤 Sla中，控制部18每经过规定时间即读入来自二次电池传感器48的检 测信号，检测出二次电池46的温度。接着，在步骤S]b中，判断二次 电池46的温度是否在预先任意确定的规定温度以上。此外，在步骤Sla 中，停止燃料电池系统10的运转后，当经过了足够的时间时，也可替 代来自二次电池传感器48的检测信号，而读入来自未图示的外部气温 传感器的检测信号，检测外部气温，判断外部气温是否在预先确定的 规定温度以上。
在图8的步骤Slb中，当判断为二次电池46的温度或外部气温在 规定温度以上时，确认为无须对二次电池46进行预热，转换到步骤S2 的通常运转模式，结束预热控制处理。与之相对，当判断为二次电池 46的温度或外部气温小于规定温度时，转换到步骤S3'。
在步骤S3'中，控制部18读入来自二次电池传感器48的检测信号， 不仅检测二次电池的温度，而且检测二次电池46的SOC。接着在图3 的步骤S4到步骤S12中，和上述第l实施方式一样，进行预热控制处 理，再次返回到步骤Sla。
18本实施方式也和上述第1实施方式一样，发电电力计算单元52使 在输出指令表示的第1处理和第2处理之间进行转换时的、即如上述
图4 (a)所示地在从燃料电池组12取出最大电力A2时和取出最小电 力A3时之间进行转换时的、燃料电池组12的发电电力的计算值的大 小逐渐改变，即，使计算值的大小以一定比例逐渐下降、或以一定比 例逐渐上升。因此，即使在控制电力分配部42以将燃料电池组12的 发电电力供给到辅机及二次电池46的第1处理和控制电力分配部42 以将燃料电池组12的发电电力及二次电池46的放电电力供给到辅机 的第2处理之间进行转换时的、使空气压縮机16的转速从高的规定值 下降到低的规定值的情况下，也可使实际的转速变化高精度地追踪空 气压縮机16的驱动状态即转速目标值的变化。并且，相反，在使空气 压縮机16的转速从低的规定值上升为高的规定值的情况下，也可使实 际的转速变化高精度地追踪空气压縮机16的驱动状态即转速目标值的 变化。其结果是，在接近放电电力的上限基准进行二次电池46的放电、 或接近充电电力的上限基准进行二次电池46的充电时，二次电池46 中不易产生过度放电、过度充电。其他构造和作用均与上述第1实施 方式相同，因此省略重复的图示及说明。
此外，在上述实施方式中，说明了燃料电池系统IO起动时进行预 热控制处理的情况，但本发明不限于此。例如以下构成中也可适用本 发明在搭载有燃料电池系统10的燃料电池车辆行驶时、空转时等情 况下，当燃料电池组12的温度或二次电池46的温度变为规定温度以 下等、在除燃料电池系统10起动以外的情况下燃料电池系统10处于 低温环境下时，二次电池46的性能也有可能下降，因此，在这种情况 下进行预热控制处理，以对二次电池46进行预热。并且，本发明还可 适用于以下构成在进行预热控制处理时的第2处理的情况下，不使 燃料电池组12发电，仅将二次电池46放电所产生的电力供给辅机和 负载44 (参照图l、 2)中的至少一方，以对二次电池46进行预热。本发明用于燃料电池系统。例如用于搭载到燃料电池车辆中使用 的燃料电池系统。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其具有燃料电池，其通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电；氧化气体供给部，其向燃料电池供给氧化气体；二次电池，其进行电力的充放电；电力分配部，其将燃料电池所发出的发电电力供给燃料电池发电所需的辅机并供给二次电池以进行充电，或者将二次电池所放出的电力供给辅机和负载中的至少一方；控制部，其通过交替进行第1处理和第2处理而进行对二次电池进行预热的预热控制处理，上述第1处理为，控制电力分配部，以将燃料电池的发电电力供给辅机及二次电池，上述第2处理为，控制电力分配部，以将至少由二次电池放电所产生的电力供给辅机和负载中的至少一方，该燃料电池系统的特征在于，控制部具有发电电力计算单元，其在进行预热控制处理时根据二次电池的可充放电电力计算燃料电池的发电电力；和氧化气体供给部驱动控制单元，其根据来自发电电力计算单元的输出指令所表示的燃料电池的发电电力的计算值，控制氧化气体供给部的驱动状态，发电电力计算单元逐渐改变输入到氧化气体供给部驱动控制单元的输出指令所表示的、第1处理和第2处理之间的转换时的燃料电池的发电电力的大小。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 氧化气体供给部是空气压縮机，氧化气体供给部驱动控制单元根据发电电力计算单元的输出指令 所表示的燃料电池的发电电力的计算值来控制空气压縮机的转速。
全文摘要
在燃料电池系统(10)起动时，由控制部(18)反复进行以下处理第1处理，控制电力分配部(42)，以将燃料电池组(12)的发电电力供给到辅机及二次电池(46)；和第2处理，控制电力分配部(42)，以将燃料电池组(12)的发电电力及二次电池(46)的放电电力供给到辅机。控制部(18)的发电电力计算单元(52)计算燃料电池组(12)的发电电力，向空气压缩机驱动控制单元(20)输入表示发电电力的输出指令。发电电力计算单元(52)逐渐改变输出指令所表示的在第1处理和第2处理之间进行转换时的燃料电池组(12)的发电电力的大小。
文档编号H01M8/04GK101529634SQ20078003871
公开日2009年9月9日 申请日期2007年10月18日 优先权日2006年10月19日
发明者前中健志 申请人:丰田自动车株式会社