专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种接受反应气体的供给而进行发电的燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池组是用于通过将燃料气体及氧化气体供给膜-电极接合 体而引起电化学反应并将化学能转换为电能的能量转换系统。其中， 将固体高分子膜作为电解质使用的固体高分子电解质型燃料电池组成 本低、小型化容易，而且具有较高的输出密度，因此期待作为车载电 源的用途。
在燃料电池组的气体流路内部残留有在反应气体的电化学反应中 生成的生成水及用于加湿反应气体的加湿水等，如果以放置该残留水 的状态停止发电，则在低温环境下，残留水会冻结，妨碍反应气体向 膜-电极接合体的扩散，低温起动性降低。鉴于这种问题，在日本特开
2002-246053号公报中提出如下方法在运转停止时对燃料电池组内部 供给扫气气体，由此除去水分，通过对燃料电池组的交流阻抗的计测， 判断电解质膜的干燥程度。
专利文献1:日本特开2002-246053号公报
但是，具有根据在开始扫气的时点测定的燃料电池组的交流阻抗 和开始扫气后经过规定时间之后测定的燃料电池组的交流阻抗来推定 扫气实施时间的功能的燃料电池系统中，在开始扫气后经过规定时间 之后不能正确地测定交流阻抗的情况下，不能正确地推定扫气实施时 间，担心使燃料电池过度干燥。
发明内容
于是，本发明是为解决上述问题而作出的，提出了一种燃料电池 系统，能够在不能正确地推定扫气实施时间的情况下，实施故障保护 处理。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统，具备燃料电池； 扫气装置，向燃料电池供给扫气气体；交流阻抗测定部，在扫气开始 时点测定燃料电池的交流阻抗，并且在从扫气开始时点经过规定时间 的时点测定燃料电池的交流阻抗；扫气实施时间推定部，根据在扫气
开始时点测定的交流阻抗、在从扫气开始时点经过规定时间的时点测
定的交流阻抗及规定时间，推定扫气实施时间；和异常处理部，在从 扫气开始时点经过规定时间的时点不能测定交流阻抗的情况下，强制 结束扫气处理。
在开始扫气之后经过规定时间后不能正确地测定交流阻抗的情况 下，不能正确地推定扫气实施时间，担心使燃料电池过度干燥，因此 在这种情况下强制进行扫气处理，从而能够防止过度干燥。
在此，扫气实施时间推定部优选采用内插函数推定扫气实施时间。 伴随扫气处理中的时间经过的交流阻抗的变化能够与某一特定的函数 曲线近似，因此通过使用内插函数能够提高推定精度。
从扫气开始时点经过规定时间的时点也可以为燃料电池的温度变 化速度的绝对值低于规定阈值的时点，或也可以为预先设定的一定时 间。可以通过在估计燃料电池内部的含水量尽可能低的时期测定交流 阻抗，提高扫气实施时间推定精度。
图1是本实施方式的燃料电池系统的构成图。图2是单体电池的分解立体图。
图3是表示单体电池的电气特性的等效电路图。
图4是在复平面上显示燃料电池组的交流阻抗的曲线图。
图5是扫气处理的控制单元的功能框图。
图6A是表示点火开关的开/关状态的时序图。
图6B是表示燃料电池组的温度变化速度的曲线图。
图6C是给予交流阻抗测定部的交流阻抗测定指示的时序图。
图6D是表示存储于测定存储器中的交流阻抗的值的时序图。
图6E是表示异常结束标记的开/关的时序图。
图6F是表示供给燃料电池组的空气流量的时序图。
图7A是表示点火开关的开/关状态的时序图。
图7B是表示燃料电池组的温度变化速度的曲线图。
图7C是给予交流阻抗测定部的交流阻抗测定指示的时序图。
图7D是表示存储于测定存储器中的交流阻抗的值的时序图。
图7E是表示异常结束标记的开/关的时序图。
图7F表示供给燃料电池组的空气流量的时序图。
具体实施例方式
下面，参照各图对本发明的实施方式进行说明。
图1表示本实施方式的燃料电池系统10的系统构成。
燃料电池系统IO作为搭载于燃料电池车辆上的车载电源系统发挥 功能，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;用于向燃料电池组20供给作为氧化气体的空气的氧化 气体供给系统30;用于向燃料电池组20供给作为燃料气体的氢气的燃
料气体供给系统40;用于控制电力的充放电的电力系统50;用于冷却
燃料电池组20的冷却系统60;和控制系统整体的控制单元(ECU) 90。
燃料电池组20是将多个单体电池串联地层积而成的固体高分子电解质型单体电池组。在燃料电池组20中，在阳极发生(1)式的氧化
反应，在阴极发生(2)式的还原反应。作为燃料电池组20整体发生 (3)式的起电反应。
H2—2H++2e-……(1)
(1/2) 02+2H++2e-—H20...... (2)
H2+ (1/2) 02—H20...... (3)
在燃料电池组20上安装有用于检测燃料电池组20的输出电压的 电压传感器7K及用于检测发电电流的电流传感器72。
氧化气体供给系统30具有流过供给到燃料电池组20的阴极的 氧化气体的氧化气体通路34;和流过从燃料电池组20排出的氧化废气 的氧化废气通路36。在氧化气体通路34上设置有通过过滤器31从 大气中获取氧化气体的空气压縮机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中设置有用于调整氧化气体供给压力的 背压调整阀37;和用于在氧化气体(干气)和氧化废气(湿气)之间 进行水分交换的加湿器33。
燃料气体供给系统40具有燃料气体供给源41;燃料气体通路
45，流过从燃料气体供给源41向燃料电池组20的阳极供给的燃料气 体；循环通路46，用于使从燃料电池组20排出的燃料废气返回燃料气 体通路45;循环泵47，用于将循环通路46内的燃料废气压送至燃料 气体通路43;及排气排水通路48，与循环通路47分支连接。
燃料气体供给源41例如由高压氢气罐和贮氢合金等构成，存储高 压(例如，35MPa 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。燃料气体通过调节器43 和喷射器44，例如，减压至200kPa左右，并供给到燃料电池组20。另外，燃料气体供给源41也可以由以下构成改性器，由碳化氢 类的燃料生成富氢的改性气体；高压气体罐，使得由该改性器生成的 改性气体为高压状态而蓄压。
调节器43是将其上游侧压力(一次压力)调压成预先设定的二次 压力的装置，例如，由对一次压力进行减压的机械式的减压阀等构成。 机械式的减压阀具有隔开隔膜而形成背压室和调压室的筐体，具有利 用背压室内的背压在调压室内将一次压力减压至规定的压力而作为二 次压力的构成。
喷射器44是电磁驱动式的开闭阀，其利用电磁驱动力在规定的驱 动周期内直接驱动阀体而使其离开阀座，从而可调节气体流量及气体 压力。喷射器44具备阀座，该阀座具有喷射燃料气体等气体燃料的喷
射孔，并且，具备喷嘴管体，将该气体燃料供给导入喷射孔；和阀
芯，相对于该喷嘴管体沿轴线方向(气体流动方向)可移动地被收容 保持且开闭喷射孔。
在排气排水通路48上配设有排气排水阀49。排气排水阀49根据 来自控制单元90的指令进行动作，从而向外部排出循环通路46内的 含有杂质的燃料废气和水分。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降低，可以提高在循环系统内循环的燃 料废气中的氢浓度。
经由排气排水阀49排出的燃料废气与流经氧化废气通路34的氧 化废气混合，通过稀释器(未图示)被稀释。循环泵47通过电动机驱 动将循环系统内的燃料废气循环供给到燃料电池组20。
电力系统50具备DC/DC转换器51、蓄电池52、牵引变换器53、 牵引电动机54及辅机类55。 DC/DC转换器51是具有如下功能的电力
7变换装置将由蓄电池52供给的直流电压升压并向牵引变换器53输 出的功能；使燃料电池组20发电的直流电力、或牵引电动机54通过 再生制动回收的再生电力降压而对蓄电池52充电的功能。利用DC/DC 转换器51的这些功能，控制蓄电池52的充放电。另外，通过由DC/DC 转换器51进行的电压变换控制，控制燃料电池组20的运转要素(输 出电压、输出电流)。
蓄电池52作为剩余电力的储存源、再生制动时的再生能量储存源、 伴随燃料电池车辆的加速或减速的载荷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。
牵引变换器53例如是以脉冲宽度调制方式被驱动的PWM变换 器，按照来自控制单元90的控制指令，将从燃料电池组20或蓄电池 52输出的直流电压变换为三相交流电压，控制牵引电动机54的旋转扭 矩。牵引电动机54例如是三相交流电动机，构成燃料电池车辆的动力 源。
辅机类55是配置于燃料电池系统10内的各部的各电动机(例如， 泵类等的动力源)、用于驱动这些电动机的变换器类、还有各种车载 辅机类(例如，空气压縮机、喷射器、冷却水循环泵、散热器等)的 总称。
冷却系统60具备用于流过在燃料电池组20内部循环的冷却剂 的冷却剂通路61、 62、 63、 64;用于压送冷却剂的循环泵65;用于在 冷却剂和外部气体之间进行热交换的散热器66;用于切换冷却剂的循 环路径的三通阀67;及用于检测冷却剂温度的温度传感器74。在预热 运转结束后的通常运转时，控制三通阀67的开闭，以使从燃料电池组 20流出的冷却剂流过冷却剂通路61、 64并经由散热器66冷却后，流 过冷却剂通路63而再次流入燃料电池组20。另一方面，在系统刚起动后的预热运转时，控制三通阀67的开闭，以使从燃料电池组20流出 的冷却剂流过冷却剂通路61、 62、 63而再次流入燃料电池组20。
控制单元90是具备CPU、 ROM、 RAM及输入输出接口等的计算 机系统，作为用于控制燃料电池系统10的各部(氧化气体供给系统30、 燃料气体供给系统40、电力系统50及冷却系统60)的控制装置发挥 功能。例如，控制单元90在接受从点火开关输出的起动信号IG后， 开始燃料电池系统IO的运转，并根据从加速踏板传感器输出的加速踏 板开度信号ACC、从车速传感器输出的车速信号VC等，求出系统整 体的要求电力。
系统整体的要求电力是车辆行驶电力和辅机电力的合计值。在辅 机电力中包括车载辅机类(加湿器、空气压縮机、氢泵及冷却水循 环泵等)所消耗的电力；车辆行驶中必要的装置(变速机、车轮控制 装置、转向装置及悬架装置等)所消耗的电力；及配设于乘员空间内 的装置(空调装置、照明器具及音响等)所消耗的电力等。
而且，控制单元90决定燃料电池组20和蓄电池52的各自的输出 电力的分配，运算发电指令值，并控制氧化气体供给系统30及燃料气 体供给系统40，以使燃料电池组20的发电量与目标电力一致。进而控 制单元90对DC/DC转换器51进行控制，通过调整燃料电池组20的 输出电压来控制燃料电池组20的运转要素(输出电压、输出电流)。 控制单元90为了得到与加速踏板开度相对应的目标车速，例如将U相、 V相及W相的各交流电压指令值作为开关指令向牵引变换器53输出， 并控制牵引电动机54的输出扭矩及转速。
图2是构成燃料电池组20的单体电池21的分解立体图。
单体电池21由电解质膜22、阳极23、阴极24、隔板26、 27构成。 阳极23及阴极24为从两侧夹持电解质膜22而构成夹层结构的扩散电极。由不透过气体的导电性部件构成的隔板26、 27进一步从两侧夹持 该夹层结构，在阳极23及阴极24之间分别形成燃料气体及氧化气体 的流路。在隔板26上形成有截面凹状的肋26a。阳极23与肋26a抵接， 由此肋26a的开口部被封闭，形成燃料气体流路。在隔板27上形成有 截面凹状的肋27a。阴极24与肋27a抵接，由此肋27a的开口部被封 闭，形成氧化气体流路。
阳极23以担载白金系的金属催化剂(Pt、 Pt-Fe、 Pt-Cr、 Pt-Ni、 Pt-Ru等)的碳粉末为主要成分，具有与电解质膜22接触的催化剂层 23a和形成于催化剂层23a的表面且兼具通气性和电子导电性的气体扩 散层23b。同样，阴极24具有催化剂层24a和气体扩散层24b。更详细 地说，催化剂层23a、 24a是使担载有白金或由白金和其他金属构成的 合金的碳粉分散到适当的有机溶剂中，适量添加电解质溶液来胶化， 在电解质膜22上网板印刷而成的的催化剂层。气体扩散层23b、 24b 是利用由碳纤维构成的纱线织成的碳布、复写纸、或石墨毡形成的。 电解质膜22是固体高分子材料，例如，是由氟类树脂形成的质子传导 性的离子交换膜，在湿润状态下发挥良好的电传导性。通过电解质膜 22、阳极23及阴极24形成膜-电极组件25。
图3是表示单体电池21的电气特性的等效电路图。
单体电池21的等效电路具有在R2和C的并联连接电路中串联连 接Rl的电路构成。在此，Rl相当于电解质膜22的电阻，R2相当于 将活化过电压和扩散过电压进行电阻换算后的电阻。C相当于在阳极 23和电解质膜22的界面及阴极24和电解质膜22的界面所形成的双电 层容量。对该等效电路施加具有规定频率的正弦波电流时，电压的响 应相对于电流的变化延迟。
图4是在复平面上显示燃料电池组20的交流阻抗的曲线图。横轴 表示交流阻抗的实数部分，纵轴表示交流阻抗的虚数部分。co是正弦波电流的角频率。
对图3所示的等效电路施加从高频率到低频率的正弦波信号时， 可得到如图4所示的曲线图。正弦波信号的频率为无限大的情况下("
=。)的交流阻抗为R1。正弦波信号的频率为非常小的情况下("=0) 的交流阻抗为Rl+R2。在从高频率到低频率之间改变正弦波信号的频 率时得到的交流阻抗，描绘成图4所示的半圆。
这样一来，通过使用交流阻抗法，能够分离燃料电池组20的等效 电路的Rl和R2并进行计测。在Rl比预先设定的规定值大，且燃料 电池组20的输出降低的情况下，可以判断电解质膜22干燥而电阻过 电压变大且导电率降低为输出降低的原因。在R2比预先设定的规定值 大，且燃料电池组20的输出降低的情况下，可以判断其原因是在电极 表面存在过多的水，扩散过电压变大。
图5表示扫气处理的控制单元卯的功能框图。
控制单元90具备电压指令部91、交流阻抗测定部92、测定存储 器93、扫气实施时间推定部94及异常处理部95，通过这些各部的协 同动作，作为扫气控制装置发挥功能。
由控制单元90进行的燃料电池组20的交流阻抗的计测按照如下 的顺序实施。
(1) 电压指令部91生成在规定的直流电压上重叠了正弦波信号 的电压指令值，将该电压指令值输出到DC/DC转换器51。
(2) DC/DC转换器51根据电压指令值动作，将蓄积在蓄电池52 内的直流电力变换成交流电力，在燃料电池组20上施加正弦波信号。
(3) 交流阻抗测定部92对由电压传感器71检测的响应电压和由 电流传感器72检测的响应电流以规定的取样率进行取样，进行高速傅里叶变换处理(FFT处理)，将响应电压和响应电流分别分割为实成 分和虚成分，将FFT处理了的响应电压除以FFT处理了的响应电流而 算出交流阻抗的实成分和虚成分，并算出距复平面上的原点的距离r 和相位角e 。通过使施加于燃料电池组20的正弦波信号的频率连续地 改变的同时对响应电压和响应电流进行计测，由此能够算出燃料电池 组20的交流阻抗。
另外，流过燃料电池组20的电流伴随着化学反应引起的电荷的移 动，因此使交流信号的振幅增大时，反应量相对于供给气体量(气体 利用率)变动。存在气体利用率的变动时，担心在交流阻抗的测定中 产生误差，因此在测定交流阻抗时，施加于燃料电池组20的信号的交 流成分优选是直流成分的几个％点左右。
交流阻抗测定部92将如上所述测定的交流阻抗值存储于测定存储 器93中。扫气实施时间推定部94根据存储于测定存储器93中的交流 阻抗值来推定扫气实施时间。异常处理部95在不能正确测定交流阻抗 的情况下，作为故障保护处理实施异常处理(用于强制结束排气处理 的处理)。
下面，参照图6A 图6F对扫气处理的详细情况加以说明。
图6A表示点火开关的开/关状态，图6B表示燃料电池组20的温 度变化速度，图6C表示给予交流阻抗测定部92的交流阻抗测定指示， 图6D表示存储于测定存储器93中的交流阻抗值，图6E表示异常结束 标记，图6F表示供给燃料电池组20的空气流量。
将点火开关从开切换为关的时刻设定为tl时，在时刻tl以前，燃 料电池组20处于发电状态，以一定周期间隔给予阻抗测定部92交流 阻抗测定指示(图6C)。这时存储于测定存储器93中的交流阻抗值逐 步更新为最新值(图6D)。另外，供给燃料电池组20的空气流量被控制为与发电要求相称的流量F1 (图6F)。
点火开关在时刻tl变为关，对控制单元卯发出运转停止指令后， 控制单元90将在时刻tl的时点计测的交流阻抗值Zl存储于测定存储 器93中，并开始扫气处理的实施。扫气处理是如下的处理用于通过 驱动作为扫气装置的空气压縮机32，使作为扫气气体的加压空气在燃 料电池组20内部的气体通道中流动，从而适当调节气体通道内部的湿 润状态。如果气体通道中残留有大量的水分，则不仅下一次起动时的 起动性降低，而且担心在低温环境下，配管及阀等会因水分冻结而破 损。另一方面，如果燃料电池组20内部的水分稍微不足，则电解质膜 22的传导性降低，因此会引起发电效率的降低。因此，在扫气处理中， 预先将燃料电池组20内部为最适合的湿润状态时的交流阻抗设定为目 标交流阻抗Z3，调节扫气实施时间，以使燃料电池组20的交流阻抗与 目标交流阻抗Z3 —致。在实施扫气处理时供给燃料电池组20的空气 流量被控制为扫气流量F2 (图6F)。
而且认为，在燃料电池组20的温度变化速度的绝对值低于阈值 Vt的时刻t2,燃料电池组20内部的气化水量饱和，处于适度的干燥状 态，因此对交流阻抗测定部92给予交流阻抗测定指示(图6C)。于是， 控制单元90测定时刻t2的燃料电池组20的交流阻抗Z2，将存储于测 定存储器93内的最新的交流阻抗值由Z1更新为Z2。作为时刻t2,从 提高扫气实施时间的推定精度的观点考虑，优选估计燃料电池组20内 部的含水量尽可能低的时刻。例如，优选在如上所述燃料电池组20的 温度变化速度的绝对值低于规定的阈值时、或从排气处理开始时点经 过一定时间(固定时间)后实施交流阻抗测定。
扫气实施时间推定部94采用内插函数CF，根据在时刻tl的时点 计测的交流阻抗Zl、在时刻t2的时点计测的交流阻抗Z2及从时刻tl 到时刻t2的经过时间Tl，推定为了使交流阻抗与目标交流阻抗Z3 — 致所需的扫气实施时间T2。
13内插函数CF是用于根据至少两个测定坐标，例如(tl、Zl)及(t2、 Z2)来推定目标坐标(t3、 Z3)的函数，预先通过实验等来求出。作 为内插函数CF，例如优选二次函数。作为二次函数的例子，例如，设 t为时间、Z为交流阻抗、a及Z0为正常数，可以列举Z=at2+Z0。将 两个测定坐标代入该二次函数后，确定常数a及ZO的值。Z:Z3时的t 的解是扫气结束时刻t3。能够通过扫气实施时间T2-扫气结束时刻t3 一扫气开始时间tl来算出扫气实施时间T2。交流阻抗测定部92在时 刻t3结束扫气处理(图6F)。
下面，参照图7A 图7F对产生了不能正确推定扫气实施时间的异 常时的故障保护处理进行说明。
在时刻tl开始扫气处理，在燃料电池组20的温度变化速度的绝 对值低于阈值Vt的时刻t2，给予交流阻抗测定部92交流阻抗测定指 示(图7C)。这时，在由于某些原因(例如喷嘴的影响等)不能正确 测定交流阻抗的情况下，异常标记变为开(图7E)，异常处理部95 强制结束扫气处理(图7F)。
根据本实施方式，在不能正确推定扫气实施时间的异常产生时、 陷入不能测定交流阻抗的状态时，作为故障保护处理，通过强制地结 束扫气处理，可以避免燃料电池组20的过度干燥，并且避免燃料电池 系统10的损伤等。
在上述实施方式中，例示了将燃料电池系统IO作为车载电源系统 使用的利用形态，但是燃料电池系统10的利用形态不限于该例。例如， 也可以将燃料电池系统IO作为燃料电池车辆以外的移动体(机器人、 船舶、飞机等)的电力源来装载。另外，也可以将本实施方式的燃料 电池系统IO作为住宅及大厦等的发电设备(定置用发电系统)使用。工业上的应用
根据本发明，能够提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统能够 实施在不能正确推定扫气实施时间时的故障保护处理。
权利要求
1.一种燃料电池系统，具备燃料电池；扫气装置，向所述燃料电池供给扫气气体；交流阻抗测定部，在扫气开始时点测定所述燃料电池的交流阻抗，并且在从所述扫气开始时点起经过规定时间的时点测定所述燃料电池的交流阻抗；扫气实施时间推定部，根据在所述扫气开始时点测定的交流阻抗、在从所述扫气开始时点起经过规定时间的时点测定的交流阻抗及所述规定时间，推定扫气实施时间；及异常处理部，在从所述扫气开始时点起经过规定时间的时点不能测定交流阻抗的情况下，强制结束扫气处理。
2. 如权利要求l所述的燃料电池系统，所述扫气实施时间推定部使用内插函数来推定所述扫气实施时间。
3. 如权利要求l所述的燃料电池系统，从所述扫气开始时点起经过所述规定时间的时点为所述燃料电池 的温度变化速度的绝对值低于规定的阈值的时点。
4. 如权利要求1所述的燃料电池系统， 所述规定时间是预先确定的一定时间。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统，其具备交流阻抗测定部(92)，在扫气开始时点测定燃料电池的交流阻抗，并且在从扫气开始时点经过规定时间的时点测定燃料电池的交流阻抗；扫气实施时间推定部(94)，根据在扫气开始时点测定的交流阻抗、在从扫气开始时点经过规定时间的时点测定的交流阻抗及规定时间来推定扫气实施时间；异常处理部(95)，在从扫气开始时点经过规定时间的时点不能测定交流阻抗的情况下，强制结束扫气处理。
文档编号H01M8/04GK101622746SQ200880006280
公开日2010年1月6日 申请日期2008年4月23日 优先权日2007年5月10日
发明者今村朋范, 笹本健一郎 申请人:丰田自动车株式会社