燃料电池系统及其控制方法

专利名称：燃料电池系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种供给必要的热量的燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池是使作为燃料气体的氢气和氧化剂进行反应而生成电能的装置。搭载在 汽车等上的燃料电池系统通常以将投入燃料电池的氢能高效率地转换成电能的方式被控 制(以下称为"高效率发电")。因此，高效率发电的燃料电池从氢能向热能转换的比例较 小，发热量较少。 其结果是，用于使燃料电池在一定时间内达到适合发电的温度(8(TC左右)而进 行预热所需的热量不足。另外，在燃料电池系统具备暖气装置的情况下，由高效率发电时的 燃料电池产生的热能少，作为暖气的热源不充分。因此，正在开发以补充不足量的热量为目 的的燃料电池系统。 作为现有的燃料电池系统，已知有通过减少所供给的空气量而使燃料电池以低效 率发电的构成(例如，参照专利文献l)。由此，可以增加用于使燃料电池预热的发热量。
另外，具备以往的暖气装置的燃料电池系统，为了供给暖气所需的热量(以下，称 为"暖气必要热量")而在燃料电池的冷却介质循环通路上具备对冷却介质进行加热的加热 单元及供给空调用暖气所使用的热的热交换器(例如，参照专利文献2或者专利文献3)。 在来自燃料电池的发热量较少的情况下，利用加热单元对冷却介质进行加热以供给用于暖 气的不足的热量。 专利文献1 :日本特开2004-30979号公报
专利文献2 :日本特开2004-311229号公报
专利文献3 :日本特开2007-38952号公报 在专利文献1所记载的以往的燃料电池系统中，只能基于燃料电池的电流-输出
曲线和燃料电池所要求的输出来一义地确定燃料电池的电流和电压。因此燃料电池系统存
在的问题是，相对于用于预热所需的必要热量，所供给的发热量不足或者过剩。 在专利文献2、3所记载的以往的燃料电池系统中，为了供给不足量的暖气必要热
量，需要增大加热单元的加热量。其结果是，加热单元变大，进而招致燃料电池系统的大型化。

发明内容
本发明的目的在于提供一种既不会使燃料电池系统大型化，又可以向燃料电池系
统供给所需的热量的燃料电池系统及其控制方法。 本发明提供一种燃料电池系统，具备燃料电池，其将燃料气体和氧化剂气体作为 反应气体进行发电；电流控制单元，其对燃料电池的电流进行控制；电压控制单元，其对燃 料电池的电压进行控制；及发热量控制单元，其计算燃料电池系统所需的必要热量，并确定 电流控制单元的电流目标值和电压控制单元的电压目标值以产生所算出的必要热量，由此控制发热量。 另外，优选具备将燃料电池的发热用作热源的暖气装置，上述必要热量包含工作 中的上述暖气装置所需的暖气必要热量。 另外，优选上述必要热量包含燃料电池的预热所需的预热必要热量。 另外，优选必要热量包含用于将燃料电池系统的温度维持在规定温度所需的维持
必要热量。 另外，优选控制单元以使发电效率比燃料电池的高效率发电降低的低效率发电进 行控制。 另外，优选上述电压控制单元是DC/DC转换器，上述电流控制单元是反应气体的 供给单元。 另外，本发明提供一种燃料电池系统，具有燃料电池，其将燃料气体和氧化剂气 体作为反应气体进行发电；二次电池，其使上述燃料电池的输出充放或者使充电的电力放 电；及电压控制单元，其对上述二次电池的电压进行控制，所述燃料电池系统的特征在于， 具备控制单元，其计算燃料电池系统所需的必要热量和所要求的要求输出并基于算出的必 要热量和要求输出来控制燃料电池，以使燃料电池在如下模式中的任意模式下工作以高 效率进行发电的高效率发电模式；发电效率比以电压的下限值为第一电压下限值的高效率 发电降低的第一低效率发电模式；及电压的下限值为比第一电压下限值小的第二电压下限 值的第二低效率发电模式。 另外，本发明提供一种燃料电池系统，具有燃料电池，其将燃料气体和氧化剂气 体作为反应气体进行发电；及电压控制单元，对上述燃料电池的电压进行控制，所述燃料电 池系统的特征在于，具备控制单元，其基于燃料电池系统所需的必要热量和所要求的要求 输出来控制燃料电池，以使燃料电池在如下模式中的任意模式下工作以高效率进行发电 的高效率发电模式；及发电效率比以电压的下限值为第二电压下限值的高效率发电降低的 第二低效率发电模式。 另外，优选具备将燃料电池的发热用作热源的暖气装置，上述必要热量包含工作 中的上述暖气装置所需的暖气必要热量。 另外，优选必要热量包含用于将燃料电池的温度维持在规定温度所需的维持必要 热量。 另外，优选上述必要热量包含燃料电池的预热所需的预热必要热量。 另外，优选控制单元在从上述第一低效率发电模式或上述第二低效率发电模式转
换到高效率发电模式时，使供给到燃料电池的上述反应气体量增加。 另外，本发明提供一种燃料电池系统的控制方法，具有第一步骤，求出燃料电池 系统所需的必要热量和所要求的要求输出；第二步骤，求出在按照反应气体的供给状态决 定的燃料电池的电流_电压曲线中由满足必要热量和要求输出的电流值和电压值确定的 工作点；及第三步骤，对燃料电池的电流值和电压值进行控制，以在所述工作点进行燃料电 池的发电。 另外，优选燃料电池系统具备将燃料电池的发热用作热源的暖气装置，必要热量 包含工作中的暖气装置所需的暖气必要热量和燃料电池的预热所需的暖气必要热量。
另外，优选要求输出包含搭载有燃料电池系统的车辆所要求的驱动力和燃料电池
5系统的辅机所要求的输出。 另外，优选燃料电池系统具备用于设定工作点的转换器。
根据本发明，可以供给燃料电池系统所需的必要热量。 另外，由于基于燃料电池系统所需的必要热量和所要求的要求输出控制燃料电池 的工作点，因而既可以向燃料电池系统供给所要求的输出，又可以供给必要热量。


图1是表示第一实施方式的燃料电池系统的结构的图； 图2表示暖气必要热量和热交换器所交换的热量的映射的图； 图3表示预热必要热量映射的图； 图4表示用于将燃料电池维持在规定温度的维持必要热量映射的图； 图5是表示燃料电池的I-V特性的图； 图6是表示基于必要热量和要求输出求出燃料电池的工作点的图； 图7是第一实施方式的流程图； 图8是表示第二实施方式的燃料电池系统的构成的图； 图9是第二实施方式的流程图。 标号说明 10 :燃料电池系统100:燃料电池102:电流传感器104:电压传感器106:温度传感器200:氢系统202:氢罐204:减压阀206:压力传感器208:氢供给通路210:氢泵212:氢气循环通路300:空气系统302:吸入口304:空气温度传感器306:空气泵308:压力传感器310:调压阀400:冷却系统402、,412 :温度传感器404、,406 :三通阀408:散热器
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410:冷却介质泵414:冷却介质循环通路416:暖气用热交换通路418:热交换器420:散热器旁通通路422:暖气装置500:负载系统502:变换器504:驱动电机506:DC/DC转换器508:二次电池510:辅机类512:电压传感器514:电容器600:控制部602:暖气必要热量604:热交换器所交换的热量606:预热必要热量607:维持必要热量608:高效率发电的I-V曲线610:低效率发电的I-V曲线
具体实施例方式
下面，基于图1 图7说明第一实施方式。另外，第一实施方式是将燃料电池系统 应用于燃料电池汽车的实施方式。以下的实施方式只不过是本发明的应用方式的例示，对 本发明没有限定。 图1是表示燃料电池系统10的图。第一实施方式的燃料电池系统10由燃料电池 100、向燃料电池供给燃料气体的氢系统200、向燃料电池供给氧化剂气体的空气系统300、 用于对燃料电池进行冷却的冷却系统400、使用燃料电池的电能的负载系统500以及对燃 料电池系统进行控制的控制部600构成。 燃料电池IOO例如可使用固体高分子型的燃料电池。在第一实施方式中，使用层 叠有多个单元电池的燃料电池组。作为燃料气体供给氢气、作为氧化剂气体供给空气而进 行发电。另外，还具备对发电时的燃料电池的电流值进行检测的电流传感器102 ;对燃料 电池的端子间电压进行检测的电压传感器104 ;以及对燃料电池的温度进行测定的温度传 感器106。将检测到的各值输入到控制部600。 向燃料电池供给燃料气体的氢系统200是一种含有从具有作为燃料气体的氢的 氢罐202向燃料电池100供给的氢气的路径的系统。从氢罐202所供给的氢气在依次通过 将氢气减压到规定压力的减压阀204、对氢气的压力进行测定的压力传感器206、氢供给通 路208之后，被供给到燃料电池100的阳极侧的氢气流路。所检测到的氢气的压力值被输
7入到控制部600，控制部600对减压阀204进行控制，以使氢气的压力值达到规定值。
该氢气用于燃料电池100的发电，但是所供给的氢气不会全部被消耗，未反应的 氢气则从燃料电池ioo被排出。另外，排出氢气含有的燃料电池内的反应生成物即水的含 量增加。被排出的氢气通过驱动氢气的氢泵210、与氢供给通路208汇合的氢气循环通路 212，而与流经氢供给通路208的氢气汇合。作为氢气循环的驱动力，在本实施方式中例示 了氢泵210，但是也可以是喷射器。S卩，由于来自氢罐的氢气具有充分的压力，因而能够利用 喷射器来使循环氢气伴随着来自氢罐的氢气的流动而流动。 向燃料电池供给氧化剂气体的空气系统300是用于将空气(特别是存在于空气中 的氧)向燃料电池供给及从燃料电池排出的氧化剂气体的路径。从吸入口 302吸入的空气 在通过对空气的温度进行检测的温度传感器304、对空气进行加压的空气泵306、对加压后 的空气的压力进行检测的压力传感器308之后，被供给到燃料电池100的阴极侧的气体流 路。检测到的空气温度和空气压力被输入到控制部600。空气在用于燃料电池100的发电 之后，经由调压阀310被排放到外部。另外，在向燃料电池100供给空气的空气系统内也可 以具备用于对空气进行加湿的加湿器。 用于冷却燃料电池的冷却系统400是用于对伴随着燃料电池100的发电的发热进 行冷却的冷却介质的路径。在本实施方式中，作为冷却介质使用了冷却液。从燃料电池ioo 排出的冷却介质流经冷却介质循环通路414再供给到燃料电池100，上述冷却介质循环通 路414依次具备对冷却介质的温度进行检测的温度传感器402、对冷却介质向暖气用热交 换通路416的流量进行控制的三通阀404、对冷却介质向散热器旁通通路420的流量进行 控制的三通阀406、对冷却介质进行冷却的散热器408、驱动冷却介质的循环的冷却介质泵 410、对冷却介质的温度进行检测的温度传感器412。暖气用热交换通路416以绕过散热器 408的方式从冷却介质循环通路分支，在通过将被燃料电池100加温的冷却介质的热源用 作暖气的热源的热交换器418之后，再与冷却介质循环通路414汇合。散热器旁通通路420 从冷却介质循环通路分支，以绕过散热器408，再次与冷却介质循环通路414汇合。暖气用 热交换通路的三通阀404和散热器旁通通路的三通阀406分别由控制部600进行控制，以 对冷却介质的流量进行控制。检测出的冷却介质的温度被输入到控制部600。
热交换器418作为暖气装置422的热源发挥作用。暖气装置422具备可任意或者 自动设定暖气温度的暖气温度操作部。另外，优选暖气装置422具备对暖气对象即车厢内 的温度进行检测的温度传感器。检测出的车厢内的温度被输入到控制部600。
利用燃料电池的电能的负载系统500在燃料电池100上连接有将直流电流转换为 交流电流的驱动电机的变换器502、驱动汽车的驱动电机504。变换器502具备例如由六个 晶体管构成的三相桥式电路，通过晶体管的换向作用将直流电流转换为交流电流。变换器 502根据控制部600的要求对交流电流进行控制，并对驱动电机504的输出转矩及转速进行 控制。为了吸收来自燃料电池的剩余输出而具备电容器514。 此外，燃料电池的负载系统500，与驱动电机的变换器502和驱动电机504并联地 具备DC/DC转换器506、二次电池508和辅机类510。 二次电池508具备对二次电池508的 电压进行测定的电压传感器512。 DC/DC转换器506具有对燃料电池100发电时的电压值 进行控制的功能和将燃料电池100的电压控制为二次电池508的电压而进行充电的功能。
次电池508例如可列举铅蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池等。
辅机类510与二次电池508连接，消耗由二次电池508供给的电力而起作用。作 为本实施方式的系统中的辅机类510存在氢泵210、空气泵306、冷却介质泵410、加湿器等， 由二次电池508向这些辅机类供给电力。 对燃料电池系统进行控制的控制部600根据燃料电池系统10所需的必要热量以 及所要求的要求输出而对燃料电池系统IO进行控制。作为所需的必要热量，存在暖气装置 422作为热源要求的暖气必要热量、为将燃料电池100预热至最佳的发电温度而需要的热 量(以下，称为"预热必要热量")等。作为所要求的要求输出，存在负载系统的驱动电机 504的要求输出及辅机类510的要求输出等。 必要热量通过控制部600进行计算。暖气必要热量参照根据外部气体的空气温度 而预先求出的暖气必要热量映射进行计算。暖气必要热量映射考虑根据车厢内的容积、有 无隔热材料等决定的车厢隔热系数而制成。另外，还考虑暖气装置422的设定温度及车厢 内的温度而制成。图2表示基于规定条件下的外部气体的空气温度的暖气必要热量602和 热交换器所交换的热量604的映射。在图2的映射中，例如在温度为_161:以下的区域，相 对于热交换器所交换的热量604，暖气必要热量602变大。在该区域中，向暖气装置422供 给的热量受热交换器418所交换的热量限制。因此，在温度为-i6t:以下的区域中，不能向 暖气装置供给足够的热量。因此，优选在-i6t:以下的区域使燃料电池IOO进行后述的低效 率发电来增加发热量，以可以稳定地供给不足的热量。 预热必要热量参照基于外部气体的温度而预先求出的预热必要热量映射进行计 算。图3表示基于规定条件下的外部气体温度的预热必要热量606的映射。另外，优选预 热必要热量除考虑外部气体温度之外还要考虑燃料电池100的温度及冷却介质的温度来 制成映射。 进行预热运转后，燃料电池100达到规定温度(80度左右)。由于预热后的燃料 电池100的温度(80度左右)为比外部气体温度高的温度，因而使燃料电池自身所具有的 热量散热。特别是在冰点以下的条件下，来自燃料电池100的散热量比通常发电时的发热 量大，产生不能使燃料电池维持在规定温度的情况。因此，暖气后的燃料电池的必要热量中 需要含有用于使包括燃料电池在内的燃料电池系统10维持在规定温度所需的维持必要热 量，图4表示规定温度的燃料电池中的维持必要热量607的映射。图4的维持必要热量映 射是作为燃料电池系统的规定温度的散热系数和燃料电池100的温度与外部气体温度之 差的乘积而制成。考虑维持必要热量607并使燃料电池发热，由此可以防止燃料电池温度 比规定温度低的情况及燃料电池系统10冻结的情况。 控制部600对冷却介质循环通路414的三通阀404、406进行控制。在需要暖气的 情况下，对三通阀404进行控制，以使冷却介质循环到暖气用热交换通路416。另外，在不 需要暖气的情况下关闭连通暖气用热交换通路的三通阀404，以使冷却介质不循环到暖气 用热交换通路。在冷却介质没有变热的情况下控制三通阀406，使冷却介质绕过散热器408 而不进行冷却。另外，在冷却介质的温度变为高温的情况下控制三通阀406，以使冷却介质 通过散热器408。 要求输出由控制部600进行计算。驱动电机504的输出要求例如根据来自加速踏 板的要求及车速传感器检测出的车速等进行计算。辅机类510的输出要求通过将驱动氢泵 210/空气泵306/冷却介质泵410所需的输出分别进行合计来计算。
另外，控制部600通过DC/DC转换器506对燃料电池100的电压值进行控制。在本实施方式中，为了控制燃料电池100的电压值，基于由电压传感器104检测出的燃料电池100的电压值和由电压传感器512检测出的二次电池508的电压值之比进行DC/DC转换器506的负载控制。 使用图5说明与燃料电池100的高效率发电相伴的发热及输出。图5表示实验性地求出的高效率发电时的燃料电池的电流-电压曲线(以下，称为"I-V曲线")608和I-V曲线上的工作点A。所谓燃料电池的高效率发电是指在表示包括燃料电池100/辅机类510等在内的燃料电池系统10整体的最佳发电效率的I-V曲线608上存在燃料电池的工作点的状态。所谓最佳发电效率是指发电效率的最大值或极大值、或者其附近的发电效率。在工作点A，电流值为II，电压值为VI。所谓燃料电池的发电效率是指燃料电池的输出相对于投入到燃料电池的氢能之比。所谓投入的氢能是指电流值II和燃料电池的电动势Vmax的乘积。燃料电池的电动势Vmax如下进行计算。例如，燃料电池层叠有400个单元电池时，由于单元电池的电动势为1.23V,因而燃料电池的电动势是将两者相乘来求出，结果为492V。燃料电池的输出是电流值I1和电压值V1的乘积(IIXVI)。燃料电池的发热量为从投入的氢能减掉燃料电池的输出后的能量(11XVmax-IlXVl)。另外，高效率发电的电压值被控制在燃料电池的电动势的50% 70%的范围。 为了增加燃料电池100的发热量，而将工作点控制到相对于高效率发电的I-V曲线608上的工作点A为低电压即电压值为V2、高电流即电流值为12的工作点B。由此，成为发电效率比高效率发电降低的低效率发电的状态，工作点B的发热量为12XVmax-I2XV2，相对于工作点A的发热量增加。 为了在工作点B控制燃料电池，通过DC/DC转换器将电压值控制为V2，成为高效率发电的I-V曲线608上的工作点C。然后，通过空气泵306降低向燃料电池的空气供给量，将电流值控制为12。在此，在向燃料电池IOO供给的空气供给量减少时，形成发电效率相对于高效率发电的I-V曲线608降低的I-V曲线610。随着空气供给量的降低，阴极的氧的供给量及所生成的水的排出量减少。因此，阴极的反应受到阻碍，在规定的电压值下，电流值减小。另外，在实施方式中是先通过DC/DC转换器对电压进行控制，但是也可以对基于空气泵306的空气供给量进行控制而首先使I-V曲线发生变化。 在行驶中，使燃料电池100的发热量增加时，为了满足驱动电机504等的输出要求，理想的是将燃料电池设为一定程度的高电压值V2以确保输出。优选电压值控制在从根据驱动电机的输出转矩要求决定的电压值(例如120V)起至燃料电池的电动势的50%的范围内。在此，将根据驱动电机的输出转矩要求决定的电压值作为第一电压下限值，将以第一电压下限值为电压的下限值的低效率发电设定为第一低效率发电模式。在第一低效率发电中，根据要求输出和必要热量，通过DC/DC转换器进行控制，以使燃料电池的电压为第一电压下限值以上，且改变空气向燃料电池的供给量来控制电流值。 在冰点以下起动时等车辆停止时使燃料电池100的发热量大幅度增加的情况下，没有驱动电机504的要求输出，仅供给驱动辅机类510的输出即可。因此，通过将电压目标值设定为比固定于规定值的电压值V2低的低电压低效率发电，就可以供给更大的发热量。理想的是燃料电池100的电压值控制在从根据DC/DC转换器的控制界限决定的电压值(例如，15V)起至根据驱动电机504的输出转矩要求决定的电压值(例如120V)的范围内。在此，将根据DC/DC转换器的控制界限决定的电压值作为第二电压下限值。另外，即使在行驶 中也没有驱动电机的输出转矩要求的情况下，可以使电压的下限值为第二电压下限值而使 发热量增大。将以第二电压下限值为电压的下限值的低效率发电设定为第二低效率发电模 式。 下面，使用图6说明本实施方式的低效率发电的燃料电池100的输出和发热量的 关系。基于由控制部600求出的必要热量Q[W]和要求输出P[W]，可求出工作点D的电流值 13和电压值V3。即，在燃料电池被消耗的氢能为13XVmax = Q+P。由此，求出13 = (Q+P)/ Vmax，V3= (VmaxXP)/(Q+P)。通过将燃料电池控制在所求出的工作点(电流值I3和电压 值V3)，从而可以同时满足要求热量P和要求输出Q。另外，在基于上述计算的工作点控制 中，必要热量Q和要求输出P分别满足Q = (Vmax-V) XI、P = IXV的关系式。
接着，利用图7说明第一实施方式中的燃料电池的运转控制之一例。另外，图7所 示的控制可在每隔一定时间逐次进行运算。 燃料电池系统10的暖气装置工作，并将燃料电池100的发热量用作暖气装置的热 源(步骤SIOI)。此时，通过暖气温度操作部输入暖气的设定温度。使用映射计算暖气必要 热量(步骤S103)。计算燃料电池的暖气必要热量(步骤S105)。在此，暖气必要热量和预 热必要热量的合计值成为必要热量(Qa)。另外，在系统达到规定温度的情况下，取代步骤 S105而进行维持必要热量的计算。 然后，由控制部600计算出驱动电机的输出要求和燃料电池系统10的辅机类的输 出要求的合计值的要求输出(步骤S107)。 求出可以供给计算出的要求输出的输出且处于高效率发电的I-V曲线上的燃料 电池的工作点。计算出燃料电池在该工作点的发热量(通常发热量、Qb)(步骤S109)。
判断所计算出的必要热量(Qa)是否比通常发热量(Qb)大(步骤Slll)。在判断 结果为必要热量(Qa)比通常发热量(Qb)大时(步骤Slll :是)，燃料电池100成为低效率 发电的状态(步骤S113)。然后，判断是否有驱动电机的输出转矩要求(步骤S115)。在判 断为有驱动电机的输出转矩要求时(步骤S115 :是)，则成为允许电压的下限值直至第一电 压下限值的第一低效率发电模式(步骤S117)。电流目标值决定在所允许的电压范围内且 满足必要热量和要求输出的电压目标值(步骤S119)。控制DC/DC转换器的占空比，以使燃 料电池100的电压成为电压目标值(步骤S121)。另外，利用空气泵控制空气的供给量，以 使燃料电池100的电流成为电流目标值(步骤S121)。 在判断为没有驱动电机的输出转矩要求时(步骤S115 :否)，成为允许电压的下限 值达到第二电压下限值的第二低效率发电模式(步骤S123)。电流目标值确定在允许的电 压范围内且满足必要热量和要求输出的电压目标值(步骤S125)。控制DC/DC转换器的占 空比，以使燃料电池100的电压成为电压目标值(步骤S127)。另外，利用空气泵控制空气 的供给量，以使燃料电池100的电流成为电流目标值(步骤S127)。在步骤121或者步骤127经过一定时间之后，重新返回到步骤S103。另外，在步骤 Slll的判断中，优选在Qa > Qb的判断基准满足一定时间的情况下进行判断。
在步骤Slll中，判断为必要热量(Qa)比通常发热量(Qb)小时(步骤Slll :否)， 燃料电池100成为高效率发电模式的状态(步骤(S129)。在该状态下，计算燃料电池的工 作点在可供给要求输出的高效率发电时的i-v曲线上的电压目标值/电流目标值(步骤S131)。在高效率发电的I-V曲线上，只要确定了电压值，电流值也就同时被确定，所以通过 进行DC/DC转换器的负载控制，只进行电压值的控制即可(步骤S133)。通过高效率发电， 可以供给必要热量的发热量并使燃料电池系统10以高效率进行发电。
另一方面，燃料电池100以低效率发电时，空气的供给量少，不能从燃料电池内有 效地排出与发电相伴生成的水，存在水滞留的问题。因此，在本实施方式中，在发电状态从 低效率发电模式变更为高效率发电模式之后，对单体电池内的剩余水量是否大于规定值进 行判断(步骤S135)。单体电池内剩余水量既可以根据燃料电池的电流值及所供给的空气 量进行推定，也可以根据构成燃料电池的固体高分子膜的电阻值进行推定。在此，在判断为 单体电池内剩余水量比规定值多时(步骤S135 :是)，通过增加反应气体流量而排出滞留于 单体电池内的气体流路中的水分(步骤S137)。对于燃料电池的阴极侧的气体流路，利用空 气泵来增加空气的供给量。由此进行水的排出。另外，滞留于燃料电池的阳极侧的气体流 路中的水的排出也可以通过驱动氢循环通路的氢泵而增加气体的供给量来进行。使气体流 量增加规定时间之后结束本实施方式的控制。在此，高效率发电的i-v曲线表示效率最高 的曲线，且处于发电效率相对于空气供给量达到饱和的状态。因此，在高效率发电时，即使 增加空气的供给量，所述I-V曲线的特性也不发生变化。只要电压值通过DC/DC转换器被 控制为一定，燃料电池的工作点就不发生变化。因此，燃料电池的输出一定，不会发生供给 剩余的输出这样的问题。 另一方面，在判断为单体电池内剩余水量比规定值少时(步骤S135 :否)，直接结 束本实施方式的控制。 接着，利用图8和图9说明第二实施方式。图8表示第二实施方式的系统构成图。 第二实施方式的系统构成为，在第一实施方式和燃料电池负载系统500中，在燃料电池100 的输出端还可具备DC/DC转换器507。即，在燃料电池系统的负载系统500中，燃料电池100 与DC/DC转换器507、驱动电机的变换器502、驱动电机504串联连接，与驱动电机的变换器 502和驱动电机504并联地具有DC/DC转换器506和二次电池508及辅机类510。根据在 燃料电池100的输出端具备DC/DC转换器506的构成，即使在燃料电池的电压比第一电压 下限值低的情况下，也能够通过使压力上升来使驱动电机504工作。由此，可以使燃料电池 100的电压降低至由DC/DC转换器507的控制界限决定的第二电压下限值。
接着，参照图9说明第二实施方式的燃料电池系统的运转控制之一例。在第二实 施方式的运转控制中，对在燃料电池系统10为规定温度的情况下，使燃料电池系统的温度 维持所需的维持必要热量607包含于燃料电池系统10的必要热量中的控制进行说明。
利用映射来计算工作中的暖气装置(步骤S201)需要的暖气必要热量(步骤 S203)。利用映射计算燃料电池系统的温度维持所需的维持必要热量(步骤S205)。在此， 暖气必要热量和维持必要热量的合计值成为必要热量(Qa)。 然后，由控制部600计算出驱动电机504的输出要求和燃料电池系统10的辅机类 的输出要求的合计值的要求输出(步骤S207)。在高效率发电状态下，计算出满足要求输出 的工作点的燃料电池的发热量(通常发热量Qb)(步骤S209)。 判断计算出的必要热量(Qa)是否比通常发热量(Qb)大(步骤S211)。在判断的 结果为必要热量(Qa)比通常发热量(Qb)大时(步骤S211 :是)，燃料电池IOO成为低效率 发电的状态(步骤S213)。在本实施方式中，在成为低效率发电时(步骤S213)，不论有无驱动电机的输出转矩要求，都成为允许电压的下限值达到第二电压下限值的第二低效率发 电模式(步骤S223)。决定在允许的电压范围内且满足发热要求和输出要求的电压目标值 和电流目标值(步骤S225)。控制DC/DC转换器的占空比，以使燃料电池的电压成为电压目 标值，利用空气泵对空气的供给量进行控制，以使电流成为电流目标值(步骤S227)。
在判断的结果为必要热量(Qa)比通常发热量(Qb)小时(步骤S211 :否)，则成为 高效率发电(步骤S229)。步骤S231以后的控制与第一实施方式的步骤S131以后的控制 相同。 在本实施方式中是利用燃料电池的发热来供给燃料电池系统的必要热量，但优选 在燃料电池系统附加设置加热单元，并由燃料电池不会过多或不足地供给从必要热量除去 加热单元的加热量后的热量。 另外，本实施方式中，在低效率发电模式滞留的水的排出是在转换到高效率发电 模式之后进行的，但优选在从低效率发电模式向高效率发电模式转换时进行排水。在该情 况下，在从低效率发电模式向高效率发电模式转换时，只要强制性地增加反应气体流量即 可。另外，单体电池内水剩余量的推定也可以根据低效率发电模式的持续时间来进行推定。 此外，用于排水的反应气体增加量也可以设定为单体电池内水剩余量越多越增加。
权利要求
一种燃料电池系统，具备燃料电池，将燃料气体和氧化剂气体作为反应气体进行发电；电流控制单元，对所述燃料电池的电流进行控制；电压控制单元，对所述燃料电池的电压进行控制；及发热量控制单元，计算燃料电池系统所需的必要热量，并决定所述电流控制单元的电流目标值和所述电压控制单元的电压目标值以发出所算出的必要热量，由此控制发热量。
2. 如权利要求l所述的燃料电池系统，其中，具备将所述燃料电池的发热用作热源的暖气装置，所述必要热量包含正在工作的所述暖气装置所需的暖气必要热量。
3. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述必要热量包含燃料电池的预热所需的预热必要热量。
4. 如权利要求1 3中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述必要热量包含将燃料电池系统的温度维持在规定温度所需的维持必要热量。
5. 如权利要求1 3中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述控制单元通过发电效率比燃料电池的高效率发电降低了的低效率发电进行控制。
6. 如权利要求1 5中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述电压控制单元是DC/DC转换器，所述电流控制单元是反应气体的供给单元。
7. —种燃料电池系统，具有燃料电池，将燃料气体和氧化剂气体作为反应气体进行发电；二次电池，将所述燃料电池的输出充电或者将已充有的电力放电；及电压控制单元，对所述二次电池的电压进行控制，所述燃料电池系统的特征在于，具备控制单元，所述控制单元计算燃料电池系统所需的必要热量和所要求的要求输出，并基于算出的必要热量和要求输出来控制燃料电池在如下模式中的任意一种模式下工作使燃料电池以高效率进行发电的高效率发电模式；使电压的下限值为第一电压下限值的、发电效率比高效率发电降低了的第一低效率发电模式；及电压的下限值为比第一电压下限值小的第二电压下限值的第二低效率发电模式。
8. —种燃料电池系统，具有燃料电池，将燃料气体和氧化剂气体作为反应气体进行发电；及电压控制单元，对所述燃料电池的电压进行控制，所述燃料电池系统的特征在于，具备控制单元，所述控制单元基于燃料电池系统所需的必要热量和所要求的要求输出来控制燃料电池在如下模式中的任意一种模式下工作使燃料电池以高效率进行发电的高效率发电模式；及使电压的下限值为第二电压下限值的、发电效率比高效率发电降低了的第二低效率发电模式。
9. 如权利要求7或8所述的燃料电池系统，其中，具备将所述燃料电池的发热用作热源的暖气装置，所述必要热量包含正在工作的所述暖气装置所需的暖气必要热量。
10. 如权利要求7 9中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述必要热量包含燃料电池的预热所需的预热必要热量。
11. 如权利要求7 9中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述必要热量包含将燃料电池的温度维持在规定温度所需的维持必要热量。
12. 如权利要求7 9中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述控制单元在从所述第一低效率发电模式或所述第二低效率发电模式转换到高效率发电模式时，使向燃料电池供给的所述反应气体量增加。
13. —种燃料电池系统的控制方法，具有第一步骤，求出燃料电池系统所需的必要热量和所要求的要求输出；第二步骤，求出由反应气体的供给状态决定的燃料电池的电流-电压曲线上由满足所述必要热量和所述要求输出的电流值和电压值确定的工作点；及第三步骤，对燃料电池的电流值和电压值进行控制，以在所述工作点进行燃料电池的发电。
14. 如权利要求13所述的燃料电池系统的控制方法，其中，所述燃料电池系统具备将燃料电池的发热用作热源的暖气装置，所述必要热量包含正在工作的暖气装置所需的暖气必要热量和燃料电池的预热所需的预热必要热量。
15. 如权利要求13或14所述的燃料电池系统的控制方法，其中，所述要求输出包含搭载有所述燃料电池系统的车辆所要求的驱动力和所述燃料电池系统的辅机所要求的输出。
16. 如权利要求13或14中任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其中，所述燃料电池系统具备用于设定工作点的转换器。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统及其控制方法，其中，燃料电池系统具备燃料电池(100)，其将燃料气体和氧化剂气体作为反应气体进行发电；电流控制单元(306)，其对燃料电池的电流进行控制；电压控制单元(506)，其对燃料电池的电压进行控制；发热量控制单元(600)，其计算燃料电池系统所需的必要热量，并确定所述电流控制单元的电流目标值和所述电压控制单元的电压目标值以产生计算出的必要热量，由此控制发热量。由此，既不会使燃料电池系统大型化，又可以向燃料电池系统供给所需的热量。
文档编号H01M8/00GK101755359SQ200880100131
公开日2010年6月23日 申请日期2008年7月23日 优先权日2007年7月30日
发明者今西启之, 小川朋也, 真锅晃太 申请人:丰田自动车株式会社