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，尤其是涉及一种利用低效率运转对燃料电池进行 预热的燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池为通过利用电化学工艺使燃料氧化而将伴随氧化反应放出的能量直接 变换为电能的发电系统，其具有将多个膜_电极组件层叠而成的堆叠结构，该多个膜_电极 组件是利用由多孔质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 侧面而形成。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低成 本且容易紧凑化，并且具有较高的输出密度，因此期待其作为车载电力源的用途。对于这种燃料电池，通常70。C 80°C为最佳发电温度范围，但在寒冷地区等的环 境下，有时从起动直至达到最佳温度范围需要很长时间，因此正在研究各种预热系统。例 如，下述专利文献1中公开有如下方法通过实施与通常运转相比发电效率低的低效率运 转来控制燃料电池的自身发热量，在车辆行驶的同时对燃料电池进行预热。上述方法中，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身发热的预热运转，因此不需要搭载预热 用的装置，便利性优异。专利文献(日本)特开2002-313388号公报但是，燃料电池的IV特性不固定，根据燃料电池的运转状态(例如从通常运转向 低效率运转的切换等)不同而有很大的变动。在不考虑上述变动地控制燃料电池的输出电 力时，有可能产生从燃料电池向外部负载(牵引电动机及各种辅机、二次电池等)供给的电 力过度或不足等问题。
发明内容
本发明是鉴于以上所说明的情况而完成的，其目的在于提供一种即使在进行运转 状态的切换等的情况下，也可以对外部负载没有过度或不足地供给电力的燃料电池系统。为了解决上述问题，本发明提供一种燃料电池系统，通过进行与通常运转相比发 电效率低的低效率运转来对该燃料电池进行预热，其特征在于，具备判断单元，判断所述 燃料电池预热的开始时刻是否已到来；设定单元，设定所述燃料电池的预热目标电压；检 测单元，检测所述燃料电池在当前时点下的输出电压；决定单元，在判断为所述燃料电池的 开始时刻已到来的情况下，基于要求电力、检测出的所述输出电压和所述预热目标电压，决 定该输出电压的电压变化速度；及控制单元，以决定的电压变化速度使所述输出电压转变 至所述预热目标电压。根据上述构成，在燃料电池预热的开始时刻已到来的情况下，基于对燃料电池等 的要求电力、预热运转时的燃料电池的目标电压、在当前时点下的输出电压，决定电压变化 速度，并以决定的电压变化速度使燃料电池组的输出电压转变(变化)至输出目标电压。
在此，从燃料电池取出的输出电流根据燃料电池的输出电压的电压变化速度进行 变化，电压变化速度越大，瞬间的输出电流的变化量越大(参照图3)。因此，根据要求电力 使燃料电池的输出电压的电压变化速度依次变化而控制输出电流，由此能够满足输出要求 电力并迅速对燃料电池进行预热。在此，在上述构成中，优选的是，还具备温度检测单元，检测所述燃料电池的相关 温度，所述判断单元基于所述相关温度判断所述开始时刻是否已到来。另外，在上述构成中，优选的是，所述设定单元至少根据所述相关温度、要求发热 量或所述要求电力来改变所述预热目标电压。另外，在上述构成中，优选的是，所述检测单元在所述输出电压转变至所述预热目 标电压的期间，在规定时刻对当前时点下的输出电压进行多次检测，所述决定单元在每个 检测时刻基于该系统的要求电力、检测出的所述输出电压和所述预热目标电压，决定该输 出电压的电压变化速度。此外，在上述构成中，优选的是，还具备阈值设定单元，用于设定比所述预热目标 电压大的阈值电压，所述控制单元在所述输出电压低于所述阈值电压的情况下，以比该时 刻下的电压变化速度快的电压变化速度使所述输出电压转变至所述预热目标电压。另外，在上述构成中，优选的是，还具备计测单元，用于计测开始所述输出电压的 转变后的经过时间，在所述输出电压低于所述阈值电压且所述经过时间超过阈值时间的情 况下，所述决定单元以比该时点下的电压变化速度快的电压变化速度使所述输出电压转变 至所述预热目标电压。如以上所说明，根据本发明，即使在进行运转状态的切换等的情况下，也可以对外 部负载没有过度或不足地供给电力。
具体实施例方式下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。A.第一实施方式A-1.构成图1是搭载了本实施方式的燃料电池系统10的车辆的概略构成。另外，在下面的 说明中，作为车辆的一例假设了燃料电池汽车(FCHV :Fuel Cell Hybrid Vehicle)，但也可 适用于电动汽车或混合动力汽车。另外，不仅适用于车辆，而且也可以适用于各种移动体 (例如船舶、飞机、机器人等)或定置型电源、进而便携式的燃料电池系统。燃料电池系统10作为搭载于燃料电池车辆上的车载电源系统发挥作用，其具备 接受反应气体(燃料气体、氧化气体)的供给而进行发电的燃料电池组20 ；用于将作为氧 化气体的空气供给至燃料电池组20的氧化气体供给系统30 ；用于将作为燃料气体的氢气 供给至燃料电池组20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 ；及控制系统整体的控制器(ECU) 70。燃料电池组20是将多个单体电池串联地层叠而构成的固体高分子电解质型单体 电池组。燃料电池组20中，在阳极产生⑴式的氧化反应，在阴极产生⑵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。H2 — 2H++2e"... (1)
(l/2)02+2H++2e-— H20...(2)H2+(l/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71、 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具有向燃料电池组20的阴极供给的氧化气体流过的氧化 气体通路34 ；及从燃料电池组20排出的氧化废气流过的氧化废气通路36。在氧化气体通 路34上设有经由过滤器31从大气中取入氧化气体的空气压缩机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、及用于调节氧化气体供给量的节流阀35。 在氧化废气通路36上设有用于调节氧化气体供给压力的背压调节阀37、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、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过的燃料气体通路45、用于使从燃料电池组20排出的燃料 废气返回到燃料气体通路45的循环通路46、将循环通路46内的燃料废气压送至燃料气体 通路43的循环泵47、及与循环通路47分支连接的排气排水通路48。燃料气体供给源41例如由高压氢罐或贮氢合金等构成，存储高压(例如35MPa 70MPa)的氢气。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，并被供给至燃料电池组 20。另外，燃料气体供给源41也可以由改性器及高压气体罐构成，所述改性器从烃类 的燃料生成富氢的改性气体，所述高压气体罐使在该改性器生成的改性气体为高压状态而蓄压。调节器43为将其上游侧压力(一次压力)调压至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着隔膜形成 背压室和调压室的壳体，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结构。喷射器44为电磁阀驱动式的开闭阀，通过利用电磁驱动力直接以规定的驱动周 期驱动阀芯远离阀座，从而可调节气体流量和气体压力。喷射器44具备阀座，所述阀座具 有喷射燃料气体等的气体燃料的喷射孔，并且具备将该气体燃料供给引导至喷射孔的喷嘴 体、及相对于该喷嘴体沿轴线方向(气体流动方向)可移动地被收容保持且开闭喷射孔的 阀芯。在排气排水通路48上配设有排气排水阀49。排气排水阀49根据来自控制器70 的指令进行动作，从而将循环通路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，能够使循环通路46内的燃料废气中的杂质浓度下降，使在循环系统内 循环的燃料废气中的氢浓度上升。经由排气排水阀49排出的燃料废气与在氧化废气通路34内流动的氧化废气混 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 环供给至燃料电池组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具有使从蓄电池52供给的直流电压升压并向牵引变换器53输
5出的功能、和使燃料电池组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进行充电的功能。通过DC/DC转换器51的这些功能，控制蓄电池 52的充放电。另外，利用基于DC/DC转换器51的电压变换控制，控制燃料电池组20的运转 动作点(输出电压、输出电流)。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、伴随燃料电池 车辆的加速或减速的负载变动时的能量缓冲器发挥作用。作为蓄电池52例如优选镍/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例如是通过脉宽调制方式驱动的PWM变换器，根据来自控制器70 的控制指令将从燃料电池组20或蓄电池52输出的直流电压变换为三相交流电压，控制牵 引电动机54的旋转转矩。牵引电动机54是用于驱动车轮56L、56R的电动机(例如三相交 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转换器类、进而各种车载辅机类(例如空气压缩机、喷射器、冷 却水循环泵、散热器等)的总称。冷却系统60具备用于使在燃料电池组20内部循环的制冷剂流动的制冷剂通路 61、62、63、64、用于压送制冷剂的循环泵65、用于在制冷剂和外部气体之间进行热交换的 散热器66、用于切换制冷剂的循环路径的三通阀67、及用于检测制冷剂温度的温度传感器 74。在预热运转结束后的通常运转时，如下所述开闭控制三通阀67 从燃料电池组20流出 的制冷剂流过制冷剂通路61、64而在散热器66被冷却后，流过制冷剂通路63而再次流入 燃料电池组20。另一方面，系统刚刚起动后的预热运转时，如下所述开闭控制三通阀67 从 燃料电池组20流出的制冷剂流过制冷剂通路61、62、63而再次流入燃料电池组20。控制器70是具备CPU、ROM、RAM、及输入输出接口等的计算机系统，其作为用于控 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)的控制单元发挥作用。例如，控制器70接收到从点火开关输出的起动信号IG 时，开始燃料电池系统10的运转，根据从油门传感器输出的油门开度信号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。辅机电力中包括车辆 辅机类(加湿器、空气压缩器、氢泵、及冷却水循环泵等)所消耗的电力、车辆行驶所需的装 置(变速器、车轮控制装置、转向装置及悬架装置等)所消耗的电力、乘员空间内配设的装 置(空调装置、照明设备及音响等)所消耗的电力等。而且，控制器70决定燃料电池组20和蓄电池52的各自输出电力的分配，计算发 电指令值，并且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(要求电力)一致。进而控制器70控制DC/DC转换器51并调节燃料电池 组20的输出电压，从而控制燃料电池组20的运转动作点(输出电压、输出电流)。控制器 70为了得到与油门开度相对应的目标车速，例如作为开关指令将U相、V相、及W相的各交 流电压指令值向牵引变换器53输出，控制牵引电动机54的输出转矩、及转速。<燃料电池组20的C-V特性>燃料电池组20的C-V特性(寸4夕丨J 7夕# >夕7夕‘，A 循环伏安特性)表示 燃料电池组20的动态电特性，使燃料电池组20的电压以一定的速度升压时，电流沿从外部向燃料电池组20流入的方向(负方向)流动，使燃料电池组的电压以一定的速度降压时， 电流沿从燃料电池组20向外部流动的方向(正方向)流动。可知，这样的动态电气特性是 燃料电池组20的催化剂担载体的双电层电容成分和由催化剂的氧化还原反应产生的视在 电容成分。在此，图2是将燃料电池组20的动态电特性模型化后的等效电路图。燃料电池组20具有并联连接理想燃料电池28和电容器29而形成的电路构成。理 想燃料电池28是将不具有上述C-V特性的假想的燃料电池模型化的电池，电特性上，进行 与可变电源等效的动作。电容器29将形成在上述界面的双电层的电气性的动作作为电容 元件模型化。外部负载56是将电力系统50模型化后的等效电路。将从理想燃料电池28 流出的电流设为Ifc、将理想燃料电池28的输出电压(燃料电池组20的输出电压)设为 Vfc、将流入电容器29的电流设为Ic、将从燃料电池组20向外部负载56流出的电流设为 Is、将电容器29的电容设为C、将时间设为t时，下面所示的(4) (5)成立。Ifc = Ic+Is... (4)Ic = C A Vfc/At...(5)如⑷ (5)所示，使输出电压Vfc升压时，与单位时间内的变化量A Vfc/ A t相 对应，流入电容器29的电流Ic增加，因此从燃料电池组20向外部负载56流出的电流Is减 少。另一方面，使输出电压Vfc降压时，与单位时间内的变化量A Vfc/At相对应，流入电 容器29的电流Ic减少，因此从燃料电池组20向外部负载56流出的电流Is增加。这样， 通过控制输出电压Vfc的单位时间内的升降压量，能够增加减少从燃料电池组20向外部负 载56流出的电流Is(以下为了方便称为AV控制)。本实施方式中，使该车辆的运转停止的状态下(即，车辆行驶前的起动准备阶段， 以下称为起动准备状态)，检测出电池组温度低于规定温度(例如o°c)时，开始低效率的 运转(即从起动准备状态向低效率运转状态转移)，进行燃料电池组20的急速预热。在此，所谓低效率运转是指通过与通常的运转相比缩小空气的供给量(例如将空 气过剩系数设定为1.0附近)，提高发电损失而以较低的发电效率进行运转。将空气过剩系 数设定得较低而实施低效率运转时，与通常运转时相比，浓度过电压增大，因此通过氢和氧 的反应而取出的能量中热损失(发电损失)增大。另外，低效率运转在低温起动时，通过有意地增大热损失而迅速地对燃料电池组 20进行预热，因此不仅是车辆行驶前(起动准备状态一低效率运转状态)，在车辆行驶中 (通常运转状态一低效率运转状态)等也可以实施。另外，低效率运转时的空气过剩系数 (即氧剩余率)不限定于1.0附近，只要是比通常运转小的值便可任意地设定/变更。本实施方式中，将燃料电池组20从起动准备状态向低效率运转状态转移时，将向 燃料电池组20供给的氧化气体流量固定为一定值，并且根据要求电力对燃料电池组20的 输出电压进行可变控制。如⑷ (5)式所示，使燃料电池组20的输出电压变化时，由于 燃料电池组20的电容特性，产生来自电容器29的电力的充放电，从燃料电池组20向外部 负载56供给的电力(即输出电力)发生变化。图3是表示状态转变时的燃料电池组20的IV特性的图，用实线表示电压变化速 度为Schl = 25V/s的情况下的IV特性，用点划线表示电压变化速度为Sch2 = 50V/s的情 况下的IV特性。另外，图3所示的IV特性假想为将向燃料电池组20供给的氧化气体量控
7制为一定的情况。如图3所示，使燃料电池组20从起动准备状态向低效率运转状态转移时，使燃料 电池组20的输出电压下降时，存在输出电流大幅变化的区域(具体而言为催化剂还原区 域)A1。上述催化剂还原区域A1中，从燃料电池组20取出的电流(即输出电流)根据燃 料电池组20的输出电压的电压变化速度进行变化，如图3所示，电压变化速度越大，瞬间的 输出电流的变化量越大(参照图3所示的电压变化速度Schl、Sch2)。众所周知，燃料电池 组20的输出电力可通过将输出电压乘以输出电流而求出，因此根据对燃料电池组20的要 求电力，使燃料电池组20的输出电压的电压变化速度依次变化来控制输出电流，由此能够 得到所期望的输出电力。图4是实现预热控制处理的控制器70的功能框图。控制器70具备预热时刻判断部70a、转变目标电压决定部70b、电压变化速度决定 部70c、及电压下降处理执行部70d。预热时刻判断部(判断单元)70a基于由温度传感器74检测出的燃料电池组20的 温度(FC温度)来判断预热时刻是否已到来。另外，当然也可以代替FC温度而检测燃料电 池组20周围的环境温度及周围的零件温度(燃料电池的相关温度)。在此，在预热时刻判 断部70a注册有用于判断是否应开始预热运转的FC温度阈值(例如0°C )。预热时刻判断 部70a在接收到根据温度传感器74检测出的FC温度时，将该FC温度和FC温度阈值进行 比较。预热时刻判断部70a在检测出FC温度低于FC温度阈值时，将基于低效率运转的预 热运转的开始时刻已到来的消息向转变目标电压决定部70b、电压变化速度决定部70c输 出o转变目标电压决定部70b根据来自预热时刻判断部70a的通知，基于对燃料电池 组20的要求电力等，决定预热运转时的燃料电池组20的输出目标电压Vol (即，从起动准 备状态向低效率运转状态转变时的燃料电池组20的转变目标电压，参照图4)。转变目标电 压决定部(设定单元)70b决定(设定)预热运转时的燃料电池组20的输出目标电压(预 热目标电压)Vol时，将其向电压变化速度决定部70c输出。另外，预热运转时的燃料电池 组20的输出目标电压Vol可根据对FC温度及燃料电池组20的要求发热量、要求电力等适 当进行设定，也可以为固定值。电压变化速度决定部(决定单元)70c根据来自预热时刻判断部70a的通知，基于 对燃料电池组20的要求电力、从转变目标电压决定部70b输出的预热运转时的燃料电池组 20的输出目标电压Vol、通过电压传感器(检测单元)71检测出的当前时点下的输出电压 (例如参照图4所示的Vpl)，决定电压变化速度(在此为电压下降速度)，并将决定的电压 变化速度通知给电压下降处理执行部70d。如上所述，将燃料电池组20从起动准备状态向低效率运转状态转移时，可通过使 燃料电池组20的输出电压的电压变化速度变化来得到所期望的输出电力。因此，电压变化 速度决定部70c基于该要求电力和输出目标电力Vol和当前时点下的输出电压决定电压变 化速度，以得到对燃料电池组20的要求电力。另外，关于电压变化速度，例如可以按照电压 传感器(检测单元)的输出电压的检测时刻，对每规定时刻(每4mS等)决定电压变化速 度，但也可以一旦决定后就固定电压变化速度，在什么样的时间决定电压变化速度是任意 的。
电压下降处理执行部(控制单元)70d根据从电压变化速度决定部70c通知的电 压变化速度，以的方式执行使燃料电池组20的输出电压下降的处理(以下称为电压下降处 理)，以得到所期望的要求电力。详述而言，电压下降处理执行部70d使用DC/DC转换器51， 根据下述式(6) (7)使燃料电池组20的输出电压下降至输出目标电压。电流偏差=电流指令值_电流实测值…(6)电压指令值=电压指令值(上次值)_(电流偏差X比例增益+电流偏差积分项X 积分增益)…(7)这时，电压下降处理执行部70b控制DC/DC转换器51的降压动作，以维持在电压 变化速度决定部70c中决定的电压变化速度。由此，能够满足输出要求电力，并迅速地对燃 料电池组20进行预热。另外，电压下降处理执行部70d在检测出FC温度已升温至所设定 的通常运转切换温度(例如5°C)时，结束燃料电池组20的预热，进行从低效率运转向通常 运转的切换。下面，参照图5对预热控制处理进行说明。A-2.动作说明图5是表示由控制器70执行的预热控制处理的流程图。预热时刻判断部70a基于由温度传感器74检测出的燃料电池组20的温度(FC温 度)，判断预热时刻是否已到来。详述而言，预热时刻判断部70a对由温度传感器74检测出 的FC温度和预先设定的FC温度阈值进行比较，判断FC温度是否低于FC温度阈值。预热 时刻判断部70a在FC温度为FC温度阈值以上的情况下(步骤S100 否)，不执行以下所示 的步骤而结束处理。另一方面，预热时刻判断部70a从FC温度低于FC温度阈值判断为预热时刻已到 来时(步骤S100 是)，将基于低效率运转的预热运转的开始时刻已到来的消息对转变目标 电压决定部70b、电压变化速度决定部70c输出。转变目标电压决定部70b根据来自预热时刻判断部70a的通知，基于对燃料电池 组20的要求电力等，决定预热运转时的燃料电池组20的输出目标电压Vol (即从起动准备 状态向低效率运转状态转变时的燃料电池组20的转变目标电压参照图4)(步骤S200)。 转变目标电压决定部70b决定预热运转时的燃料电池组20的输出目标电压Vol时，将其向 电压变化速度决定部70c输出。电压变化速度决定部70c根据来自预热时刻判断部70a的通知，基于对燃料电池 组20的要求电力、从转变目标电压决定部70b输出的预热运转时的燃料电池组20的输出 目标电压Vol、由电压传感器71检测出的当前时点下的输出电压，决定电压变化速度(在此 为电压下降速度)，并将决定的电压变化速度通知给电压下降处理执行部70d (步骤S300)。电压下降处理执行部70d根据从电压变化速度决定部70c通知的电压变化速度， 执行燃料电池组20的电压下降处理(步骤S400)，以得到所期望的要求电力。详述而言，电 压下降处理执行部70d使用DC/DC转换器51，根据上述式(6) (7)，使燃料电池组20的输 出电压降压至输出目标电压。这时，电压下降处理执行部70d控制DC/DC转换器51的降压 动作，以维持在电压变化速度决定部70c中决定的电压变化速度。由此，能够满足输出要求 电力并迅速地对燃料电池组20进行预热。另外，电压下降处理执行部70d在检测出FC温 度已升温至所设定的通常运转切换温度(例如5°C)时，结束以上所说明的预热控制处理， 从低效率运转向通常运转转移。
如以上所说明，根据本实施方式，在进行预热运转时，基于对燃料电池组的要求电 力、预热运转时的燃料电池组的输出目标电压、当前时点下的输出电压，决定电压变化速 度，并以决定的电压变化速度使燃料电池组的输出电压变化至输出目标电压。在此，从燃料电池组取出的输出电流根据燃料电池组的输出电压的电压变化速度 进行变化，电压变化速度越大，瞬间的输出电流的变化量越大(参照图4)，因此根据对燃料 电池组的要求电力使燃料电池组的输出电压的电压变化速度依次变化而控制输出电流，从 而能够满足输出要求电力，并且迅速对燃料电池组进行预热。B.第二实施方式图6是实现第二实施方式的预热控制处理的控制器70'的功能框图，是与上述图4相对应的图。因此，对于相对应的部分标注相同的标号，并省略详细的说明。在电压下降处理执行部(阈值设定单元)70d'注册有可转变的阈值电压Val (参 照图3)。可转变阈值电压(阈值电压)Val是用于判断是否能够使燃料电池组20的输出电 压急剧变化(在此为下降)的阈值，为比输出目标电压大的值。如图3所示，在超过可转变 阈值电压Val的电压区域，对应于燃料电池组20的输出电压的变化，输出电流显示大的变 动(参照图3所示的催化剂还原区域Al)，另一方面，在低于可转变阈值电压Val的电压区 域，即使输出电压急剧变动，燃料电池组20的输出电流也不会显示大的变动。因此，本实施方式中，燃料电池组20的输出电压为可转变阈值电压Val以上的情 况下，按照已设定的电压变化速度(在此为电压变化速度Si)使燃料电池组20的输出电压 变化，另一方面，在燃料电池组20的输出电压低于可转变阈值电压Val的情况下，按照比已 设定的电压变化速度Sl快的电压变化速度S2使燃料电池组20的输出电压变化。详述而言，电压下降处理执行部(决定单元)70d'对由电压传感器71检测出的当 前时点下的输出电压和可转变阈值电压Val进行比较。电压下降处理执行部70d'在当前 时点下的输出电压为可转变阈值电压Val以上的情况下，以由电压变化速度决定部70c已 设定的电压变化速度Sl使燃料电池组20的输出电压变化。另一方面，电压下降处理执行 部70d'在检测出当前时点下的输出电压低于可转变阈值电压Val时，以比已设定的电压 变化速度S 1快的电压变化速度S2(>S1)使燃料电池组20的输出电压变化至输出目标 电压。另外，对于电压变化速度S2，可设定为固定值，也可以适当变化，怎样设定是任意的。C.第三实施方式图7是实现第三实施方式的预热控制处理的控制器70"的功能框图，是与上述图 6相对应的图。因此，对于相对应的部分标注相同的标号，并省略详细的说明。在电压下降处理执行部70d"上连接有计时器70e。计时器(计测单元)70e用于 计测开始电压下降处理后的时间。进而在电压下降处理执行部70d"注册有阈值处理时间 Tl。阈值处理时间Tl是用于判断是否能使燃料电池组20的输出电压急剧变化(在此为下 降)的阈值。电压下降处理执行部70d"在开始电压下降处理时，利用计时器70e计测开始电 压下降处理后的经过时间(以下为电压下降处理时间)。而且，电压下降处理执行部70d" 检测出当前时点下的输出电压低于可转变阈值电压Val时，参照计时器70e，掌握当前时点 下的电压下降处理时间。电压下降处理执行部70d"在由计时器70e计测的当前时点下的电压下降处理时间低于阈值处理时间Tl的情况下，按照已设定的电压变换速度Sl使燃料电池组20的输出 电压变化。另一方面，电压下降处理执行部70d"在检测出超过阈值处理时间Tl时，按照比 已设定的电压变化速度Sl快的电压变化速度S2 ( > Si)使燃料电池组20的输出电压变化 至输出目标电压。这样，电压下降处理执行部(决定单元)70d"在当前时点下的输出电压低于可转 变阈值电压Val且当前时点下的电压下降处理时间超过阈值处理时间Tl的情况下，按照比 已设定的电压变化速度Sl快的电压变化速度S2 ( > Si)使燃料电池组20的输出电压变化 至输出目标电压。进行这样的控制是由于如果电流传感器72等中产生异常等而将比实际 的电流值大的值作为计测值(电流实测值)检测出来，则如式(6)可知，电流偏差减小，如 式(7)所示的电压指令值与上次的电压指令值相比大致无变化，燃料电池组20的输出电压 不下降而滞留。因此，本实施方式中，即使当前时点下的电压下降处理时间超过阈值处理时间Tl， 燃料电池组20的输出电压也没有下降至输出目标电压的情况下，判断为电流传感器72等 中产生了某种异常等，强制地进行使燃料电池组20的输出电压下降至输出目标电压的处 理。根据该构成，即使在电流传感器72等中产生了异常的情况下，也能够迅速地对燃料电 池组20进行预热。另外，关于阈值处理时间Tl，预先通过试验等求出燃料电池组20的输出 电压下降至输出目标电压的正常时间范围，基于该正常时间范围进行适当设定即可。
图1是表示第一实施方式的燃料电池系统的主要部分构成的图；图2是表示燃料电池系统的等效电路图；图3是表示状态转变时的燃料电池组的IV特性的图；图4是实现预热控制处理的控制器的功能框图；图5是表示预热控制处理的流程图；图6是第二实施方式的控制器的功能框图；图7是第三实施方式的控制器的功能框图。标号说明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70,70'、70〃…控制器 70a…预热时刻判断部 70b…转变目标电压决定 部 70c…电压变化速度决定部 70d、70d'、70d〃…电压下降处理执行部 70e… 计时器
权利要求
一种燃料电池系统，通过进行与通常运转相比发电效率低的低效率运转来对该燃料电池进行预热，所述燃料电池系统的特征在于，具备判断单元，判断所述燃料电池预热的开始时刻是否已到来；设定单元，设定所述燃料电池的预热目标电压；检测单元，检测所述燃料电池在当前时点下的输出电压；决定单元，在判断为所述燃料电池的开始时刻已到来的情况下，基于要求电力、检测出的所述输出电压和所述预热目标电压，决定该输出电压的电压变化速度；及控制单元，以决定的电压变化速度使所述输出电压转变至所述预热目标电压。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 还具备温度检测单元，用于检测所述燃料电池的相关温度，所述判断单元基于所述相关温度判断所述开始时刻是否已到来。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述设定单元至少根据所述相关温度、要求发热量或所述要求电力来改变所述预热目 标电压。
4.如权利要求1 3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述检测单元在所述输出电压转变至所述预热目标电压的期间，在规定时刻对当前时 点下的输出电压进行多次检测，所述决定单元在每个检测时刻基于该系统的要求电力、检测出的所述输出电压和所述 预热目标电压，决定该输出电压的电压变化速度。
5.如权利要求1 4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 还具备阈值设定单元，用于设定比所述预热目标电压大的阈值电压，所述控制单元在所述输出电压低于所述阈值电压的情况下，以比该时点下的电压变化 速度快的电压变化速度使所述输出电压转变至所述预热目标电压。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备计测单元，用于计测开始所述输出电压的转变后的经过时间， 在所述输出电压低于所述阈值电压且所述经过时间超过阈值时间的情况下，所述决定 单元以比该时点下的电压变化速度快的电压变化速度使所述输出电压转变至所述预热目 标电压。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统，能够即使在进行运转状态的切换等的情况下也对外部负载不会过度或不足地供给电力。预热时刻判断部(70a)基于燃料电池组的温度判断预热时刻是否已到来。转变目标电压决定部(70b)决定预热运转时的燃料电池组的输出目标电压，电压变化速度决定部(70c)基于对燃料电池组的要求电力、从转变目标电压决定部(70b)输出的预热运转时的燃料电池组的输出目标电压、由电压传感器检测出的当前时点的输出电压，决定电压变化速度。电压下降处理执行部(70d)根据从电压变化速度决定部(70c)通知的电压变化速度，执行电压下降处理。
文档编号H01M8/10GK101868879SQ20088011721
公开日2010年10月20日 申请日期2008年11月11日 优先权日2007年11月21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