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，其推测燃料电池的输出特性来控制电池运转。
背景技术：
燃料电池系统是如下的能量变换系统将燃料气体及氧化气体供给至膜_电极接 合体，发生电化学反应，将化学能变换为电能。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成本低且易紧凑化，并且具有较高的输出密度，因此期待其作 为车载电源系统的用途。燃料电池的输出特性(电流-电压特性)并不固定，因电池组温度、反应气体的流 量、压力、温度、进而由高分子电解质膜的水分变化引起的内部电阻的变动等而总是变动。 另外，可知该输出特性除了根据燃料电池的运转状态是否为过度状态或者是否为稳定状态 而变动，还因时效老化等大幅变动。根据这样的情况，为了适当地运转控制燃料电池，需要 把握每一时刻变动的输出特性。在日本特开2004-241272号公报中公开了根据燃料电池的 输出电流及输出电压来推测燃料电池的输出特性并控制电池运转的方法。专利文献1 日本特开2004-241272号公报然而，在燃料电池系统中，存在如下构成的情况在起动时实施初始检查(氢罐有 无阀故障等)，在检测出异常时，实施异常结束处理。在该异常结束处理中，燃料电池系统控 制燃料电池的输出电压以使燃料电池的输出电流为零。但是，在电池运转还没有开始的阶段的初始检查中检测出异常的情况下，由于处 于还没有推测燃料电池的输出特性的状态，因此燃料电池的输出电流为零时的燃料电池的 输出电压仍为初始值零。因此，燃料电池系统在异常处理时进行控制以使燃料电池的输出 电压为下限电压。这样，燃料电池的输出电流不为零，产生过发电，因此不能适当地实施异
常处理。

发明内容
因此，本发明提出一种燃料电池系统，其能够防止异常发生时的燃料电池的过发
^^ o为了解决上述问题，本发明的燃料电池系统具备燃料电池，接受反应气体的供给 而进行发电；推测装置，推测燃料电池的输出特性；控制装置，根据推测装置推测出的输出 特性来控制燃料电池的运转；及初始值设定装置，设定燃料电池的开路端电压作为与燃料 电池的输出电流为零相对应的燃料电池的输出电压的初始值。控制装置在燃料电池的运转 前检测出异常时，读取初始值而将燃料电池的输出电压设定为开路端电压。由于预先设定 燃料电池的开路端电压作为与燃料电池的输出电流为零相对应的燃料电池的输出电压的 初始值，因此能够防止异常发电时的燃料电池的过发电。优选在燃料电池的运转前设定与 燃料电池的输出电流为零相对应的燃料电池的输出电压的初始值。根据本发明，能够防止异常发生时的燃料电池的过发电。


图1是本实施方式的燃料电池系统的系统构成图。图2是表示本实施方式的燃料电池系统的运转控制处理的流程图。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…控制器
具体实施例方式以下，参照各图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示作为燃料电池车辆的车载电源系统起作用的燃料电池系统10的系统 构成。燃料电池10作为搭载于燃料电池车辆上的车载电源系统起作用，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 ；用于将作为燃料气体的空气 供给到燃料电池组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到燃料电 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 ；及整体地集中控 制燃料电池系统10的控制器60。燃料电池组20是串联地层积多个单体电池而构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)(1/2) 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 及用于检测输出电流的电流传感器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经的氧化 气体通路33 ；及从燃料电池组20排出的氧化废气流经的氧化废气通路34。在氧化气体通 路33上设置有经由过滤器31而从大气中取入氧化气体的空气压缩机32 ；用于对由空气压 缩机32加压的氧化气体进行加湿的加湿器35 ；及用于阻断向燃料电池组20的氧化气体供 给的阻断阀A1。在氧化废气通路34上设置有用于阻断从燃料电池组20的氧化废气的排 出的阻断阀A2 ；用于调整氧化气体供给压力的背压调整阀A3 ；及用于在氧化气体(干气) 和氧化废气(湿气)之间进行水分交换的加湿器35。燃料电池供给系统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经的燃料气体通路43 ；使从燃料电池组20排出的燃料废 气返回到燃料气体通路43的循环通路44 ；将循环通路44内的燃料废气压送至燃料气体通 路43的循环泵45 ；及与循环通路44分支连接的排气排水通路46。燃料气体供给源41例如由高压氢罐和贮氢合金等构成，贮存高压(例如35MPa至 70MPa)的氢气。打开阻断阀HI后，燃料气体从燃料气体供给源41向燃料气体通路43流 出。燃料气体通过调节器H2和喷射器42例如减压到200kPa左右而被供给到燃料电池组
420。燃料气体供给源41也可以由如下结构构成改性器，从烃类的燃料生成富氢的改 性气体；及高压气体罐，使在该改性器生成的改性气体为高压状态而蓄压。在燃料气体通路43上设置有阻断阀HI，用于阻断或允许来自燃料气体供给源41 的燃料气体的供给；调节器H2，调整燃料气体的压力；喷射器42，控制向燃料电池组20的 燃料气体供给量；及阻断阀H3，阻断向燃料电池组20的燃料气体供给。在循环通路44上连接有用于阻断从燃料电池组20的燃料废气的排出的阻断阀H4 和从循环通路44分支的排气排水通路46。在排气排水通路46上设置有排气排水阀H5。排 气排水阀H5利用来自控制器60的指令动作，将循环通路44内的包含杂质的燃料废气和水 分排出至外部。通过排气排水阀H5的开阀，循环通路44内的燃料废气中的杂质浓度下降， 可以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H5排出的燃料废气与流过氧化废气通路34的氧化废气混合，通 过稀释器(未图示)被稀释。循环泵45利用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。燃料电池系统10作为DC/DC转换器51和牵引变换器53并联连接在燃料电池 组20上的并联混合动力系统而构成。DC/DC转换器51具有使从蓄电池52供给的直流电 压升压而向牵引变换器53输出的功能；和使燃料电池组20发电的直流电力、或牵引电动机 54利用再生制动回收的再生电力降压而向蓄电池52充电的功能。利用DC/DC转换器51的 这些功能来控制蓄电池52的充放电。另外，利用由DC/DC转换器51进行的电压变换控制 来控制燃料电池组20的运转要素(输出电压、输出电流)。蓄电池52作为剩余电力的贮藏源、再生制动时的再生能量贮藏源、伴随着燃料电 池车辆的加速或减速的负载变动时的能量缓冲器起作用。作为蓄电池52，例如优选镍镉蓄 电池、镍氢蓄电池、锂离子二次电池等的二次电池。牵引变换器53是例如用脉冲宽度调制方式驱动的PWM变换器，根据来自控制器60 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是配置在燃料电池系统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、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。控制器60是具备CPU、ROM、RAM及输入输出接口的计算机系统，控制燃料电池系 统10的各部。例如，控制器60接收从点火开关输出的起动信号IG后，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和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。在此，辅机电力包括车载辅机类(加湿器、空气压缩机、氢泵、及冷却水循环泵等) 所消耗的电力、车辆行驶所需装置(变速机、车轮控制装置、操纵装置及悬架装置等)所消 耗的电力、配置在乘员空间内的装置(空调装置、照明设备及音响等)所消耗的电力等。并且，控制器60决定燃料电池组20和蓄电池52各自的输出电力的分配，根据燃
5料电池组20的输出特性映射(I-V特性映射)80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，并且通过控制DC/DC转换器51而 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)。 进而，控制器60为了获得与油门开度相对应的目标转矩，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输出到牵引变换器53，控制牵引电动机54的输出转矩及转速。图2是表示燃料电池系统10的运转控制处理的流程图。控制器60首先处于待机模式(步骤101)。该待机模式在起动信号IG关闭期间继 续(步骤102;否)。另一方面，当起动信号IG为开时(步骤102;是)，控制器60设定燃料 电池组20的输出特性映射80的初始值(步骤103)。在该初始值设定中，作为与燃料电池 组20的输出电流为零相对应的输出电压，设定开路端电压(OCV)。接着，控制器60实施初始检查，检查有无异常(步骤104)。作为初始检查的检查 项目，例如可以举出燃料电池供给系统40的氢泄漏和阻断阀Hl有无故障等会影响安全进 行电池运转的情况。在初始检查中没有检测出异常的情况下(步骤104;否)，控制器60转 换到通常运转模式(步骤105)。在通常运转模式中，控制器60按照规定的计算周期取得燃 料电池组20的输出电流及输出电压，并依次更新燃料电池组20的输出特性映射80。例如， 假设燃料电池组20的电压可以作为电流的函数(一次函数或规定的多次函数)来表示，控 制器60可以使用基于最小二乘法的推测方法来制成输出特性映射80。控制器60基于这样获得的输出特性映射80来控制燃料电池组20的运转。通常 运转模式以起动信号IG为开的情况为条件(步骤106;否)而继续。另外，输出特性映射 80在通常运转模式期间，按照规定的计算周期进行更新并继续。另一方面，起动信号IG为关时(步骤106 ；是)，控制器60从输出特性映射80读 出与燃料电池组20的输出电流为零相对应的电压V。，向DC/DC转换器51输出控制指令以 使燃料电池组20的输出电压与电压Vtl —致(步骤107)。另外，在初始检查中，在检测出异常的情况下(步骤104 ；是)，控制器60读出预先 设定的初始值作为与输出电流为零相对应的输出电压，向DC/DC转换器51输出控制指令以 使燃料电池组20的输出电压与开路端电压一致(步骤107)。燃料电池系统10经过以上的 处理停止电池运转。根据本实施方式，在电池运转开始前预先设定燃料电池组20的开路端电压来作 为与燃料电池组20的输出电流为零相对应的燃料电池组20的输出电压的初始值，因此能 够防止异常发生时的燃料电池组20的过发电。
权利要求
一种燃料电池系统，具备燃料电池，接受反应气体的供给而进行发电；推测装置，推测所述燃料电池的输出特性；控制装置，根据所述推测装置推测出的所述输出特性来控制所述燃料电池的运转；及初始值设定装置，设定所述燃料电池的开路端电压作为与所述燃料电池的输出电流为零相对应的所述燃料电池的输出电压的初始值，当所述控制装置在所述燃料电池的运转前检测出异常时，读取所述初始值而将所述燃料电池的输出电压设定为开路端电压。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，所述初始值设定装置在所述燃料电池的运转前设定所述初始值。
全文摘要
一种燃料电池系统，防止异常发生时的燃料电池的过发电。燃料电池系统在输入起动信号后(步骤102；是)，设定燃料电池的开路端电压作为与燃料电池的输出电流为零相对应的燃料电池的输出电压的初始值(步骤103)。在检测出异常时(步骤104；是)，燃料电池系统读出预先作为初始值设定的开路端电压作为与输出电流为零相对应的输出电压，进行电压控制以使燃料电池的输出电压与开路端电压一致(步骤107)。
文档编号H01M8/10GK101904038SQ20088012146
公开日2010年12月1日 申请日期2008年12月18日 优先权日2007年12月19日
发明者前中健志, 马屋原健司 申请人:丰田自动车株式会社