燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】一种燃料电池系统，其具有：燃料电池，该燃料电池通过氢气和空气中所含的氧气的电化学反应进行发电；以及压缩机，其将空气供给至燃料电池，在要求负载小于或等于规定值时执行停止燃料电池的发电的怠速停止，在怠速停止中无论要求负载如何，均对应于燃料电池的正极、负极之间的电压状态进行空气供给，其中，一边检测空气供给量一边进行怠速停止中的空气供给，如果空气供给量达到规定值则停止空气供给。
【专利说明】燃料电池系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料电池系统的空气供给控制。
【背景技术】
[0002]已知一种燃料电池车辆，其搭载燃料电池和二次电池，将上述两种电池适当地区分使用，以向行驶用电动机进行电力供给而行驶。在上述燃料电池车辆中，为了有效地利用燃料气体，例如在低负载行驶时等，有时执行停止燃料电池的发电而仅通过二次电池驱动电动机的所谓怠速停止。
[0003]但是，如果在怠速停止中持续停止向燃料电池供给空气，则燃料电池的电压降低。电压的降低量越大，在由于负载增大等而再启动燃料电池时升压至要求的电压所需的时间越长。
[0004]因此，在JP4182732B中，在怠速停止中，在燃料电池的电压降低至规定值后进行空气供给，使燃料电池的电压恢复。在每隔由定时器等预先设定的期间进行该空气供给。
【发明内容】
[0005]但是，如JP4182732B所示，在预先设定空气供给期间的结构中，无法应对由于过滤器堵塞而导致的压力损失增大等历时的变化。因此，可能发生无法流入怠速停止中的电压恢复所需的空气量的情况。
[0006]另外，当前，关于由于怠速停止而停止空气供给后的电压降低速度的波动，认为单元间的空气分配的波动是主要原因。但是， 申请人:发现下述情况，即，实际上，在空气供给量不足的情况下，电压降低速度的波动变大。
[0007]因此，在JP4182732B所示的结构中，如果空气供给量不足，则停止空气供给后的单元间的电压降低速度的波动变大。并且，在电压大幅降低后，如果对应于负载增大而再启动，则引起进一步的电压降低，特别是在诊断出电压降低速度大的单元发生过度地电压降低后，有可能进入故障安全模式。
[0008]另一方面，在JP4182732B所示的结构中，由于制造工序的波动等引起的个体差异，也可能发生供给过量的空气的情况。例如在进行控制使得不超过上限电压的情况下，为了维持上限电压，电流流动的时间变长。其结果，额外地发电，不必要地增加氢气的消耗量。另一方面，在进行控制以将怠速停止中的电流值维持为恒定的情况下，由于流入过量的空气，总电压上升，另外，高电压状态持续延长，因此，导致高电位劣化。
[0009]本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，其在怠速停止中准备再启动而进行供给空气时，能够向各单元供给适量的空气
[0010]为了实现上述目的，本发明的燃料电池系统具有:燃料电池，该燃料电池通过氢气和空气中所含的氧气的电化学反应进行发电；以及压缩机，其将空气供给至所述燃料电池，在要求负载小于或等于规定值时执行停止燃料电池的发电的怠速停止，在所述怠速停止中无论所述要求负载如何，均对应于所述燃料电池的正极、负极之间的电压状态进行空气供给，其中，一边检测空气供给量一边进行所述怠速停止中的空气供给，如果所述空气供给量达到规定值，则停止空气供给。
[0011]本发明的详细内容以及其他的特征和优点，在说明书中的以下记述中进行说明，并在附图中示出。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明的第I实施方式所涉及的系统的结构图。
[0013]图2是表示在第I实施方式的怠速停止中进行的空气供给的控制程序的流程图。
[0014]图3是检测空气供给量的结构不同的系统的结构图。
[0015]图4是空气供给时间固定的系统的、刚开始使用后的时序图。
[0016]图5是空气供给时间固定的系统的、时效老化后的时序图。
[0017]图6是用于说明进行上限电压控制的情况下的第I实施方式的效果的时序图。
[0018]图7是用于说明进行恒定电流控制的情况下的第I实施方式的效果的时序图。
[0019]图8是第2实施方式所涉及的系统结构图。
[0020]图9是第2实施方式所涉及的怠速停止中的空气供给控制的控制框图。
[0021]图10是第2实施方式的空气供给量的控制的流程图。
[0022]图11是用于决定增加校正量的表。
[0023]图12是第2实施方式所涉及的系统的结构图的另一个例子。
[0024]图13是执行了图10的控制程序的情况下的时序图。
[0025]图14是用于说明进行上限电压控制的情况下的第2实施方式的效果的时序图。
[0026]图15是用于说明进行恒定电流控制的情况下的第2实施方式的效果的时序图。
[0027]图16是第3实施方式的空气供给量的控制的流程图。
[0028]图17是第4实施方式所涉及的怠速停止中的空气供给控制的控制框图。
[0029]图18是第4实施方式的空气供给量的控制的流程图。
【具体实施方式】
[0030](第I实施方式)
[0031]图1是本发明的第I实施方式所涉及的系统的结构图。
[0032]燃料电池堆I是直流电源，具有将利用阳极2和阴极3夹持电解质膜4而成的单个单元层叠多个而成的构造。此外，在图1中仅示出单个单元。
[0033]作为燃料的氢气从氢气供给通路7供给至阳极2。作为氧化剂的空气从空气供给通路8供给至阴极3。
[0034]在氢气供给通路7中安装有未图示的压力调整阀。由此，氢气罐5内的高压氢气减压至规定的压力后，供给至阳极2。
[0035]空气通过压缩机6从空气供给通路8供给至阴极3。此外，阴极3内的空气压力通过未图示的空气压力调整阀进行控制。
[0036]压缩机6的驱动基于用于检测压缩机6的转速的转速传感器10的检测值等，通过控制器9进行控制。
[0037]控制器9由具有中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)及输入/输出接口(I/o接口)的微型计算机构成。也能够由多个微型计算机构成控制器90
[0038]另外，控制器9基于设在各单元中的电压传感器的检测值，进行燃料电池堆I的电压及单个单元的平均电压的计算、以及最低电压的确定等。此外，也可以不在各个单元中，而是在作为多个单个单元的集合的每个单元组中设置电压传感器，基于单元组电压进行燃料电池堆I的电压及单元组的平均电压的计算、以及进行最低电压的确定等。
[0039]将上述结构的燃料电池系统搭载在将电动机作为驱动源而行驶的车辆中。另外，在该车辆中除了燃料电池堆I之外，还搭载二次电池。由燃料电池堆I发电产生的电力除了用于电动机的驱动之外，还对二次电池进行充电。并且，控制器9对应于运转状态，对从燃料电池系统或二次电池向电动机的电力供给进行控制。
[0040]控制器9，在例如低负载行驶时这种要求电力低的情况下，执行暂时停止燃料电池堆I的发电而仅利用二次电池的电力驱动电动机和辅助机构部等的所谓怠速停止。怠速停止在二次电池的充电量低于规定阈值的情况下、或因加速要求等而要求电力增大的情况下结束。
[0041]在怠速停止中，停止向阴极3的空气供给，但残留在阴极3内的氧气和向阴极3透过来的氢气反应而被消耗，电池堆总电压逐渐降低。因此，怠速停止持续时间越长，在从怠速停止进行恢复时，直至电池堆总电压恢复为止所需的时间越长，与加速要求等相对应的响应延迟越大。
[0042]因此，控制器9在怠速停止中燃料电池堆I的电压降低至预先设定的规定电压后，为了恢复电压而进行向阴极3的空气供给。
[0043]图2是表示在怠速停止中控制器9执行的空气供给的控制程序的流程图。即，本控制程序以因要求负载的降低等而成为怠速停止状态为前提。此外，本控制程序以例如10毫秒左右的间隔重复执行。
[0044]在步骤S200中，控制器9判定是否执行空气供给。具体来说，如果燃料电池堆I的电压低于预先设定的空气供给开始电压，则执行空气供给，在高于的情况下不执行空气供给。在不执行空气供给的情况下结束本次程序。在执行空气供给的情况下执行步骤S210的处理。
[0045]在步骤S210中，控制器9判定空气供给累积量是否大于或等于预先设定的规定值。在大于或等于规定值的情况下，在步骤S220停止空气供给，否则结束本次程序。
[0046]控制器9使用将转速传感器10的检测值和供给时间包含在参数中的函数，计算空气供给累积量。例如，通过将转速传感器10的检测值与压缩机6的每I转的排出量相乘，从而计算每单位时间的喷出量，并将其与由控制器9测量出的供给时间相乘而求出空气供给累积量。
[0047]在此，为了进行比较，考虑通过定时器设定空气供给时间的情况。基于压缩机6的设计上的排出量(m3/min)，计算用于供给所需的空气量的时间，如果在定时器中设定了该时间，则认为无需进行本实施方式中的对空气供给累积量的计算。
[0048]但是，如果发生空气供给系统的压力损失增大等，则压缩机6的喷出量少于设计值，在定时器中设定的时间内无法提供所需的空气量。反之，如果流路阻力小于设计值，则会提供过量的空气量。[0049]对此，在本实施方式中，由此基于压缩机6的实际的转速和供给时间而计算空气供给累积量，因此，即使如压力损失的变化等而与设计发生偏差，也能够供给所需的空气量。
[0050]此外，如图3所示，也可以在空气供给通路8中设置流量计20，直接检测流量。
[0051]所谓预先设定的规定值，是指满足以下两个条件的值。第I条件是使燃料电池堆I的电压恢复至能够抑制从怠速停止恢复时的响应延迟的电压为止所需的空气量，第2条件是能够抑制单个单元间的电压降低速度的波动的空气量。
[0052]在此，对电压降低速度的波动进行说明。
[0053]在作为单个单元的层叠体的燃料电池堆I中，在单个单元之间，怠速停止开始后的电压降低速度会产生波动。如果该波动大，则电压降低速度相对较大的单个单元，其从怠速停止开始恢复时的电压大幅度降低，有可能切换为故障安全模式。因此，优选电压降低速度的波动小。
[0054]当前，认为电压降低速度的波动的大小，由单个单元间的空气供给量的波动决定。即，如果燃料电池堆I的总电压恢复至期望的电压，则虽然空气供给量少的单个单元的电压降低速度大，但从燃料电池堆I整体观察，认为空气供给量是充足的。
[0055]但是，实际上，已知下述情况，即，作为单个单元间的电压降低速度的波动的大小，与单个单元间的空气供给量的波动相比，更与作为燃料电池堆I整体的空气供给量存在相关。即，如果作为燃料电池堆I整体的空气供给量少，则单个单元间的电压降低速度的波动变大。
[0056]因此，即使燃料电池堆I的总电压恢复至期望的电压，但为了抑制单个单元间的电压降低速度的波动，必须要进一步供给空气。
[0057]因此，通过实验等设定满足上述2个条件的值。具体来说，例如设定为大于或等于全部单元的有效区域容积。所谓有效区域容积，是指将有助于各个单元的发电的反应面的面积、和与反应面接触的空气流路的高度相乘，并与单元层叠数量相对应而将其合计后的值。此外，在有效区域容积中还包含气体扩散层的空孔容积。
[0058]如上所述，如果供给大于或等于有效区域容积的空气，则会向全部单个单元供给充分量的空气，能够抑制单个单元间的电压降低速度的波动。其结果，能够减少由于特定的单个单元的电压降低而导致切换为故障安全模式的可能性。
[0059]下面，对执行了上述控制程序的情况下的效果进行说明。
[0060]图4是在生产后刚开始使用之后的状态下，以预先设定的时间tl进行怠速停止中的空气供给的结构的时序图。图5是在由于时效老化等导致系统的压力损失增大的状态下，相同结构的时序图。
[0061]平均单元电压AveCV是由控制器9基于各单个单元的单元电压检测值而计算出的、单元电压的平均值。最小单元电压MinCV同样地是由控制器9计算出的、单元电压的最小值。
[0062]如果平均单元电压AveCV降低至CV阈值，则以时间tl进行空气供给。时间tl由定时器进行计数。在图4、图5中，在定时Tl、T2、T3开始空气供给。并且，在定时T4对应于要求负载的增大而驱动压缩机6，在压缩机转速上升至与要求负载相对应的转速的定时T5，结束怠速停止。[0063]如图4所示，在刚开始使用后，平均单元电压AveCV和最小单元电压MinCV的电压降低速度的差较小。其原因在于，如果以时间tl驱动压缩机6，则按照设计的空气量供给至各单个单元，单个单元间的电压降低速度的波动小。因此，即使从怠速停止恢复而重新开始向负载的电力供给，最小单元电压MinCV也不会大幅度降低。
[0064]另一方面，如果由于时效老化等导致系统的压力损失增大，则如图5所示，即使以时间tl驱动压缩机6，但实际的空气流量少于刚开始使用之后的情况。因此，在定时器所设定的供给时间中，有可能无法供给电压恢复所需的空气量。如果空气供给量不足，则单个单元间的电压降低速度的波动变大。即，最低单元电压MinCV和平均单元电压AveCV的降低速度的差变大。
[0065]因此，在电压降低后的状态下，如果从怠速停止恢复，则由于重新开始向负载供给电力而导致进一步的电压降低，最低单元电压MinCV大幅度变小。如果存在单元电压大幅度降低的单个单元，则会通过单元的诊断装置而诊断为发生异常，有可能切换为故障安全模式。
[0066]对此，在本实施方式中，由于基于空气流量而控制怠速停止中的空气供给，因此，即使系统的压力损失增大，也能够向各个单元供给为了使电压恢复所需的空气量。
[0067]另外，以压缩机6的动作时间管理怠速停止中的空气供给的弊端，并不仅是上述的供给量不足。例如，在部件中存在尺寸波动等个体差异，由此空气流量不同。因此，即使在设计时基于电压恢复所需的空气供给量而设定出最佳供给时间，也有可能供给过量的空气。
[0068]图6是进行控制以使得燃料电池堆I的电池堆电压不超过上限值的情况下的时序图。具体来说，通过控制电流的大小，以使得电池堆电压不会超过上限值。将其称为上限电压控制。上限值设定为能够防止高电位劣化的值。图中的时间tl是在设计时为了电压恢复，基于所需的空气供给量而计算出的供给时间。
[0069]在电池堆电压降低至下限电压的定时Tl开始空气供给，在定时T2电池堆电压到达至上限电压。如果是按照设计的空气流量，则通过至定时T4为止持续空气供给，则能够供给电压恢复所需的空气流量。但是，由于部件的个体差异等原因而流入更多的空气，在定时T3电压恢复所需的空气量的供给结束，从定时T3至定时T4，供给多余的空气，而进行多余的发电。其结果，造成对氢气的不必要的消耗。另外，生成水的量也增加，导致水堵塞的可能性提闻。
[0070]对此，在本实施方式中，由于基于空气流量判断怠速停止中的空气供给结束定时，因此，在电压恢复所需的空气量的供给结束的定时，即图6的定时T3，能够停止空气供给。因此，在进行上限电压控制的情况下，不会产生消耗多余的氢气消耗、和增大由于多余的生成水导致的水堵塞的可能性的问题。
[0071]图7是将怠速停止中的电流值控制为恒定的情况下的时序图。具体来说，无论有无发电，均将电流值保持为恒定。将其称为恒定电流控制。
[0072]如果是按照设计的空气流量，则通过至定时T3为止持续空气供给，能够供给电压恢复所需的空气流量。但是，如果由于部件的个体差异等原因而流入多于设计值的空气，在定时T2电压恢复所需的空气量的供给结束，则从定时T2至定时T3，供给多余的空气。并且，如图7所示，在定时T2已经超过了高电位劣化的进展变得显著的电压的情况下，从定时T2至定时Τ3的空气供给，仅致使燃料电池堆I的高电位劣化进展。另外，由于多余的空气供给，导致压缩机6的消耗电力增大。
[0073]对此，在本实施方式中，由于基于空气流量判断怠速停止中的空气供给结束定时，因此，能够在定时Τ2停止空气供给。因此，能够抑制高电位劣化的进展。另外，能够防止压缩机6的消耗电力的增大。
[0074]根据以上所述的本实施方式，能够得到以下效果。
[0075](I)具有控制器9，其在怠速停止中无论要求负载如何，均对应于燃料电池堆I的正极、负极间的电压的状态进行空气供给，并检测所供给的空气的累积量，基于该检测值判断空气供给的结束定时。即，由于基于实际供给的空气量而判断空气供给的结束定时，因此，即使由于时效老化和产品波动等，也能够供给适量的空气。
[0076](2)由于控制器9基于将转速传感器10的检测值和供给时间包含在参数中的函数而检测供给空气累积量，因此，能够高精度地检测供给空气的累积量。
[0077](3)另外，也可以设置流量计20而检测供给空气累积量。
[0078](4)由于控制器9在怠速停止中供给的空气的累积量达到有效区域容积后结束空气供给，因此，能够保证按照设计值的空气供给量。
[0079](第2实施方式)
[0080]图8是本发明的第2实施方式所涉及的系统结构图。
[0081]在本实施方式中，如果控制器9在怠速停止中燃料电池堆I的平均电压降低至预先设定的电压V0，则为了恢复电压而进行向阴极3的空气供给。此外，也可以计算总电压，在其降低至规定电压后进行空气供给。
[0082]另外，如果向燃料电池堆I的空气供给量不足，则单个单元间的电压降低速度的波动变大，电池堆内的最低电压和平均单元电压的降低速度的差变大。即，电池堆内的残存氧气量和单元电源存在密切相关的关系。因此，控制器9基于单元电压对怠速停止中的空气供给进行控制。
[0083]图9是表示控制器9在怠速停止中执行的空气供给控制的概要的控制框图。
[0084]电压传感器11的检测值被读入至单元电压运算部21，在此，求出燃料电池堆I的平均电压以及电池堆内电压最低的单元的电压(以下，将其称为最低电压)。基于单元电压运算部21中的运算结果，在运算结果判定部22中，对由怠速停止中的空气供给引起的填充量过多、不足或适当的任一种情况进行判定。
[0085]另一方面，在空气供给量运算部24中，基于转速传感器10的检测值，运算怠速停止中的空气供给量。
[0086]并且，在供给空气量决定部23中，基于过多、不足或适当的判定结果、和空气供给量运算部24的运算结果，决定之后的空气供给量，并控制压缩机6。即，基于怠速停止中的电压判断前次的空气供给量是否适当，并对本次的空气供给量进行校正。通过图10对具体的运算等进行说明。
[0087]图10是表示在怠速停止时的空气供给停止期间中，控制器9执行的用于决定空气供给量的控制程序的流程图。本控制程序在空气供给停止期间中，燃料电池堆I的平均电压或总电压降低至空气供给开始判定用的下限值时，即刚要开始空气供给前执行。
[0088]在步骤S200、S210中，控制器9读取电压传感器11的检测值，运算燃料电池堆I的平均电压AveCV、最低电压MinCV。
[0089]在步骤S220中，控制器9判定最低电压MinCV是否大于或等于阈值Vb。阈值Vb是空气供给量是否不足的边界值。在最低电压MinCV大于或等于阈值Vb的情况下执行步骤S230的处理，在小于阈值Vb的情况下即空气供给量不足的情况下执行步骤S250的处理。
[0090]此外，在此，将最低电压MinCV和阈值Vb进行比较，但也可以在步骤S210中求出最低电压MinCV的次低的单元电压，将该第N低的电压和阈值Vb进行比较。S卩，只要是能够判定空气供给量的过多/不足的单元电压即可。对于后述的步骤S230也是同样的。
[0091]在步骤S230中，控制器9判定最低电压MinCV是否小于阈值Va。阈值Va是空气供给量是否过多的边界值。如果最低电压MinCV高于阈值Va，则执行步骤S240的处理，在小于或等于阈值Va的情况下即空气供给量过多的情况下执行步骤S260的处理。
[0092]在步骤S240中，控制器9将空气供给量维持现状。这是由于前次的空气供给量适当。
[0093]此外，在系统启动后的初次运算时，将空气供给量设定为至少大于阴极有效区域容积的值。所谓有效区域容积，是指将有助于各个单元的发电的反应面的面积和与反应面接触的空气流路的高度相乘，并与单元层叠数量相对应而将其合计后的值，还包含气体扩散层的空孔容积。如果供给大于或等于有效区域容积的空气，则向全部的单个单元供给足够量的空气，能够抑制单个单元间的电压降低速度的波动。其结果，能够减少由于特定的单个单元的电压降低而导致切换为故障安全模式的可能性。
[0094]在步骤S250中，控制器9将供给量增加。具体来说，计算判定为不足时的平均电压AveCV和最低电压MinCV的差，例如通过检索图11所示的表而设定增加比例，使用该增加比例校正前次的空气供给量。图11的纵轴表示增加比例，纵轴表示平均电压AveCV和最低电压MinCV的差。如图11所示，平均电压AveCV和最低电压MinCV的差越大，增加比例也越大。
[0095]此外，在平均电压AveCV和最低电压MinCV的差极小的区域中，增加比例为负值即减少。该区域在最低电压MinCV高于阈值Va的情况下，是在后述的步骤S260中使用的减少区域。在最低电压MinCV低于阈值Vb的情况下，不是减少区域。
[0096]在步骤S260中，控制器9将供给量减少。具体来说，例如通过检索图11所示的表而设定减少比例，使用该减少比例校正前次的空气供给量。
[0097]此外，上述控制程序，从提高控制精度的角度出发优选在刚要开始空气供给前执行，但只要是在空气供给停止期间中，在任何时间执行均可。在此情况下，阈值Va、Vb必须设定为与所执行的定时相对应的值。
[0098]另外，在步骤S250或步骤S260中进行增减校正的对象并不限定于前次供给值。例如，也可以将作为基准的供给量设定为固定值，对其进行增减校正。在此情况下，不需要转速传感器10以及空气供给量运算部24。如图12所示，可以在空气供给通路8中配置流量计31，以直接检测空气流量。
[0099]图13是执行了上述控制的情况下的时序图。
[0100]在此，在定时Tl结束前次的空气供给，至定时T2为止成为空气供给停止区间。如果停止空气供给，则单元电压开始降低，如果在定时T2平均电压AveCV成为阈值V0，则重新开始空气供给。此时，由于最低电压MinCV低于阈值Vb，因此，基于平均电压AveCV和最低电压MinCV的差，对从定时T2开始的空气供给量进行增加校正。其结果，至定时T3为止进行空气供给。
[0101]此外，前次供给量的过多/不足的判定优选在刚刚重新开始空气供给前的定时T2进行，也可以在其之前进行。但是，在定时T2之前进行的情况下，必须将阈值Va、Vb设定为与其相对应的值。
[0102]下面，对本实施方式中的通过控制空气供给量所取得的效果进行说明。
[0103]如果向燃料电池堆I的空气供给量不足，则单个单元间的电压降低速度的波动变大。即，最低电压MinCV和平均单元电压AveCV的降低速度的差变大。
[0104]因此，如果在电压降低后的状态下，从怠速停止恢复，则由于重新开始向负载的电力供给而导致进一步的电压降低，最低电压MinCV大幅度变小。如果存在单元电压大幅度降低的单个单元，则通过单元的诊断装置而诊断为发生异常，有可能切换为故障安全模式。
[0105]对此，在本实施方式中，由于基于单元电压而控制怠速停止中的空气供给量，因此，能够向各单个单元供给为了电压恢复所需的空气量，并抑制由于填充量不足导致的单元电压降低速度的波动。其结果，如图13所示，定时T3及其以后的电压降低速度的波动变小，能够防止向上述的故障安全模式的切换。
[0106]另外，通过优化怠速停止中的空气供给量，还能够实现燃料消耗性能的提高。图14是进行控制以使得燃料电池堆I的电池堆电压不超过上限值的情况下的时序图。具体来说，通过控制电流的大小，使得电池堆电压不超过上限值。将其称为上限电压控制。上限值设定为能够防止高电位劣化的值。图中的时间Tl是在设计时基于为了电压恢复所需的空气供给量而计算出的供给时间。
[0107]在电池堆电压降低至下限电压的定时Tl开始空气供给，在定时T2电池堆电压到达至上限电压。如果按照设计的空气流量，则通过至定时T4为止持续空气供给，能够供给电压恢复所需的空气流量。但是，如果由于部件的个体差异等原因而流入更多的空气，在定时T3电压恢复所需的空气量的供给结束，则从定时T3至定时T4，供给多余的空气，而进行多余的发电。其结果，造成对氢气的不必要的消耗。另外，生成水的量也增加，导致水堵塞的可能性提闻。
[0108]对此，在本实施方式中，由于基于单元电压的动作而对空气供给量过多、不足、适当的任一种情况进行判定，并基于判定结果校正空气供给量，因此，能够设定为更适当的空气供给量。因此，在进行上限电压控制的情况下，不会产生消耗多余的氢气和由于多余的生成水导致的水堵塞的可能性增大的问题。
[0109]图15是将怠速停止中的电流值控制为恒定的情况下的时序图。具体来说，无论有无发电，均将电流值保持为恒定。将其称为恒定电流控制。
[0110]如果是按照设计的空气流量，则通过至定时T3为止持续空气供给，能够供给电压恢复所需的空气流量。但是，如果由于部件的个体差异等原因而流入多于设计值的空气，在定时T2电压恢复所需的空气量的供给结束，则从定时T2至定时T3，供给多余的空气。并且，如图15所示，在定时T2已经超过了高电位劣化的进展变得显著的电压的情况下，从定时T2至定时T3的空气供给，仅致使燃料电池堆I的高电位劣化进展。另外，由于多余的空气供给,导致压缩机6的消耗电力增大。
[0111]对此，在本实施方式中，由于基于单元电压的动作而对空气供给量过多、不足、适当的任一种情况进行判定，并基于判定结果校正空气供给量，因此，能够成为更适当的空气供给量。因此，能够抑制高电位劣化的进展。另外，能够防止压缩机6的消耗电力的增大。
[0112]另外，在本实施方式中，由于对基于压缩机6的转速而计算出的空气供给量或通过流量计31实际测量出的空气供给量进行增减校正，因此，能够以更高精度对怠速停止中的空气供给量进行控制。
[0113]另外，由于为了推定电池堆内的状态而使用与电池堆内的残存氧含量密切相关的单元电压，因此，能够以高精度进行推定。并且，由于基于该推定结果而调整增加量或减少量，因此，能够对空气供给量进行更适当的控制。
[0114](第3实施方式)
[0115]本实施方式的系统的结构以及基本的控制程序，与第2实施方式相同，仅对怠速停止中的空气供给量的过多/不足进行判定的方法不同。因此，对该不同点进行说明。
[0116]图16是表示在本实施方式中，控制器9执行的用于决定空气供给量的控制程序的流程图。
[0117]在步骤S300中，控制器9读取电压传感器11的检测值.[0118]在步骤S310中，控制器9运算最低电压MinCV的电压降低速度Λ CV。此外，使电压降低速度ACV为速度的绝对值。即，电压降低速度Λ CV的值越大，电压降低得越快。
[0119]在步骤S320中，控制器9判定电压降低速度ACV是否小于或等于阈值Vb。阈值Vb是空气供给量是否不足的边界值。在电压降低速度ACV小于或等于阈值Vb的情况下执行步骤S330的处理，在大于阈值Vb的情况下，即空气供给量不足的情况下执行步骤S350的处理。
[0120]在步骤S330中，控制器9判定电压降低速度ACV是否大于阈值Va。阈值Va是空气供给量是否过多的边界值。如果电压降低速度ACV大于阈值Va，则执行步骤S340的处理，在电压降低速度Λ CV小于或等于阈值Va的情况下，即空气供给量过多的情况下执行步骤S360的处理。
[0121]步骤S340至S360由于与图10的步骤S240至S260相同，因此省略说明。
[0122]如以上说明所示，根据本实施方式，与第2实施方式相同地，能够适当地控制怠速
停止中的空气供给量。
[0123]此外，也可以取代电压降低速度Λ CV，而使用平均电压AveCV和最低电压MinCV的偏差的大小。在该情况下，如果偏差大于不足判定用的阈值，则使供给量增加，如果偏差小于过多判定用的阈值，则使供给量减少，如果处于量阈值之间，则维持现状。
[0124](第4实施方式)
[0125]本实施方式的基本结构与第2实施方式相同，不同之处在于成为对怠速停止中的全部空气供给量进行存储的结构。
[0126]图17是表示本实施 方式中的通过控制器9进行的怠速停止中的空气供给控制的概要的控制框图。如图17所示，具有供给量存储部40，其在通过供给空气量决定部23决定空气供给量后，对该空气供给量进行存储。在第2实施方式中，由供给空气量决定部23设定的空气供给量仅被保持至下一次运算时为止，但在本实施方式中，供给量存储部40至少存储上上次和前次的空气供给量。
[0127]图18是表示在本实施方式中，由控制器9执行的用于决定空气供给量的控制程序的流程图。
[0128]在步骤S400、S410中，控制器9读取电压传感器11的检测值，运算平均电压AveCV、最低电压MinCV。
[0129]在步骤S420中，控制器9判定最低电压MinCV是否小于或等于阈值Vb。阈值Vb是空气供给量是否不足的边界值。在最低电压MinCV小于或等于阈值Vb的情况下，即空气供给量不足的情况下执行步骤S430的处理，在大于阈值Vb的情况下执行步骤S470的处理。
[0130]在步骤S430中，控制器9向不足计数器Cdown加1，并将过多计数器Cup置为O。[0131 ] 在步骤S440中，控制器9判定不足计数器Cdown是否大于I。在大于的情况下，执行步骤S450的处理，在小于的情况下执行步骤S460的处理。
[0132]在步骤S450中，控制器9与图10的步骤S250相同地，针对前次供给量进行增加校正。将其用算式表示，如下式(I)所示。增加量α是可变值，与第2实施方式相同地设定。
[0133]Q(i) = Q(1- 1) + α...(I)
[0134]Q(i):第i次的空气供给中的空气供给量，α:增加量
[0135]在步骤S460中，控制器9与步骤S450相同地，对空气供给量进行增加校正。但是，设定增加量α，以使得本次的空气供给量大于或等于前次的空气供给量且小于或等于上上次的空气供给量。步骤S460的处理是在下述情况下进行的，即，由于空气供给量过多而对空气供给量进行减少校正的结果导致空气供给量转为不足。即，上上次的空气供给量不足，但前次的空气供给量过多。因此，设定增加量α，如上所述，以使得空气供给量大于或等于前次且小于或等于上上次。
[0136]在步骤S470中，控制器9判定最低电压MinCV是否大于阈值Va。在大于的情况下执行步骤S480的处理，在小于的情况下执行步骤S520的处理。
[0137]在步骤S480中，控制器9将不足计数器Cdown置为0，并向过多计数器Cup加I。
[0138]在步骤S490中，控制器9判定过多计数器Cup是否大于1，在大于的情况下，执行步骤S500的处理，在小于的情况下执行步骤S510的处理。
[0139]在步骤S500中，控制器9与图10的步骤S260相同地，针对前次供给量进行减少校正。将其用算式表示，如下式(2)所示。减少量β是可变值，与第2实施方式相同地设定。
[0140]Q(i) = Q(i — I) 一 β...(2)
[0141]Q(i):第i次的空气供给的空气供给量，β:减少增加量
[0142]在步骤S510中，控制器9与步骤S500相同地，对空气供给量进行减少校正。但是，设定减少量β，以使得本次的空气供给量大于或等于上上次的空气供给量且小于或等于前次的空气供给量。步骤S510的处理是在下述情况下进行的，即，由于空气供给量不足而对空气供给量进行增加校正的结果导致空气供给量转为过多。即，上上次的空气供给量不足，但前次的空气供给量过多。因此，设定减少量β，如上所述，以使得空气供给量大于或等于上上次且小于或等于前次。
[0143]在步骤S520中，控制器9将空气供给量维持现状。并且，在步骤S530中，控制器9将不足计数器Cdown、过多计数器Cup均置为O。[0144]如上所述，在本控制程序中，在最低电压MinCV低于阈值Vb的情况下，重复增加校正直至超过阈值Va为止，在超过后对前次的空气供给量进行减少。另一方面，在最低电压MinCV超过阈值Va的情况下，重复减少校正直至低于阈值Vb为止，在低于后对前次的空气供给量进行增加。
[0145]由此，重复怠速停止中的空气供给，使空气供给量接近最佳值。
[0146]此外，通过本控制程序设定的空气供给量，存储在供给量存储部40的非易失性存储部40a中。即，即使结束本次的车辆运转，也存储通过本控制程序进行了增减少校正后的空气供给量。并且，在下次车辆运转时，使用预先存储的空气供给量。由此，在下次车辆运转时，能够从最初开始使用在本次的车辆运转中接近最佳值的空气供给量。
[0147]另外，在本实施方式中，在运算结果判定部22中对怠速停止中的空气供给的填充量过多、不足或适当的任一种情况进行了判定，但也可以仅判定怠速停止中的空气供给的填充量是否过多，或者也可以仅判定怠速停止中的空气供给的填充量是否不足。
[0148]以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只不过表示本发明的应用例的一部分，不能将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。
[0149]本申请基于2011年11月10日向日本特许厅申请的特愿2011 — 246626号及特愿2011 - 246628号主张优先权，该申请的全部内容通过参照而引入本说明书。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统，其具有: 燃料电池，该燃料电池通过氢气和空气中所含的氧气的电化学反应进行发电；以及 压缩机，其将空气供给至所述燃料电池， 在要求负载小于或等于规定值时执行停止燃料电池的发电的怠速停止，在所述怠速停止中无论所述要求负载如何，均对应于所述燃料电池的正极、负极之间的电压状态进行空气供给， 其中，一边检测空气供给量一边进行所述怠速停止中的空气供给，如果所述空气供给量达到规定值，则停止空气供给。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其具有: 供给空气累积量检测单元，其检测供给至所述燃料电池的空气的累积量；以及结束判定单元，其基于所述供给空气累积量检测单元的检测值，判断所述怠速停止中的空气供给的结束定时。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其具有: 转速传感器，其检测所述压缩机的转速；以及 空气供给时间检测单元，其检测空气供给时间， 所述供给空气累积量检测单元，基于将所述转速传感器的检测值和所述空气供给时间检测单元包含在参数中的函数，检测供给至燃料电池的空气的累积量。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其具有: 流量计，其在从所述压缩机至所述燃料电池为止的流路中检测空气流量， 所述供给空气累积量检测单元，基于所述流量计的检测值，检测供给至燃料电池的空气的累积量。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述结束判定单元，在所述怠速停止中供给至燃料电池的空气的累积量达到有效区域容积后，结束所述怠速停止中的空气供给，其中，有效区域容积是与构成燃料电池的单元层叠体进行发电的有效区域相面对的空气流路的容积、和所述有效区域的气体扩散层的空孔容积之和。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其具有: 电压检测部，其检测单元电压或单元组电压； 单元电压运算部，其基于所述电压检测部的检测结果，运算电压状态； 运算结果判定部，其基于所述单元电压运算部的运算结果，对在怠速停止中间歇供给至阴极的空气供给量的前次值是否过多或不足进行判定；以及 供给空气量决定部，其对应于所述运算结果判定部的判定结果，相对于预先设定的固定值或前次供给量而决定对所述空气供给量进行减少或增加。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其具有: 空气供给量运算部，其通过运算而求出所述前次供给量。
8.根据权利要求6所述的燃料电池系统， 其具有直接测量所述前次供给量的单元。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述单元电压运算部计算对应于空气供给停止中的电压变动而变化的判定值，所述运算结果判定部，通过将预先设定的阈值和所述判定值进行比较，对所述固定值或所述前次供给量过多、不足或适当的任一种情况进行判定， 所述供给空气量决定部在判定为不足的情况下，相对于所述固定值或所述前次供给量而决定对所述空气供给量进行增加。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述单元电压运算部计算对应于空气供给停止中的电压变动而变化的判定值， 所述运算结果判定部，通过将预先设定的阈值和所述判定值进行比较，对所述固定值或所述前次供给量过多、不足或适当的任一种情况进行判定， 所述供给空气量决定部在判定为过多的情况下，相对于所述固定值或所述前次供给量而决定对所述空气供给量进行减少。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述供给空气量决定部对应于所述运算结果判定部的判定结果，使相对于所述固定值或所述前次供给量的增加量或减少量变化。
12.根据权利要求9或11所述的燃料电池系统，其中， 所述供给空气量决定部，在相对于所述固定值或所述前次供给量而对所述空气供给量进行增加的情况下，所述阈值和所述判定值的背离越大，增加量越大。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的燃料电池系统，其具有: 存储部，其对在怠速停止中进行的空气供给的至少上上次供给量以及前次供给量进行存储。
14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中， 所述供给空气量决定部，在所述运算结果判定部判定为不足的情况下，反复进行空气供给量的增加直至判定结果变为过多或适当为止。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中， 所述供给空气决定部，在所述判定结果从不足转为过多的情况下，相对于前次供给量对空气供给量进行减少，并将减少后的空气供给量设定为多于上上次供给量。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述供给空气量决定部在所述运算结果判定部判定为过多的情况下，反复进行空气供给量的减少直至判定结果变为不足或适当为止。
17.根据权利要求16所述的燃料电池系统，其中， 所述供给空气量决定部，在所述判定结果从过多转为不足的情况下，相对于前次供给量对空气供给量进行增加，并将增加后的空气供给量设定为少于上上次供给量。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述存储部具有非易失性存储部，在所述非易失性存储部中存储空气供给量，所述供给空气决定部在下次运转时使用存储在所述非易失性存储部中的空气供给量。
19.根据权利要求6至18中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述供给空气量决定部，使系统制造后的初次运转时的最初的怠速停止中的空气供给量大于有效区域容积，其中，有效区域容积是与构成燃料电池的单元层叠体进行发电的有效区域相面对的空气流路的容积、和所述有效区域的气体扩散层的空孔容积之和。
【文档编号】H01M8/04GK103918116SQ201280054861
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年11月1日 优先权日:2011年11月10日
【发明者】佐藤雅士, 熊田光德, 牧野真一 申请人:日产自动车株式会社