專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，其推測燃料電池的輸出特性來控制電池運轉(zhuǎn)。
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)是如下的能量變換系統(tǒng)將燃料氣體及氧化氣體供給至膜_電極接 合體，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能變換為電能。其中，將固體高分子膜作為電解質(zhì)使用的固 體高分子電解質(zhì)型燃料電池成本低且易緊湊化，并且具有較高的輸出密度，因此期待其作 為車載電源系統(tǒng)的用途。燃料電池的輸出特性(電流-電壓特性)并不固定，因電池組溫度、反應(yīng)氣體的流 量、壓力、溫度、進而由高分子電解質(zhì)膜的水分變化引起的內(nèi)部電阻的變動等而總是變動。 另外，可知該輸出特性除了根據(jù)燃料電池的運轉(zhuǎn)狀態(tài)是否為過度狀態(tài)或者是否為穩(wěn)定狀態(tài) 而變動，還因時效老化等大幅變動。根據(jù)這樣的情況，為了適當?shù)剡\轉(zhuǎn)控制燃料電池，需要 把握每一時刻變動的輸出特性。在日本特開2004-241272號公報中公開了根據(jù)燃料電池的 輸出電流及輸出電壓來推測燃料電池的輸出特性并控制電池運轉(zhuǎn)的方法。專利文獻1 日本特開2004-241272號公報然而，在燃料電池系統(tǒng)中，存在如下構(gòu)成的情況在起動時實施初始檢查(氫罐有 無閥故障等)，在檢測出異常時，實施異常結(jié)束處理。在該異常結(jié)束處理中，燃料電池系統(tǒng)控 制燃料電池的輸出電壓以使燃料電池的輸出電流為零。但是，在電池運轉(zhuǎn)還沒有開始的階段的初始檢查中檢測出異常的情況下，由于處 于還沒有推測燃料電池的輸出特性的狀態(tài)，因此燃料電池的輸出電流為零時的燃料電池的 輸出電壓仍為初始值零。因此，燃料電池系統(tǒng)在異常處理時進行控制以使燃料電池的輸出 電壓為下限電壓。這樣，燃料電池的輸出電流不為零，產(chǎn)生過發(fā)電，因此不能適當?shù)貙嵤┊?br> 常處理。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提出一種燃料電池系統(tǒng)，其能夠防止異常發(fā)生時的燃料電池的過發(fā)
^^ o為了解決上述問題，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具備燃料電池，接受反應(yīng)氣體的供給 而進行發(fā)電；推測裝置，推測燃料電池的輸出特性；控制裝置，根據(jù)推測裝置推測出的輸出 特性來控制燃料電池的運轉(zhuǎn)；及初始值設(shè)定裝置，設(shè)定燃料電池的開路端電壓作為與燃料 電池的輸出電流為零相對應(yīng)的燃料電池的輸出電壓的初始值?？刂蒲b置在燃料電池的運轉(zhuǎn) 前檢測出異常時，讀取初始值而將燃料電池的輸出電壓設(shè)定為開路端電壓。由于預(yù)先設(shè)定 燃料電池的開路端電壓作為與燃料電池的輸出電流為零相對應(yīng)的燃料電池的輸出電壓的 初始值，因此能夠防止異常發(fā)電時的燃料電池的過發(fā)電。優(yōu)選在燃料電池的運轉(zhuǎn)前設(shè)定與 燃料電池的輸出電流為零相對應(yīng)的燃料電池的輸出電壓的初始值。根據(jù)本發(fā)明，能夠防止異常發(fā)生時的燃料電池的過發(fā)電。


圖1是本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成圖。圖2是表示本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)控制處理的流程圖。標號說明10…燃料電池系統(tǒng)、20…燃料電池組、30…氧化氣體供給系統(tǒng)、40…燃料氣體供給 系統(tǒng)、50…電力系統(tǒng)、60…控制器
具體實施例方式以下，參照各圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。圖1是表示作為燃料電池車輛的車載電源系統(tǒng)起作用的燃料電池系統(tǒng)10的系統(tǒng) 構(gòu)成。燃料電池10作為搭載于燃料電池車輛上的車載電源系統(tǒng)起作用，具備接受反應(yīng) 氣體(燃料氣體、氧化氣體)的供給而發(fā)電的燃料電池組20 ；用于將作為燃料氣體的空氣 供給到燃料電池組20的氧化氣體供給系統(tǒng)30 ；用于將作為燃料氣體的氫氣供給到燃料電 池組20的燃料氣體供給系統(tǒng)40 ；用于控制電力的充放電的電力系統(tǒng)50 ；及整體地集中控 制燃料電池系統(tǒng)10的控制器60。燃料電池組20是串聯(lián)地層積多個單體電池而構(gòu)成的固體高分子電解質(zhì)型單體電 池組。在燃料電池組20中，在陽極產(chǎn)生⑴式的氧化反應(yīng)，在陰極產(chǎn)生⑵式的還原反應(yīng)。 作為燃料電池組20整體產(chǎn)生(3)式的起電反應(yīng)。H2 — 2H++2e、..(1)(1/2) 02+2H++2e" — H20... (2)H2+(l/2)02 — H20 ...(3)在燃料電池組20上安裝有用于檢測燃料電池組20的輸出電壓的電壓傳感器71 及用于檢測輸出電流的電流傳感器72。氧化氣體供給系統(tǒng)30具有向燃料電池組20的陰極供給的氧化氣體流經(jīng)的氧化 氣體通路33 ；及從燃料電池組20排出的氧化廢氣流經(jīng)的氧化廢氣通路34。在氧化氣體通 路33上設(shè)置有經(jīng)由過濾器31而從大氣中取入氧化氣體的空氣壓縮機32 ；用于對由空氣壓 縮機32加壓的氧化氣體進行加濕的加濕器35 ；及用于阻斷向燃料電池組20的氧化氣體供 給的阻斷閥A1。在氧化廢氣通路34上設(shè)置有用于阻斷從燃料電池組20的氧化廢氣的排 出的阻斷閥A2 ；用于調(diào)整氧化氣體供給壓力的背壓調(diào)整閥A3 ；及用于在氧化氣體(干氣) 和氧化廢氣(濕氣)之間進行水分交換的加濕器35。燃料電池供給系統(tǒng)40具有燃料氣體供給源41 ；從燃料氣體供給源41向燃料電 池組20的陽極供給的燃料氣體流經(jīng)的燃料氣體通路43 ；使從燃料電池組20排出的燃料廢 氣返回到燃料氣體通路43的循環(huán)通路44 ；將循環(huán)通路44內(nèi)的燃料廢氣壓送至燃料氣體通 路43的循環(huán)泵45 ；及與循環(huán)通路44分支連接的排氣排水通路46。燃料氣體供給源41例如由高壓氫罐和貯氫合金等構(gòu)成，貯存高壓(例如35MPa至 70MPa)的氫氣。打開阻斷閥HI后，燃料氣體從燃料氣體供給源41向燃料氣體通路43流 出。燃料氣體通過調(diào)節(jié)器H2和噴射器42例如減壓到200kPa左右而被供給到燃料電池組
420。燃料氣體供給源41也可以由如下結(jié)構(gòu)構(gòu)成改性器，從烴類的燃料生成富氫的改 性氣體；及高壓氣體罐，使在該改性器生成的改性氣體為高壓狀態(tài)而蓄壓。在燃料氣體通路43上設(shè)置有阻斷閥HI，用于阻斷或允許來自燃料氣體供給源41 的燃料氣體的供給；調(diào)節(jié)器H2，調(diào)整燃料氣體的壓力；噴射器42，控制向燃料電池組20的 燃料氣體供給量；及阻斷閥H3，阻斷向燃料電池組20的燃料氣體供給。在循環(huán)通路44上連接有用于阻斷從燃料電池組20的燃料廢氣的排出的阻斷閥H4 和從循環(huán)通路44分支的排氣排水通路46。在排氣排水通路46上設(shè)置有排氣排水閥H5。排 氣排水閥H5利用來自控制器60的指令動作，將循環(huán)通路44內(nèi)的包含雜質(zhì)的燃料廢氣和水 分排出至外部。通過排氣排水閥H5的開閥，循環(huán)通路44內(nèi)的燃料廢氣中的雜質(zhì)濃度下降， 可以使在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的燃料廢氣中的氫濃度上升。經(jīng)由排氣排水閥H5排出的燃料廢氣與流過氧化廢氣通路34的氧化廢氣混合，通 過稀釋器(未圖示)被稀釋。循環(huán)泵45利用電動機驅(qū)動將循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的燃料廢氣循環(huán)供 給至燃料電池組20。電力系統(tǒng)50具備DC/DC轉(zhuǎn)換器51、蓄電池52、牽引變換器53、牽引電動機54、及 輔機類55。燃料電池系統(tǒng)10作為DC/DC轉(zhuǎn)換器51和牽引變換器53并聯(lián)連接在燃料電池 組20上的并聯(lián)混合動力系統(tǒng)而構(gòu)成。DC/DC轉(zhuǎn)換器51具有使從蓄電池52供給的直流電 壓升壓而向牽引變換器53輸出的功能；和使燃料電池組20發(fā)電的直流電力、或牽引電動機 54利用再生制動回收的再生電力降壓而向蓄電池52充電的功能。利用DC/DC轉(zhuǎn)換器51的 這些功能來控制蓄電池52的充放電。另外，利用由DC/DC轉(zhuǎn)換器51進行的電壓變換控制 來控制燃料電池組20的運轉(zhuǎn)要素(輸出電壓、輸出電流)。蓄電池52作為剩余電力的貯藏源、再生制動時的再生能量貯藏源、伴隨著燃料電 池車輛的加速或減速的負載變動時的能量緩沖器起作用。作為蓄電池52，例如優(yōu)選鎳鎘蓄 電池、鎳氫蓄電池、鋰離子二次電池等的二次電池。牽引變換器53是例如用脈沖寬度調(diào)制方式驅(qū)動的PWM變換器，根據(jù)來自控制器60 的控制指令將從燃料電池組20或蓄電池52輸出的直流電壓變換為三相交流電壓，控制牽 引電動機54的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。牽引電動機54例如是三相交流電動機，構(gòu)成燃料電池車輛的動 力源。輔機類55是配置在燃料電池系統(tǒng)10內(nèi)的各部的各電動機(例如泵類等的動力 源)、用于驅(qū)動這些電動機的變換器類、進而各種車載輔機類(例如空氣壓縮機、噴射器、冷 卻水循環(huán)泵、散熱器等)的總稱?？刂破?0是具備CPU、ROM、RAM及輸入輸出接口的計算機系統(tǒng)，控制燃料電池系 統(tǒng)10的各部。例如，控制器60接收從點火開關(guān)輸出的起動信號IG后，開始燃料電池系統(tǒng) 10的運轉(zhuǎn)，根據(jù)從油門傳感器輸出的油門開度信號ACC和從車速傳感器輸出的車速信號VC 等，求出系統(tǒng)整體的要求電力。系統(tǒng)整體的要求電力是車輛行駛電力和輔機電力的合計值。在此，輔機電力包括車載輔機類(加濕器、空氣壓縮機、氫泵、及冷卻水循環(huán)泵等) 所消耗的電力、車輛行駛所需裝置(變速機、車輪控制裝置、操縱裝置及懸架裝置等)所消 耗的電力、配置在乘員空間內(nèi)的裝置(空調(diào)裝置、照明設(shè)備及音響等)所消耗的電力等。并且，控制器60決定燃料電池組20和蓄電池52各自的輸出電力的分配，根據(jù)燃
5料電池組20的輸出特性映射(I-V特性映射)80控制氧化氣體供給系統(tǒng)30及燃料氣體供 給系統(tǒng)40以使燃料電池組20的發(fā)電量與目標電力一致，并且通過控制DC/DC轉(zhuǎn)換器51而 調(diào)整燃料電池組20的輸出電壓來控制燃料電池組20的運轉(zhuǎn)要素(輸出電壓、輸出電流)。 進而，控制器60為了獲得與油門開度相對應(yīng)的目標轉(zhuǎn)矩，例如作為開關(guān)指令將U相、V相、 及W相的各交流電壓指令值輸出到牽引變換器53，控制牽引電動機54的輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速。圖2是表示燃料電池系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn)控制處理的流程圖?？刂破?0首先處于待機模式(步驟101)。該待機模式在起動信號IG關(guān)閉期間繼 續(xù)(步驟102;否)。另一方面，當起動信號IG為開時(步驟102;是)，控制器60設(shè)定燃料 電池組20的輸出特性映射80的初始值(步驟103)。在該初始值設(shè)定中，作為與燃料電池 組20的輸出電流為零相對應(yīng)的輸出電壓，設(shè)定開路端電壓(OCV)。接著，控制器60實施初始檢查，檢查有無異常(步驟104)。作為初始檢查的檢查 項目，例如可以舉出燃料電池供給系統(tǒng)40的氫泄漏和阻斷閥Hl有無故障等會影響安全進 行電池運轉(zhuǎn)的情況。在初始檢查中沒有檢測出異常的情況下(步驟104;否)，控制器60轉(zhuǎn) 換到通常運轉(zhuǎn)模式(步驟105)。在通常運轉(zhuǎn)模式中，控制器60按照規(guī)定的計算周期取得燃 料電池組20的輸出電流及輸出電壓，并依次更新燃料電池組20的輸出特性映射80。例如， 假設(shè)燃料電池組20的電壓可以作為電流的函數(shù)(一次函數(shù)或規(guī)定的多次函數(shù))來表示，控 制器60可以使用基于最小二乘法的推測方法來制成輸出特性映射80。控制器60基于這樣獲得的輸出特性映射80來控制燃料電池組20的運轉(zhuǎn)。通常 運轉(zhuǎn)模式以起動信號IG為開的情況為條件(步驟106;否)而繼續(xù)。另外，輸出特性映射 80在通常運轉(zhuǎn)模式期間，按照規(guī)定的計算周期進行更新并繼續(xù)。另一方面，起動信號IG為關(guān)時(步驟106 ；是)，控制器60從輸出特性映射80讀 出與燃料電池組20的輸出電流為零相對應(yīng)的電壓V。，向DC/DC轉(zhuǎn)換器51輸出控制指令以 使燃料電池組20的輸出電壓與電壓Vtl —致(步驟107)。另外，在初始檢查中，在檢測出異常的情況下(步驟104 ；是)，控制器60讀出預(yù)先 設(shè)定的初始值作為與輸出電流為零相對應(yīng)的輸出電壓，向DC/DC轉(zhuǎn)換器51輸出控制指令以 使燃料電池組20的輸出電壓與開路端電壓一致(步驟107)。燃料電池系統(tǒng)10經(jīng)過以上的 處理停止電池運轉(zhuǎn)。根據(jù)本實施方式，在電池運轉(zhuǎn)開始前預(yù)先設(shè)定燃料電池組20的開路端電壓來作 為與燃料電池組20的輸出電流為零相對應(yīng)的燃料電池組20的輸出電壓的初始值，因此能 夠防止異常發(fā)生時的燃料電池組20的過發(fā)電。
權(quán)利要求
一種燃料電池系統(tǒng)，具備燃料電池，接受反應(yīng)氣體的供給而進行發(fā)電；推測裝置，推測所述燃料電池的輸出特性；控制裝置，根據(jù)所述推測裝置推測出的所述輸出特性來控制所述燃料電池的運轉(zhuǎn)；及初始值設(shè)定裝置，設(shè)定所述燃料電池的開路端電壓作為與所述燃料電池的輸出電流為零相對應(yīng)的所述燃料電池的輸出電壓的初始值，當所述控制裝置在所述燃料電池的運轉(zhuǎn)前檢測出異常時，讀取所述初始值而將所述燃料電池的輸出電壓設(shè)定為開路端電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述初始值設(shè)定裝置在所述燃料電池的運轉(zhuǎn)前設(shè)定所述初始值。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，防止異常發(fā)生時的燃料電池的過發(fā)電。燃料電池系統(tǒng)在輸入起動信號后(步驟102；是)，設(shè)定燃料電池的開路端電壓作為與燃料電池的輸出電流為零相對應(yīng)的燃料電池的輸出電壓的初始值(步驟103)。在檢測出異常時(步驟104；是)，燃料電池系統(tǒng)讀出預(yù)先作為初始值設(shè)定的開路端電壓作為與輸出電流為零相對應(yīng)的輸出電壓，進行電壓控制以使燃料電池的輸出電壓與開路端電壓一致(步驟107)。
文檔編號H01M8/10GK101904038SQ20088012146
公開日2010年12月1日 申請日期2008年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者前中健志, 馬屋原健司 申請人:豐田自動車株式會社