燃料電池系統(tǒng)及燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制方法，尤其是涉及從間歇運(yùn)轉(zhuǎn)或預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)向通常運(yùn)轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是通過(guò)電化學(xué)工藝使燃料氧化，由此將伴隨著氧化反應(yīng)放出的能量直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，具有將多個(gè)膜電極接合體(單電池)層疊而成的堆疊結(jié)構(gòu)，該膜電極接合體通過(guò)由多孔材料構(gòu)成的一對(duì)電極夾持用于選擇性地輸送氫離子的電解質(zhì)膜的兩側(cè)面而成。
[0003]在對(duì)這種燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為了提高燃料電池組的發(fā)電效率，以使燃料電池組的動(dòng)作點(diǎn)在圖4所示那樣的電流-電壓的特性線(所謂IV特性線)Lal上移動(dòng)的方式控制燃料電池組的發(fā)電。另一方面，在使燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行間歇運(yùn)轉(zhuǎn)或預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，以使燃料電池組的動(dòng)作點(diǎn)在從IV特性線Lal偏離的區(qū)域(參照?qǐng)D4所示的間歇運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域Aim、預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域Awp)移動(dòng)的方式控制燃料電池組的發(fā)電。需要說(shuō)明的是，預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)是在低溫起動(dòng)時(shí)(例如，冰點(diǎn)下起動(dòng)時(shí))，與通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相比縮減空氣化學(xué)計(jì)量比，由此特意降低發(fā)電效率，相應(yīng)地增加燃料電池組的發(fā)熱量的運(yùn)轉(zhuǎn)。另一方面，間歇運(yùn)轉(zhuǎn)是在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)(例如，怠速中或擁堵行駛中等)，使向燃料電池組的氧化氣體及燃料氣體的供給暫時(shí)停止的運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0004]作為與之關(guān)聯(lián)的技術(shù)，例如在下述專利文獻(xiàn)I中公開(kāi)了如下的控制方法:在從發(fā)電效率低的運(yùn)轉(zhuǎn)(間歇運(yùn)轉(zhuǎn))向發(fā)電效率高的運(yùn)轉(zhuǎn)(通常運(yùn)轉(zhuǎn))的恢復(fù)中，為了確保燃料電池組的輸出響應(yīng)性能，在間歇運(yùn)轉(zhuǎn)中，少量且連續(xù)地供給氧化氣體，在要求電力超過(guò)了規(guī)定值的情況下，切換成通常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在對(duì)燃料電池組進(jìn)行間歇運(yùn)轉(zhuǎn)期間，能夠抑制燃料電池組的輸出電壓超過(guò)開(kāi)放端電壓的問(wèn)題(換言之，進(jìn)行高電位回避控制)。
[0005]【在先技術(shù)文獻(xiàn)】
[0006]【專利文獻(xiàn)】
[0007]【專利文獻(xiàn)I】日本特開(kāi)2010-244937號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]【發(fā)明要解決的課題】
[0009]然而，在上述現(xiàn)有技術(shù)中，被指出當(dāng)按照發(fā)電要求而過(guò)度提升電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生燃料電池組的輸出電壓無(wú)法恢復(fù)這樣的問(wèn)題，反之，若為了等待燃料電池組的輸出電壓的上升而不提升輸出電流，則電力響應(yīng)性下降這樣的問(wèn)題。
[0010]本發(fā)明鑒于以上說(shuō)明的情況而作出，目的在于提供一種在從間歇運(yùn)轉(zhuǎn)或預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)等發(fā)電效率低的運(yùn)轉(zhuǎn)向通常運(yùn)轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)的燃料電池系統(tǒng)中，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃料電池的輸出電壓的恢復(fù)和電力響應(yīng)性的提高的技術(shù)。
[0011]【用于解決課題的方案】
[0012]為了解決上述的問(wèn)題，本發(fā)明的一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制方法是從發(fā)電效率比通常運(yùn)轉(zhuǎn)低的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)向通常運(yùn)轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括:第一步驟，在燃料電池的測(cè)定電壓超過(guò)了燃料電池的下限電壓的情況下，將燃料電池的輸出電流提高至設(shè)定的容許電流;及第二步驟，在提高了輸出電流之后，將下限電壓更新為測(cè)定電壓，反復(fù)進(jìn)行第一步驟和第二步驟，直至測(cè)定電壓達(dá)到設(shè)定的極限電壓。
[0013]在此，在上述結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選的是，還包括如下的第三步驟:在測(cè)定電壓未超過(guò)所述下限電壓的情況下降低輸出電流，而且，還優(yōu)選的是，容許電流基于向燃料電池供給的氧化氣體供給量和空氣化學(xué)計(jì)量比來(lái)設(shè)定。需要說(shuō)明的是，上述結(jié)構(gòu)中的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)可以是間歇運(yùn)轉(zhuǎn)或預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)中的任一個(gè)。
[0014]而且，本發(fā)明的另一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)能夠在發(fā)電效率比通常運(yùn)轉(zhuǎn)低的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)與通常運(yùn)轉(zhuǎn)之間進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)切換，其特征在于，具備:電流控制部，在燃料電池的測(cè)定電壓超過(guò)了燃料電池的下限電壓的情況下，將燃料電池的輸出電流提高至設(shè)定的容許電流;電壓更新部，在輸出電流被提高之后，將下限電壓更新為測(cè)定電壓;及控制部，反復(fù)執(zhí)行由電流控制部進(jìn)行的提高輸出電流的動(dòng)作和由電壓更新部進(jìn)行的將下限電壓更新為測(cè)定電壓的動(dòng)作，直至測(cè)定電壓達(dá)到設(shè)定的極限電壓。
[0015]【發(fā)明效果】
[0016]如以上說(shuō)明那樣，根據(jù)本發(fā)明，在從間歇運(yùn)轉(zhuǎn)或預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)等發(fā)電效率低的運(yùn)轉(zhuǎn)向通常運(yùn)轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)的燃料電池系統(tǒng)中，能夠避免電流限制等各種限制，并使?jié)M足要求發(fā)電量?jī)?yōu)先而決定燃料電池的動(dòng)作點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是表示本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)的圖。
[0018]圖2是表示從間歇運(yùn)轉(zhuǎn)向通常運(yùn)轉(zhuǎn)恢復(fù)的情況的運(yùn)轉(zhuǎn)控制工藝的流程圖。
[0019]圖3是表示加速器開(kāi)度信號(hào)ACC、運(yùn)轉(zhuǎn)模式0m、FC電壓Vfc、空氣流量Fa、FC電流Ifc的關(guān)系的時(shí)間圖。
[0020]圖4是表示以往的燃料電池系統(tǒng)中的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作點(diǎn)的變化的概念圖。
[0021]【符號(hào)說(shuō)明】
[0022 ] 1…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...冷卻系統(tǒng)，70...控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下，參照附圖，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0024]A.本實(shí)施方式
[0025]A-1.結(jié)構(gòu)
[0026]圖1是搭載有本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10的車輛的概略結(jié)構(gòu)。需要說(shuō)明的是，在以下的說(shuō)明中，設(shè)想燃料電池汽車(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)作為車輛的一例，但是不僅是車輛，也可以應(yīng)用于各種移動(dòng)體(例如，船舶、飛機(jī)、機(jī)器人等)或固定型電源、以及便攜型的燃料電池系統(tǒng)。
[0027]燃料電池系統(tǒng)10是在發(fā)電效率比通常運(yùn)轉(zhuǎn)低的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)與通常運(yùn)轉(zhuǎn)之間能夠進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)切換的燃料電池系統(tǒng)(詳情后述)，作為搭載于燃料電池車輛的車載電源系統(tǒng)發(fā)揮功能。燃料電池系統(tǒng)10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;用于將作為氧化氣體的空氣向燃料電池組20供給的氧化氣體供給系統(tǒng)30;用于將作為燃料氣體的氫氣向燃料電池組20供給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;用于對(duì)燃料電池組20進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)60;對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行控制的控制器(ECU)70o
[0028]燃料電池組20是將多個(gè)單電池串聯(lián)層疊而成的固體高分子電解質(zhì)型單電池組。在燃料電池組20中，在陽(yáng)極產(chǎn)生(I)式的氧化反應(yīng)，在陰極產(chǎn)生(2)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)。
[0029]H2—2H++2e—---(I)
[0030](l/2)02+2H++2e——H20 ---(2)
[0031]Η2+(1/2)02^Η20---(3)
[0032]在燃料電池組20安裝有用于檢測(cè)燃料電池組20的輸出電壓的電壓傳感器71、用于檢測(cè)發(fā)電電流的電流傳感器72、以及用于檢測(cè)單電池電壓的單電池電壓傳感器73。
[0033]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所流動(dòng)的氧化氣體通路34、從燃料電池組20排出的氧化廢氣所流動(dòng)的氧化廢氣通路36。在氧化氣體通路34設(shè)有:經(jīng)由過(guò)濾器31而從大氣中取入氧化氣體的空氣壓縮器32;用于對(duì)向燃料電池組20的陰極供給的氧化氣體進(jìn)行加濕的加濕器33;用于調(diào)整氧化氣體供給量的節(jié)流閥35。在氧化廢氣通路36設(shè)有:用于調(diào)整氧化氣體供給壓的背壓調(diào)整閥37;在氧化氣體(干燥氣體)與氧化廢氣(濕潤(rùn)氣體)之間用于進(jìn)行水分交換的加濕器33。
[0034]燃料氣體供給系統(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(yáng)極供給的燃料氣體流動(dòng)的燃料氣體通路45;用于使從燃料電池組20排出的燃料廢氣向燃料氣體通路45返回的循環(huán)通路46;將循環(huán)通路46內(nèi)的燃料廢氣向燃料氣體通路45進(jìn)行壓力輸送的循環(huán)栗47;與循環(huán)通路46分支連接的排氣排水通路48。
[0035]燃料氣體供給源41例如由高壓氫罐或儲(chǔ)氫合金等構(gòu)成，積存高壓(例如35MPa至70MPa)的氫氣。當(dāng)打開(kāi)截止閥42時(shí)，燃料氣體從燃料氣體供給源41向燃料氣體通路45流出。燃料氣體由調(diào)節(jié)器43或噴射器44減壓至例如200kPa左右，向燃料電池組20供給。
[0036]需要說(shuō)明的是，燃料氣體供給源41可以由從烴系的燃料生成富氫的改質(zhì)氣體的改質(zhì)器、將由該改質(zhì)器生成的改質(zhì)氣體形成高壓狀態(tài)并蓄壓的高壓氣體罐構(gòu)成。
[0037]調(diào)節(jié)器43是將其上游側(cè)壓力(一次壓)調(diào)壓成預(yù)先設(shè)定的二次壓的裝置，例如，由對(duì)一次壓進(jìn)行減壓的機(jī)械式的減壓閥等構(gòu)成。機(jī)械式的減壓閥具有背壓室與調(diào)壓室由隔膜分隔而形成的殼體，具有通過(guò)背壓室內(nèi)的背壓在調(diào)壓室內(nèi)將一次壓減壓成規(guī)定的壓力而形成二次壓的結(jié)構(gòu)。
[0038]噴射器44是利用電磁驅(qū)動(dòng)力直接以規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期驅(qū)動(dòng)閥芯而使閥芯從閥座分離，由此能夠調(diào)整氣體流量或氣體壓的電磁驅(qū)動(dòng)式的開(kāi)閉閥。噴射器44具備:噴嘴體，具備具有噴射燃料氣體等氣體燃料的噴射孔的閥座，并將該氣體燃料供給引導(dǎo)至噴射孔的噴嘴體；閥芯，被收容保持成相對(duì)于該噴嘴體能夠沿軸線方向(氣體流動(dòng)方向)移動(dòng)并對(duì)噴射孔進(jìn)行開(kāi)閉。
[0039]在排氣排水通路48配設(shè)有排氣排水閥49。排氣排水閥49按照來(lái)自控制器70的指令而工作，由此將循環(huán)通路46內(nèi)的包含雜質(zhì)的燃料廢氣和水分向外部排出。通過(guò)排氣排水閥49的開(kāi)閥，循環(huán)通路46內(nèi)的燃料廢氣中的雜質(zhì)的濃度下降，能夠提升在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的燃料廢氣中的氫濃度。
[0040]經(jīng)由排氣排水閥49而排出的燃料廢氣與在氧化廢氣通路36中流動(dòng)的氧化廢氣混合，由稀釋器(未圖示)稀釋。循環(huán)栗47將循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的燃料廢氣通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)向燃料電池組20進(jìn)行循環(huán)供給。
[0041]電力系統(tǒng)50具備燃料電池組用的轉(zhuǎn)換器(FDC)51a、蓄電池用的轉(zhuǎn)換器(BDC)51b、蓄電池52、牽引逆變器53、牽引電動(dòng)機(jī)54及輔機(jī)類55 JDCSla擔(dān)任對(duì)燃料電池組20的輸出電壓進(jìn)行控制的作用，是將輸入到一次側(cè)(輸入側(cè):燃料電池組20側(cè))的輸出電壓轉(zhuǎn)換(升壓或降壓)成與一次側(cè)不同的電壓值向二次側(cè)(輸出側(cè):逆變器53側(cè))輸出，而且反之將輸入到二次側(cè)的電壓轉(zhuǎn)換成與二次側(cè)不同的電壓向一次側(cè)輸出的雙方向的電壓轉(zhuǎn)換裝置。通過(guò)該FDC51a的電壓轉(zhuǎn)換控制，來(lái)控制燃料電池組20的動(dòng)作點(diǎn)(1、V)。
[0042]BDC51b起到對(duì)逆變器53的輸入電壓進(jìn)行控制的作用，具有與例如n)C51a同樣的電路結(jié)構(gòu)。需要說(shuō)明的是，BDC51b的電路結(jié)構(gòu)不是局限于上述的主旨，可以采用能夠進(jìn)行逆變器53的輸入電壓的控制的所有結(jié)構(gòu)。
[0043]蓄電池52作為剩余電力的貯存源、再生制動(dòng)時(shí)的再生能量貯存源、燃料電池車輛的與加速或減速相伴的負(fù)載變動(dòng)時(shí)的能量緩沖器發(fā)揮功能。作為蓄電池52，優(yōu)選例如鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰二次電池等二次電池。
[0044]牽引逆變器53例如是以脈沖寬度調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)的HVM逆變器，按照來(lái)自控制器70的控制指令，將從燃料電池組20或蓄電池52輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成三相交流電壓，對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)54的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)