CN101322275A - 燃料电池系统及移动体 - Google Patents

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Abstract

公开了一种即使在恢复中毒电极催化剂和加热燃料电池时也能够稳定地运行辅机等的燃料电池系统等。控制器获得足以恢复中毒电极催化剂的活性的目标运行点，并在输出功率保持不变的状态下将运行点偏移到目标运行点。所述运行切换为低效率运行点，从而燃料电池的输出电压降低，但是所述电压通过DC/DC转换器升高到高压辅机的容许输入电压。

Description

燃料电池系统及移动体
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及安装有该系统的移动体。
背景技术
通常，与其它动力源相比，燃料电池具有较差的起动性能。由于温度的降低和中毒的电极催化剂，这种燃料电池的发电效率降低，并且无法提供所需的电压/电流，使得装置有时无法起动。
考虑到这种情况，建议一种方法，其中将供给到电极的阳极燃料(例如，燃料气体)和阴极燃料(例如，氧化气体)设成短缺状态，并提高电极的一部分的过电压以升高燃料电池的温度，从而恢复中毒的电极催化剂并加热燃料电池(例如，见专利文献1)。
[专利文献1]日本专利公开No.2003-504807
发明内容
但是，在通过上述方法恢复中毒的电极催化剂并且加热燃料电池的情况下，在该运行期间，燃料电池的电压降低，并且存在辅机无法稳定运行的问题。
考虑到上述情况，已经研制了本发明，并且本发明的目的是提供一种即使在恢复中毒电极催化剂并加热燃料电池时也能够稳定地运行辅机的燃料电池系统等。
为实现上述目的，根据本发明的燃料电池系统包括：燃料电池；电压转换器件；蓄电器件，所述蓄电器件通过所述电压转换器件与所述燃料电池并联连接；辅机，所述辅机连接到所述蓄电器件；运行控制装置，所述运行控制装置用于在满足预定条件的情况下在低效率运行点运行所述燃料电池，所述低效率运行点具有比通常运行点的功率损失大的功率损失；以及电压转换控制装置，所述电压转换控制装置用来基于所述燃料电池的运行点和所述辅机的驱动电压来控制所述电压转换器件的电压转换操作。
根据该结构，即使为了恢复中毒的电极催化剂和加热所述燃料电池时而所述燃料电池运行在所述低效率运行点时，也基于所述燃料电池的运行点和所述辅机的驱动电压来控制所述电压转换器件的电压转换操作。因此，不管所述燃料电池的运行点如何，所述辅机都能够持续稳定地运行。
这里，在上面的结构中，一种结构是优选的，其中所述电压转换控制装置允许所述电压转换器件将与所述运行点对应的所述燃料电池的端子电压至少升高到所述辅机的驱动电压。
此外，一种结构是优选的，其中其中在需要所述燃料电池的暖机运行或者需要用于恢复所述燃料电池的催化剂活性的运行的情况下，所述运行控制装置在所述低效率运行点运行所述燃料电池。另外，一种结构是优选的，其中所述运行控制装置产生氧化气体短缺状态，然后在所述低效率运行点运行所述燃料电池。
另外，根据本发明的移动体是如下移动体，在所述移动体上安装有具有上面结构的所述燃料电池系统，并且在所述移动体中使用电机作为动力源，其特征在于，在所述电机连接到蓄电器件侧并且燃料电池在低效率运行点运行的情况下，使用所述蓄电器件的放电功率或电压被转换器升高的所述燃料电池的输出功率中的至少一种功率来驱动所述电机。
此外，根据本发明的另一种移动体是如下移动体，在所述移动体上安装有具有上面结构的所述燃料电池系统，并且在所述移动体中使用电机作为动力源，其特征在于，在所述电机连接到燃料电池侧并且燃料电池在低效率运行点运行的情况下，停止所述电机的驱动，或者限制所述电机的输出来驱动所述电机。
如上所述，根据本发明，即使在恢复中毒的电极催化剂或加热所述燃料电池时，所述辅机等也能够稳定地运行。
附图说明
图1为示出根据本实施例的燃料电池系统的主要部分的结构的图；
图2A为示出根据实施例的输出功率与功率损失之间关系的图；
图2B为示出根据实施例的输出功率与功率损失之间关系的图；
图3为示出根据实施例的输出功率变化的图；
图4为示出根据实施例的运行点的偏移处理的流程图；
图5A为示出根据实施例的输出功率变化的图；
图5B为示出根据实施例的输出功率变化的图；
图6为示出根据实施例的运行顺序的图；
图7为示出根据一个变型的燃料电池系统的主要部分的结构的图。
具体实施方式
下面参考附图描述根据本发明的实施例。
A.本实施例
图1为示出根据本实施例的燃料电池系统100的主要部分的结构的图。在本实施例中，假设燃料电池系统安装在车辆例如燃料电池混合动力车辆(FCHV)、电动车或混合动力车上，但是，该系统不只可应用于车辆上，还可用途于各种移动体(例如，轮船、飞机、机器人等)和固定的动力源。
燃料电池40为用于从供给的反应气体(燃料气体和氧化气体)产生动力的装置，并且可使用任意形式的燃料电池，例如，固态聚合物型、磷酸盐型或可溶碳酸盐型。燃料电池40具有串联层压多个包含MEA等的电池的堆结构。该燃料电池40的输出电压(下文中称为FC电压)和输出电流(下文中称为FC电流)分别由电压传感器140和电流传感器150检测。燃料气体(如氢气)从燃料气体供给源10供给到燃料电池40的燃料极(阳极)，而氧化气体(如空气)从氧化气体供给源70供给到氧极(阴极)。
燃料气体供给源10由例如氢罐，多个阀等组成，并且调节阀开度、打开/关闭时间等，以控制供给到燃料电池40的燃料气体的量。
氧化气体供给源70由例如空气压缩机、驱动空气压缩机的电机、逆变器等组成，并且调节电机的转速等，以控制供给到燃料电池40的氧化气体的量。
电池(蓄电器件)60为可充放电式二次电池，并且由例如镍氢电池等组成。不用说，除了二次电池之外，还可设置可充放电式蓄电器(例如，电容)替代电池60。该电池60通过DC/DC转换器130与燃料电池40并联连接。
逆变器110为例如脉宽调制系统的PWM逆变器，其响应于由控制器80给出的控制指令，将燃料电池40或电池60输出的直流电转换为三相交流电，以将该电能供给到牵引电机115。牵引电机115为驱动车轮116L、116R的电机(即，移动体的动力源)，该电机的转速由逆变器110控制。该牵引电机115和逆变器110连接到燃料电池40一侧。
DC/DC转换器(电压转换器件)130为全桥转换器，由例如四个功率晶体管和专用驱动电路(都未示出)构成。DC/DC转换器130具有升降从电池60输入的DC电压，以将该电压输向燃料电池40的功能，并具有升降从燃料电池40等输入的DC电压，以将该电压输向电池60的功能。DC/DC转换器130的功能实现了电池60的充放电。
电池60与DC/DC转换器130之间连接有辅机120，例如车辆辅机和FC辅机。电池60为这些辅机120的动力源。应当注意，车辆辅机为在运行车辆等时使用的各种动力设备(照明设备、空调、液压泵等)，FC辅机为在运行燃料电池40时使用的各种动力设备(用于供给燃料气体和氧化气体的泵等)。
控制器80由CPU、ROM、RAM等组成，并且基于从检测燃料电池40的温度的温度传感器50、检测电池20的充电状态的SOC传感器、检测加速踏板的开度的加速踏板传感器等输入的传感器信号对系统部分进行中央控制。
此外，控制器80通过下面的方法检测燃料电池40的电极催化剂是否中毒。当检测到催化剂中毒时，控制器执行切换燃料电池40的运行点的处理，以恢复中毒的电极催化剂的特性(后面描述)。
存储器160为例如可擦写非易失性存储器，其中存储有表明燃料电池40等初始状态(例如，在装载制造的电池期间)的电池特性的初始电池特性数据。初始电池特性数据为二维图，其示出了初始状态中燃料电池40的电池密度与电压之间的关系，并且所述电压随着电流密度的增加而降低。
众所周知，当燃料电池40的电极催化剂中毒时，电池特性降低。对于相同的电压，与中毒之前的电流密度相比，中毒之后的电流密度降低(由初始电池特性数据表示的电流密度)。在本实施例中，使用上述特性将由电压传感器140和电流传感器150检测的FC电压和FC电流与初始电池特性数据作比较，以检测电极催化剂是否中毒。更具体地，当电压传感器140和电流传感器150检测FC电压和FC电流时，控制器(检测装置)80将检测结果与初始电池特性数据中相同电压处的电流密度作比较。由于该比较，当下列公式(1)、(2)成立时，判断为电极催化剂中毒。另一方面，当下列公式(1)、(2)不成立时，判断为电极催化剂未中毒。
Vfc＝Vs...(1)，和
Ifc＜Is+α...(2)
其中，Vfc-FC电压；
Vs-初始电池特性数据中的电压；
Ifc-FC电流；
Is-初始电池特性数据中的电流密度；以及
α-预定值。
应当注意，在上面的描述中，使用初始电池特性数据检测电极催化剂是否中毒，但是不用说，可通过其它方法检测电极催化剂是否中毒。例如，当电极催化剂被一氧化碳毒化时，设置公知的CO浓度传感器，并且可预先检查和映射CO浓度与检测的电压值之间的关系，以基于检测的CO浓度等检测电极催化剂是否中毒。下面参考附图描述燃料电池40的运行点。
图2A和2B为示出燃料电池在不同运行点运行时的输出功率与功率损失之间的关系图。其横坐标表示FC电流，并且纵坐标表示FC电压。此外，图2A和2B中所示的开路电压(OCV)为所有电流都不通过燃料电池的状态下的电压。
能够获得图2A和2B中所示电流与电压特性(下文中称为IV特性)的燃料电池40通常在功率损失相对于输出功率小的运行点(Ifc1，Vfc1)运行(见图2A)。但是，当燃料电池40的电极催化剂中毒时，需要升高燃料电池40的内部温度，以恢复电极催化剂的活性。因此，在本实施例中，燃料电池的运行偏移到在具有大功率损失同时确保必要输出功率的运行点(Ifc2，Vfc2)，从而恢复中毒的电极催化剂的活性(见图2B)。这里，图2A和2B中所示运行点的输出功率Pfc、功率损失Ploss、输出功率Pfc之间的关系和功率损失Ploss之间的关系如下。
<关于运行点(Ifc1，Vfc1)＞
Ifc1*Vfc1＝Pfc1...(3)
Ifc1*OCV-Pfc1＝Ploss1...(4)
<关于运行点(Ifc2，Vfc2)＞
Ifc2*Vfc2＝Pfc2...(5)
Ifc2*OCV-Pfc2＝Ploss2...(6)
<输出功率之间的关系和功率损失之间的关系>
Pfc1＝Pfc2...(7)
Ploss1＜Ploss2...(8)
图3为示出燃料电池在运行点偏移时运行的输出功率变化的图。横坐标表示FC电流，纵坐标表示FC电压和输出功率。应当注意，在图3中，为简便起见，以直线(下文中称为IV线)示出了燃料电池的IV特性。IV线上的(Ifc1，Vfc1)、(Ifc2，Vfc2)对应于图2A和2B中所示的运行点(Ifc1，Vfc1)、(Ifc2，Vfc2)。
如图3中所示，关于燃料电池40的输出功率Pfc，当FC电压Vfc降低时，在最大输出运行点(Ifcmax，Vfcmax)左侧所示IV线上的运行点的输出功率Pfc增加，在该最大输出运行点处获得最大输出功率Pfcmax。另一方面，在最大输出运行点右侧所示IV线上的运行点处，当FC电压Vfc降低时，输出功率Pfc降低。
如上所述，当FC电压Vfc降低时，功率损失Ploss增加。因此，即使运行燃料电池40以输出相同的功率，与燃料电池运行在最大运行点左侧上所示的运行点(例如，运行点(Ifc2，Vfc2))的情形相比，运行在最大运行点右侧上所示的运行点(例如，运行点(Ifc1，Vfc1))的情形的功率损失Ploss大。因此，在下面的描述中，IV线上的输出功率Pfc随着FC电压Vfc的降低而升高的运行点定义为通常运行点，并且IV线上的输出功率Pfc随着FC电压Vfc的降低而降低的运行点定义为低效率运行点。注意，通常运行点和低效率运行点如下。
<关于通常运行点(Ifc，Vfc)＞
Ifc≤Ifcmax...(9)
Vfcmax≤Vfc...(10)
<关于低效率运行点(Ifc，Vfc)＞
Ifcmax＜Ifc...(11)
Vfc＜Vfcmax...(12)
下面，参考图4等描述由控制器80执行的运行点偏移处理。
图4为示出运行点偏移处理的流程图，图5A和5B为示出运行点偏移时输出功率的变化的图。应当注意，在下面的描述中，假设燃料电池40的运行点从通常运行点(Ifc1，Vfc1)偏移到低效率运行点(Ifc2，Vfc2)，以恢复中毒的电极催化剂的活性(见图5A和5B)。
控制器(判断装置)80首先判断是否需要恢复催化剂活性的运行(步骤S1)。具体地，将由电压传感器140和电流传感器150检测的FC电压和FC电流与初始电池特性数据相比较，以检测电极催化剂是否中毒。当电极催化剂未中毒时，其判断不需要恢复催化剂活性的运行。另一方面，当电极催化剂中毒时，其判断需要恢复催化剂活性的运行。
当电极催化剂未中毒时，控制器(运行控制装置)80继续运行在通常运行点，以响应于系统需求输出功率。另一方面，当电极催化剂中毒时，控制器80首先确认当前时刻的运行点(这里，通常运行点(Ifc1，Vfc1))(步骤S2)。
然后，控制器80获得足够多的燃料电池40运行点，以恢复中毒电极催化剂的活性(步骤S3)。下面描述一个例子。例如，当燃料电池运行在通常运行点(Ifc1，Vfc1)以获得输出功率Pfc1时，获得能够得到与上述输出功率相同的输出功率Pfc2(＝Pfc1)的低效率运行点(Ifc2，Vfc2)。
例如，当燃料电池40的功率损失(即，用于升高温度所需的热量)为Ploss2，并且所需输出功率为Pfc2时，通过下面的公式(13)、(14)得到目标运行点。
<关于目标运行点(Ifc，Vfc)>
Ifc＝(Ploss2+Pfc2)/OCV...(13)
Vfc＝Pfc2*OCV/(Ploss2+Pfc2)...(14)
更具体地，在燃料电池40具有层压300个单电池的堆结构，300个单电池的堆的OCV为360V，所需输出功率为1kW并且所需热量为20kW的情况下，目标运行点由下面的公式(15)、(16)获得。
Ifc＝(20+1)/360＝58.3A...(15)
Vfc＝1*360/(20+1)＝17V...(16)
应当注意，在中毒的电极催化剂中，燃料电池40的电池电压控制为0.6V或更低，从而发生恢复催化剂活性的催化剂还原反应。因此，可将满足这种条件的运行点作为目标运行点(将在后面详细描述)。
当控制器(运行控制装置)80获得目标运行点时，停止牵引电机115和逆变器110，然后开始偏移运行点(步骤S4→步骤S4′)。因此，为停止牵引电机115和逆变器110，所述运行偏移到低效率运行点，从而燃料电池40的输出电压降低为低于逆变器110等的容许输入电压范围。但是，并不停止连接到电池60的高压辅机的驱动。这是因为即使燃料电池40的端子电压降低，燃料电池40的输出电压也通过DC/DC转换器130增加到高压辅机的容许输入电压，从而可继续驱动。应当注意，高压辅机为燃料电池40运行在通常运行点时所得的输出电压可满足连接的逆变器的额定性能的辅机。因此，当燃料电池40运行在低效率运行点时，控制器(电压转换控制装置)允许DC/DC转换器130将燃料电池40的端子电压升高到至少高压辅机的容许输入电压(驱动电压)，以如上继续驱动。不用说，上述结构仅仅是一个例子，并且也可在无需停止牵引电机115和逆变器110而限制牵引电机115等的输出(上限功率)的状态下执行驱动。
这里，当只控制FC电压以将运行点从通常运行点(Ifc1，Vfc1)偏移到低效率运行点(Ifc2，Vfc2)时，如图5A中所示，燃料电池40的输出功率响应于IV线l1的运行点的偏移而极大地波动(见功率线pl1)。更具体地，当使用DC/DC转换器130只控制FC电压来偏移运行点时，则在偏移过程中，需要进行可能不在通常使用环境中执行的高输出运行(在最大输出运行点的运行)。
为解决该问题，在本实施例中，如图5B中所示，与FC电压一起控制FC电流，以实现运行点从通常运行点(Ifc1，Vfc1)到低效率运行点(Ifc2，Vfc2)的偏移，使得输出功率保持不变(见功率线pl2)。具体地，使用DC/DC转换器(电压转换器件)130控制FC电压，并且控制器(调节装置)80调节从氧化气体供给源70供给的氧化气体量(这里，降低氧化气体量)，以控制FC电流。进行这种控制，从而燃料电池40的IV特性从IV线l1变为IV线l2，并且不管运行点的偏移如何，燃料电池40的输出功率保持不变。
下面参考图6描述具体的运行次序。首先，控制器80允许DC/DC转换器130将燃料电池一侧的电压升高到燃料电池40的理论电功率附近，换句话说，升高到OCV或更高(步骤Sa1)。控制器80将燃料电池40连接到继电器(未示出)，然后起动燃料气体的供给(步骤Sa2)，所述继电器将燃料电池40与本系统电连接或电断开。但是，此时，并不起动氧化气体的供给。在该运行期间，根据氧化气体的剩余量产生OCV。在控制器(运行控制装置)80允许DC/DC转换器130将FC电压降低到目标运行电压Vfc2，并且使燃料电池40在阴极侧达到氧化气体短缺状态的情况下，在FC电压保持在目标运行电压Vfc2的状态下起动氧化气体的供给(步骤Sa3→步骤Sa4)。控制器80将氧化气体的流率控制为1.0的空气化学计量比的流率附近，使得FC电流符合目标运行电流Ifc2(步骤Sa5)。执行上述运行，从而不管运行点如何偏移，燃料电池40的运行点都保持不变。
当运行点这样偏移时，控制器80根据计时器(未示出)等判断自运行点偏移以来目标设定时间是否已经过去(步骤S5)。这里，目标设定时间为足以恢复电极催化剂活性的时间(例如，10秒)，并且自在低效率运行点起动运行以来该时间已经过去。该时间预先通过试验等获得。当判断目标设定时间还未过去时(步骤S5：NO)，控制器80反复地执行步骤S5。另一方面，当判断目标设定时间已经过去时(步骤S5：YES)，控制器80将偏移的运行点返回至偏移前的运行点(步骤S6)，从而结束该处理。
如上所述，根据本实施例的燃料电池系统，即使在恢复中毒的电极催化剂时，也可稳定地运行由高压驱动的高压辅机。
应当注意，如上所述，关于中毒的电极催化剂，燃料电池40的电池电压控制为0.6V或更低以恢复催化剂活性，使得可如下获得运行点。
例如，在燃料电池40具有层压300个单电池的堆结构，并且所需输出功率为1kW时，如果电池电压设定为0.5V(＜0.6V)，那么目标运行点如下。
<关于目标运行点(Ifc，Vfc)>
Vfc＝300*0.5＝150V...(17)
Ifc＝1000/150＝6.7A...(18)
这里，即使在偏移前所获目标运行点未出现在IV线上的情况下，FC电流也与FC电压一起被控制，以改变IV特性，从而可使所获目标运行点位于IV线上。
B.改进
(1)在上面的实施例中，调节从氧化气体供给源70供给的氧化气体量，以控制FC电流。但是，也可调节从燃料气体供给源10供给的燃料气体量，以控制FC电流。
(2)在上面的实施例中，在检测到电极催化剂中毒的情形下，燃料电池40的运行点从通常运行点偏移到低效率运行点，但是，也可在下面的时刻偏移运行点。
例如，在系统起动期间，燃料电池可在低效率运行点运行一次，然后运行点可偏移为通常运行点，以便在催化剂活性不断升高的状态下执行系统运行。当所需输出功率为预定值或更低时(例如，怠速输出等的附近)，运行点可从通常运行点偏移为低效率运行点。另外，在系统停止之后，可在低效率运行点执行运行，以便在准备运行期间为下次起动恢复降低的催化剂活性。
(3)在上面的实施例中，构造为燃料电池40的运行点从通常运行点偏移为低效率运行点，以恢复中毒的电极催化剂的活性，但是本发明可应用于需要暖机运行的任何情形，例如，在低温起动期间执行暖机运行的情形、在停止系统运行之前进行快速暖机运行的情形等。
下面描述一个例子。当从运行开关等接收到系统的起动指令时，控制器80使用温度传感器50等检测燃料电池40的内部温度。控制器(判断装置)80判断在燃料电池40内部温度低于预定阈值温度的情形下是否需要暖机运行，并执行图4中所示运行点的偏移处理。后来的运行类似于本实施例的运行，从而省略其描述。应当注意，代替温度传感器50，还可使用检测外界空气温度的温度传感器、检测流过冷却机构(未示出)的冷却剂的温度的温度传感器等。
(4)在上面的实施例中，作为示例，描述了燃料电池的输出端连接到牵引电机的逆变器110的结构。但是，例如，如图7所示，电池60可连接到牵引电机115和逆变器110。应当注意，在图7所示的燃料电池系统100’中，与图1中所示燃料电池系统100的那些组件相对应的组件使用相同的附图标记来标识，并省略其详细描述。根据该结构，即使运行转换为低效率运行点，牵引电机115和逆变器110可使用电池60的放电功率来驱动。换句话说，运行从通常运行点切换为低效率运行点时，必须停止牵引电机115和逆变器110，或者以有限的输出驱动牵引电机和逆变器(步骤S4)，从而可提高系统效率。不用说，牵引电机115等可通过燃料电池40的输出电压和电池60的输出功率驱动，其中，所述燃料电池40具有由DC/DC转换器130升高的电压。另外，牵引电机115等可只通过燃料电池40的输出电压驱动，其中燃料电池40具有由DC/DC转换器130升高的电压。
此外，在本实施例中，已经描述了包括燃料电池40和电池60的混合动力源系统作为例子，但是本发明还可应用于只包括燃料电池40的动力源系统。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池；
电压转换器件；
蓄电器件，所述蓄电器件通过所述电压转换器件与所述燃料电池并联连接；
辅机，所述辅机连接到所述蓄电器件；
运行控制装置，所述运行控制装置用于在满足预定条件的情况下在低效率运行点运行所述燃料电池，所述低效率运行点具有比通常运行点的功率损失大的功率损失；以及
电压转换控制装置，所述电压转换控制装置用来基于所述燃料电池的运行点和所述辅机的驱动电压来控制所述电压转换器件的电压转换操作。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述电压转换控制装置允许所述电压转换器件将与所述运行点对应的所述燃料电池的端子电压至少升高到所述辅机的驱动电压。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中在需要所述燃料电池的暖机运行或者需要用于恢复所述燃料电池的催化剂活性的运行的情况下，所述运行控制装置在所述低效率运行点运行所述燃料电池。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述运行控制装置产生氧化气体短缺状态，然后在所述低效率运行点运行所述燃料电池。
5.一种移动体，在所述移动体上安装有如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，并且在所述移动体中使用电机作为动力源，
其中在所述电机连接到蓄电器件侧并且燃料电池在低效率运行点运行的情况下，使用所述蓄电器件的放电功率或电压被转换器升高的所述燃料电池的输出功率中的至少一种功率来驱动所述电机。
6.一种移动体，在所述移动体上安装有如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，并且在所述移动体中使用电机作为动力源，
其中在所述电机连接到燃料电池侧并且燃料电池在低效率运行点运行的情况下，停止所述电机的驱动，或者限制所述电机的输出来驱动所述电机。
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