CN101375455A - 燃料电池系统和估算燃料电池输出特性的方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的燃料电池系统包括：检测单元(6，12)，检测燃料电池的运行参数；内阻估算单元(20)，将燃料电池的内阻设置成基本内阻；流速测量单元(3)，测量气流速率；压力测量单元(4)，测量气压；确定单元(20)，确定燃料电池的IR无关输出特性；设置单元(20)，设置燃料电池的基本输出特性；输出电流测量单元(8)，测量燃料电池的输出电流；输出电压测量单元(9)，测量燃料电池的输出电压；和计算单元(20)，使用输出电流和输出电压校正基本输出特性。

Description

燃料电池系统和估算燃料电池输出特性的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统和估算燃料电池输出特性的方法。
背景技术
为了提高燃料电池的发电效率，通常执行的控制方法是基于燃料电池的电流-电压特性(以下称为“输出特性”)确定燃料电池输出。然而，电流-电压特性根据燃料电池的状态或随时间而变化。因此，在例如JP-A-2002-231295中提出这样的相关技术，其中根据燃料电池的温度、氢压力等估算燃料电池的输出特性，并使用估算的输出特性控制燃料电池的输出，以有效地操作燃料电池。
然而，在上述的相关技术中，仅从氢供给压力和燃料电池的温度导出燃料电池的输出特性。而没有考虑到对于燃料电池的输出特性具有较大影响的其它运行参数。因此，必然不会获得较高的估算精度。
发明内容
本发明提高了燃料电池的输出特性的估算精度。
本发明的第一方面涉及燃料电池系统。该燃料电池系统包括：运行参数存储单元，存储燃料电池的内阻与表示所述燃料电池的运行状态的至少一个运行参数之间的关系，所述燃料电池的内阻不包括根据流向所述燃料电池的反应气体的流速所产生的所述燃料电池的扩散电阻以及根据所述反应气体的压力所产生的所述燃料电池的反应电阻两者；检测单元，检测所述至少一个运行参数的现值；内阻估算单元，参照在所述运行参数存储单元中存储的关系基于所述运行参数的所检测现值估算所述燃料电池的内阻，并设定所估算的内阻作为基本内阻；IR无关(内阻无关)输出特性存储单元，存储IR无关输出特性以及向所述燃料电池供应的空气的不同流速和压力，其中所述IR无关输出特性是所述燃料电池的输出电流和输出电压之间的关系，其不包括在所述空气的流速和压力下内阻的影响；流速测量单元，测量向所述燃料电池供应的空气的流速；压力测量单元，测量向所述燃料电池供应的空气的压力；确定单元，基于所述空气的流速和压力确定所述燃料电池的IR无关输出特性；和设定单元，基于所述基本内阻和所述IR无关输出特性设定所述燃料电池的基本输出特性。在上述配置中，所述燃料电池系统还可具有：输出电流测量单元，测量所述燃料电池的输出电流；输出电压测量单元，测量输出所述输出电流的所述燃料电池的输出电压；和计算单元，基于所述输出电流和所述输出电压校正所述基本输出特性。
根据所述燃料电池系统，所述IR无关输出特性是所述燃料电池的输出电流和输出电压之间的关系，其不包括向所述燃料电池供应的空气处于不同流速和压力下时内阻的影响。IR无关输出特性和流速及压力一起存储。测量向所述燃料电池供应的流速和气压，以及基于所测量的流速和气压确定所述燃料电池的IR无关输出特性。因此，可精确估算燃料电池的基本输出特性，从而可精确校正基本输出特性。
所述运行参数可以包括所述燃料电池的温度、所述燃料电池中的湿度、和阻抗中的至少一个，所述阻抗是通过使用具有预定频率的交流(AC)信号在所述燃料电池的输出端子之间测量的。根据该配置，可基于所述燃料电池的温度、所述燃料电池中的湿度或所述燃料电池的输出端子之间的阻抗估算基本内阻。
所述计算单元可具有：第一校正单元，基于所述输出电流和所述输出电压校正所述燃料电池的基本内阻；和第二校正单元，使用所校正的基本内阻校正所述基本输出特性。根据该配置，基于所述输出电流和所述输出电压校正所述燃料电池的基本内阻，以及校正所述基本输出特性。因此，可提高基本输出特性的估算精度。
所述计算单元还可具有：校正值存储单元，存储所校正的基本内阻作为新基本内阻；第三校正单元，当所述基本内阻存储在所述校正值存储单元中时，基于所述输出电流和所述输出电压进一步校正所述基本内阻；和第四校正单元，使用进一步校正的基本内阻校正所述基本输出特性。根据该配置，将所校正的基本内阻存储为新基本内阻，当所述基本内阻存储在所述校正值存储单元中时，基于所述输出电流和所述输出电压进一步校正所述基本内阻。因此，可提高基本输出特性的估算精度。
所述检测单元可具有：阻抗测量单元，通过使用具有预定频率的交流信号测量在所述燃料电池的输出端子之间的阻抗；和阻抗存储单元，存储所测量的阻抗。所述计算单元可具有：比较单元，将所述阻抗测量单元测量的阻抗与在所述阻抗存储单元中存储的先前测量的阻抗进行比较；和输出特性校正单元，当所述比较单元的比较结果为所测量的阻抗与先前测量的阻抗之间的差等于或大于预定值时，所述输出特性校正单元校正所述基本内阻，当所述差小于所述预定值时，所述输出特性校正单元校正所述IR无关输出特性。
根据该配置，将所述测量单元测量的阻抗与在所述阻抗存储单元中先前测量和存储的阻抗进行比较。当存在等于或大于在所测量的阻抗和先前测量的阻抗之间的预定值的差时，校正所述基本内阻。当不存在这种差时，校正所述IR无关输出特性。因此，可限制要校正的目标，并且可提高校正的精度。
本发明的第二方面涉及一种估算燃料电池的输出特性的方法。该方法包括：检测用以表示所述燃料电池的运行状态的至少一个运行参数的现值；参照所述燃料电池的内阻与所述运行参数之间的关系，基于所检测的所述运行参数的现值估算所述燃料电池的内阻，其中所述燃料电池的内阻不包括根据流向所述燃料电池的反应气体的流速所产生的所述燃料电池的扩散电阻以及根据所述反应气体的压力所产生的所述燃料电池的反应电阻两者，以及将所估算的内阻设置为基本内阻；测量向所述燃料电池供应的空气的流速；测量向所述燃料电池供应的空气的压力；基于所述空气的流速和压力确定所述燃料电池的IR无关输出特性；和基于所述基本内阻和所述IR无关输出特性设定所述燃料电池的基本输出特性，其中所述IR无关输出特性是所述燃料电池的输出电流和输出电压之间的关系，其不包括向所述燃料电池供应的空气处于不同流速和压力下时内阻的影响。在上述配置中，该方法还包括：测量所述燃料电池的输出电流和测量所述燃料电池的输出电压；和基于所述输出电流和所述输出电压校正所述基本输出特性。
所述运行参数包括所述燃料电池的温度、所述燃料电池中的湿度、和阻抗中的至少一个，所述阻抗是通过使用具有预定频率的交流信号在所述燃料电池的输出端子之间测量的。
该方法还可包括：基于所述输出电流和所述输出电压校正所述燃料电池的基本内阻；和使用所校正的基本内阻校正所述基本输出特性。
该方法还可包括：存储所校正的基本内阻作为新基本内阻；当基本内阻被存储时，基于所述输出电流和所述输出电压校正所述基本内阻；和使用进一步校正的基本内阻校正所述基本输出特性。
该方法还可包括：通过使用具有预定频率的交流信号测量在所述燃料电池的输出端子之间的阻抗；将所测量的阻抗与先前测量的阻抗进行比较；和当比较结果为所测量的阻抗与先前测量的阻抗之间的差等于或大于预定值时，校正所述基本内阻，当所述差小于所述预定值时，校正所述IR无关输出特性。
附图说明
参照附图，根据优选实施例的以下描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将变得清楚，其中使用相似的标号表示相似的元件，在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的燃料电池系统的系统配置图。
图2是示出在电池组温度和内阻之间的关系的实例的曲线图。
图3是示出在空气电极端上在不同压力情况下电流-电压特性的变化的实例的曲线图。
图4是示出空气以不同流速向燃料电池流动时的电流-电压特性的实例的曲线图。
图5是根据本发明第一实施例的燃料电池系统控制操作的流程图。
图6是根据本发明第二实施例的燃料电池系统的系统配置图。
图7是示出燃料电池中加湿量、燃料电池温度和内阻之间的关系的曲线图。
图8是根据本发明第二实施例的燃料电池系统控制操作的流程图。
图9是根据本发明第三实施例的燃料电池系统的系统配置图。
图10是示出在加湿器、燃料电池体1的温度和加湿量之间的关系的实例的曲线图。
图11是根据本发明第三实施例的燃料电池系统控制操作的流程图。
图12是示出交流阻抗的实例的流程图。
图13是根据本发明第四实施例的燃料电池系统控制操作的流程图。
图14是示出在对空气不同加湿量的情况下在交流阻抗和内阻之间关系的测量结果的实例的曲线图。
图15A和15B是根据本发明第五实施例的燃料电池系统控制操作的流程图。
图16A和16B是根据本发明第六实施例的燃料电池系统控制操作的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图描述根据用于实现本发明的最佳实施方式(以下称为“实施例”)的燃料电池系统。这些实施例的结构是示例性的，并且本发明不限于这些实施例的结构。
图1是根据本发明第一实施例的燃料电池系统的系统结构图。燃料电池系统包括：燃料电池体1，其包含堆叠有多个单元电池的电池组；空气压缩机2，其通过供气通路L1向燃料电池体1中的空气电极端供应空气；气流计3(其可看作流速测量单元)，其测量从空气压缩机2向燃料电池体1供应的空气的流速；压力传感器4(其可看作压力测量单元)，其测量在经由燃料电池体1的空气电极端上的排放通路L2的空气电极端的气压；压力控制阀5，其控制在包含排放通路L2的空气电极端上的气压；氢储存罐7，从其中通过供氢通路L3向燃料电池体1中的氢电极端供应氢；电流传感器8(其可看作输出电流测量单元)和电压传感器9(其可看作输出电压测量单元)，分别测量向连接至燃料电池体1的输出端子的负载10供应的电流和电压；温度传感器6(其可看作检测单元)，其测量燃料电池体1的温度(电池组的温度)；和电子控制单元(ECU)20，其监控燃料电池系统的每个部分的状态，并控制整个燃料电池系统。构成燃料电池系统的每一个组件都是已知的，因此省略对它们的描述。
在图1中所示的燃料电池系统中，ECU 20具有以下功能。(1)ECU 20基于燃料电池体1的电池组的温度确定燃料电池体1的内阻。所述内阻是当从燃料电池体1向负载10供应输出电流时在燃料电池体1中引起压降的电阻。内阻的成因的实例包括当从燃料电池体1中的聚合物电解质膜得到质子时产生的电阻，以及当通过分离器得到电子时产生的电阻。
在本实施例中，ECU 20具有存储器(其可看作运行参数存储单元)，在其中存储经过预先试验性测量的在电池组温度和内阻之间的关系作为映射。因此，ECU 20可通过监控来自温度传感器6的输出信号检测电池组温度和确定内阻。根据所存储的映射基于电池组温度确定的内阻称为“基本内阻R0”。
图2示出在电池组温度Tfc和内阻R0之间的关系的实例。一般地，随着电池组温度Tfc的增加，电池组的内阻单调减少。这是因为，主要通过活性物质(在聚合物电解质膜型燃料电池中的质子)的行动速度确定燃料电池的内阻，并且一般地，当温度越高，质子的行动速度越快，内阻越低。
(2)ECU 20基于在燃料电池体1中的空气电极端上的压力和对空气电极的气流速率确定燃料电池体1的IR无关输出特性。燃料电池体1的IR无关输出特性还可以预先通过试验性测量，并存储在ECU20的存储器(其可看作输出特性存储单元)作为映射。
例如，可通过以下过程获得这种映射。使用通过试验预先改变的空气电极端上的压力和对空气电极的气流速率来测量输出特性，即，在燃料电池的输出电流和输出电压之间的关系。然后，根据例如如图2所示在电池组温度和内阻之间的关系的映射基于当前电池组温度估算燃料电池的内阻。最后，通过所测量的输出特性减去由估算的内阻造成的压降获得IR无关输出特性。如上所述，使用在空气电极端上的压力和对空气电极的气流速率作为运行参数测量IR无关输出特性。
图3示出在空气电极端在不同压力情况下电流-电压特性的变化的实例。公知的是，当绘制在水平轴作为输出电流Ifc和垂直轴作为输出电压Vfc的曲线图上时，燃料电池体1的电流-电压特性形成向下倾斜的曲线。然而，在图3所示的实例中，由于排除了燃料电池体1的内阻，因此尽管输出电流Ifc变化，但输出电压Vfc在曲线图的中间部分中基本恒定。
如果输出电流Ifc超过某个限制，则输出电压Vfc快速下降。这是因为，用以产生输出电流Ifc的反应气体供应不足，因此当在电极中扩散气体时产生的气体扩散电阻可明显看作电阻值。当反应气体的量(例如，在空气电极端上的气流速率)足以产生输出电流Ifc时，反应气体扩散电阻的影响较小，并且输出电压的压降较小。
此外，已知的是，即使当以相同速率供应气体时，在气体电极端上的压力越大，与输出电流Ifc对应的输出电压Vfc越高，如图3所示。即，向燃料电池供应的气体压力对电极反应活性具有较大影响，并且在气体压力增加时，在燃料电池体1中使用催化剂(未示出)的反应效率也增加。当气体压力较小时，使用催化剂的反应效率较低，并且输出电压Vfc较低。因此，燃料电池体1的电流-电压特性表现出这样一种曲线，即根据空气电极端上的压力在中间处以两个不同电压值垂直分开，如图3所示。
图4示出电流-电压特性的实例，这是当对于空气电极的气流速率改变时，同时在燃料电池体1中的气体电极上的气压保持恒定时获得的。如图4所示，当气流速率较高时，输出电压Vfc不降低，直到输出电流Ifc到达与气体供应量对应的现值。当气流速率较低时，当输出电流Ifc到达与气体供应量对应的较低现值时，输出电压Vfc快速降低。这是因为，限制现值和气体扩散电阻根据向燃料电池供应的气体的流速而改变。
即，当气流速率较低时，限制现值较低。然后，气体扩散电阻的影响(以下称为浓差极化)出现在较小现值区域内，并且IR无关电压Virf(Ifc)降低。这是因为，气流速率没有对应于输出电流Ifc值那样高，因此气体扩散电阻的效果增加。因此，燃料电池体1的电流-电压特性表现出这样一种曲线，即根据输出电流Ifc的值分叉，如图4所示。
(3)ECU 20根据分别如(1)和(2)中描述所获得的基本内阻R0和IR无关输出特性之间的关系估算包含此时的内阻的燃料电池体1的电流-电压特性。在本实施例中，该电流-电压特性称为“基本输出特性”。
然后，ECU 20基于分别由电流传感器8和电压传感器9实际测量的输出电流和输出电压的差计算用于校正基本内阻R0的校正量ΔR，和基本输出特性，以获得校正后的内阻R1＝R0+ΔR。然后，ECU 20使用校正后的内阻R1重新设置电流-电压特性。将如此设置的电流-电压特性用作设置供应反应气体的量的基准，或与燃料电池体1所需的电力的量相关的其它操作。ECU 20以预定时间间隔重复执行上述处理(1)至(3)。
图5示出由ECU 20执行的燃料电池系统控制操作的流程图。在图5中，具体地，详细示出输出特性估算操作以及燃料电池系统控制操作。在该操作中，ECU 20首先从温度传感器6读取燃料电池体1的温度Tfc(S100)。ECU 20还从气流计2读取气流速率Fair。此外，ECU 20还从压力传感器4读取气压Pair。
然后，ECU 20基于燃料电池体1的温度Tfc计算基本内阻R0(S101：执行该步骤的ECU 20可看作内阻估算单元)。然后，ECU20计算IR无关输出特性Virf(Ifc)，它是基于气流速率Fair和气压Pair预先测量的(S102：执行该步骤的ECU 20可看作确定单元)。Virf(Ifc)是表示在输出电流Ifc和IR无关电压Virf之间的关系的函数，并且例如，可描述成输出电流Ifc和IR无关电压Virf的对。而在输出电流Ifc和IR无关电压Virf之间的关系可表示成试验性公式。
然后，ECU 20计算基本输出特性(S103：执行该步骤的ECU 20可看作设置单元)。通过将基本内阻R0的效果添加到上述IR无关输出特性中来计算基本输出特性，可通过Virf(Ifc)-Ifc×R0导出。
然后，ECU 20基于燃料电池系统所需的输出确定在基本输出特性Virf(Ifc)-Ifc×R0上的操作点(Ifc，Vfc)，并且控制燃料电池体1对于Vfc的输出端子中的电压(S104)。更具体地，例如，ECU20经由DC-DC转换器(未示出)控制对于Vfc的输出端子中的电压。此时，当没有向燃料电池供应与燃料电池的输出对应的反应气体的量(氢或空气)，并因此而不足时，电流减少。因此，虽然图5中没有示出，但是ECU 20基于燃料电池所需的电力确定反应气体的必需量，以及基于以该反应气体量的电流-电压特性确定操作点。
然后，ECU 20分别从电流传感器8和电压传感器9读取燃料电池的实际输出电流Ifc_m和输出电压Vfc_m(S105)。然后，ECU 20导出关于与输出电流Ifc_m对应的基本输出特性的值Vfc0＝Virf(Ifc_m)-Ifc_m×R0(S106)。当作为试验性公式给出IR无关输出特性Virf(Ifc)时，例如，通过将基本内阻R0引起的压降添加到使用该公式计算的值来获得值Vfc0。当通过多个电流-电压对(I，V)给出IR无关输出特性Virf(Ifc)时，通过将基本内阻R0引起的压降添加到在通过插值获得I＝Ifc_m时的输出电压值来获得值Vfc0。
然后，ECU 20确定从基本输出特性获得的输出电压Vfc0与从电压传感器9获得的输出电压Vfc_m之间的差是否在预定范围内(S107)。当确定所述差在预定范围内并且存在较大的差时，ECU 20按如下方式校正基本输出特性，以获得新输出特性。
即，ECU 20根据等式ΔR＝(Vfc0-Vfc_m)/Ifc_m计算对于基本内阻R0的校正值(S108)。然后，ECU 20根据等式R1＝R0+ΔR校正基本内阻R0，以获得新内阻R1(S109：执行该步骤的ECU 20可看作第一校正单元)。
此外，ECU 20使用新获得的内阻R1计算输出特性Vfc(Ifc)＝Virf(Ifc)-R1×Ifc(S110：执行该步骤的ECU 20可看作计算单元和第二校正单元)。
如上所述，根据本实施例的燃料电池系统，在基本输出特性中反应出由气流速率变化引起的限制现值和气体扩散电阻的变化，以及由气压变化引起的反应电阻的变化。因此，估算其中反应了气流速率和气压变化的输出特性，并且可以估算具有更高精度的输出特性。
在上述实施例中，由于所检测的内阻差值ΔR作为如图5的步骤S109所示的内阻的校正值，所以使用该值。然而，本发明不限于这种方法。即，为了避免由如图5所示的内阻的校正所引起的突变，可在获得新电阻R1之后执行滤波过程，以减慢该值的变化。此外，可将校正量ΔR分配给如以下所示等式中的比例项和积分项，并且可执行具有比例和积分动作的PI控制。
R1＝R0+Kp×ΔR+Ki×∫TΔRdt；
其中，Kp和Ki分别是比例增益和积分增益。
此外，在图5中所示的流程图中，在S101中获得基本内阻R0，在S109中根据基本内阻R0校正燃料电池的内阻R1。然而，本发明的操作不限于这个过程。当根据基本内阻R0获得内阻R1时，可将内阻R1存储在ECU 20的存储器中。然后，在下一个和随后的操作中，ECU 20可使用在所存储的内阻R1和根据输出电流和输出电压实际测量的内阻之间的差连续校正内阻R1。
参照图6至图8，描述本发明的第二实施例。在第一实施例中，基于在空气电极端的气压和向空气电极供应的气流速率估算基本输出特性，并且使用实际检测的输出电流和输出电压校正基本输出特性，以获得燃料电池的输出特性。同样在第一实施例中，基于燃料电池体1的温度确定在基本输出特性中包含的基本内阻。在本实施例中，描述了在确定基本内阻的过程中反映了燃料电池体的加湿量的燃料电池系统。本实施例的其它配置和功能与第一实施例中的相同。因此，通过相同的标号指示相同的组件，并且不重复它们的描述。
图6示出本实施例的燃料电池系统。该燃料电池系统与第一实施例的燃料电池系统的不同在于，在供气通路L1上的空气压缩机2的下游(即，在燃料电池体1附近侧)增加加湿器11和湿度传感器12(其可看作检测单元)。
ECU 20具有温度Tfc和燃料电池体1的内阻以及作为存储器中的参数的燃料电池体1的加湿量之间的关系的映射。这里，加湿量是当空气被加湿时所测量的湿度。因此，ECU 20从来自湿度传感器12的检测信号获得空气加湿量Sair，以及从来自温度传感器6的检测信号获得燃料电池体1的温度Tfc。然后，ECU 20基于加湿量Sair和温度Tfc计算基本内阻R0。
图7是示出ECU 20在存储器中具有的加湿量、燃料电池温度Tfc和内阻之间的关系的曲线图。聚合物电解质膜的燃料电池的内阻取决于活性物质(质子)的行动速度(电导率)。通过聚合物电解质膜的质子电导率取决于聚合物电解质膜的水含量和膜的温度。聚合物电解质膜的水含量通过所供应气体的湿度的影响来变化。
当燃料电池体1的温度较高时，由于聚合物电解质膜的温度较高，并且此时所供应的空气的温度也较高，所以空气的饱和蒸汽压较高。因此，空气的加湿量的变化对于聚合物电解质膜中水的量具有较大影响。因此，如图7所示，内阻很大程度上取决于在高温度侧的空气的加湿量而改变。
当燃料电池体1的温度较低时，由于此时所供应的空气的温度也较低，所以空气的饱和蒸汽压较低。因此，与较高温度的情况相比，空气的加湿量的变化对于聚合物电解质膜中水的量具有较小影响。因此，如图7所示，由空气的加湿量的差引起的内阻变化在低温度侧上较低。
此外，如图7所示，当气体的湿度较低时，在燃料电池体1的温度增加时，聚合物电解质膜趋向于变干。因此，在这种情况下，内阻增加。当湿度较高时，即使在燃料电池1的温度较高时，聚合物电解质膜也不可能变干。在这种情况下，由于温度增加，所以质子的行动速度增加，并且内阻减少，如图2所示。
图8示出由ECU 20执行的燃料电池系统控制操作的流程图。在该操作中，ECU 20首先从温度传感器6读取燃料电池体的温度Tfc(S200)。ECU 20还从气流计3读取气流速率。此外，ECU 20还从压力传感器4读取气压Pair。此外，ECU 20还从压力传感器4读取空气加湿量Sair。
然后，ECU 20基于燃料电池体1的温度Tfc和加湿量Sair计算基本内阻R0(S201)。随后的步骤与图5中S102之后的步骤相同。
如上所述，在本实施例的燃料电池系统中，根据燃料电池温度Tfc和空气加湿量Sair估算归因于膜质子电导率的基本内阻R0。即，在估算基本内阻R0过程中反应了空气的加湿度。因此，可以估算出具有比第一实施例的系统更高精度的输出特性。
参照图9至图11，描述本发明的第三实施例。在第二实施例中，根据来自湿度传感器12的检测信号获得空气加湿量，并将其用于估算基本内阻R0。在本实施例中，描述了基于流过加湿器的气流速率和燃料电池温度代替根据来自湿度传感器12的检测信号，获得空气加湿量，并将其用于估算基本内阻R0。本实施例的其它配置和功能与第二实施例中的相同。因此，通过相同的标号指示相同的组件，并且不重复它们的描述。
图9示出本实施例的燃料电池系统。与第二实施例的燃料电池系统相比，该燃料电池系统不具有湿度传感器12。此外，该燃料电池系统具有包含对空气加湿的水蒸汽交换膜的水蒸汽交换膜型加湿器13，代替图6中的加湿器11。水蒸汽交换膜型加湿器通过其中的交换膜将通过空气电极端上的排放通路L2所排放的废气中的水蒸汽(产生的水)返回至上游侧的供气通路L1。
图10示出在水蒸汽交换膜型加湿器13中的气流速率Fair、燃料电池体1的温度Tfc和加湿量Sair之间的关系的实例。这里，气流速率Fair是在上游侧的空气通路L1中的流速。
一般地，如图10所示，在水蒸汽交换膜型加湿器13中，当供气通路L1中的气流速率Fair增加时，加湿量Sair增加。然而，当气流速率Fair增加时，加湿量Sair的增加速率逐渐减少，并且加湿量Sair在高流速区域饱和。此外，当燃料电池温度Tfc较高时，空气的饱和蒸汽压增加，并且加湿量增加。
当燃料电池温度Tfc较低时，与燃料电池温度Tfc较高时相比，空气的饱和蒸汽压减少，并且加湿量减少。因此，将气流速率Fair、燃料电池体1的温度Tfc和加湿量Sair之间的关系作为映射预先存储在ECU 20的存储器中，从而可基于燃料电池体1的气流速率Fair和温度Tfc的测量结果计算加湿量Sair。
图11示出由ECU 20执行的燃料电池系统控制操作的流程图。在该操作中，ECU 20读取燃料电池体1的温度Tfc、气流速率Fair和气压Pair(S100)。这个步骤与图5所示的第一实施例的S100相同。
然后，ECU 20根据在存储器中存储的映射基于燃料电池体1的温度Tfc和气流速率Fair计算空气加湿量Sair(S210)。
然后，ECU 20基于燃料电池体1的温度Tfc和空气加湿量Sair计算基本内阻R0(S201)。随后的步骤与图5中S102之后的步骤相同。
如上所述，在本实施例的燃料电池系统中，在不需要湿度传感器12的情况下，可根据燃料电池体1的温度Tfc和气流速率Fair获得空气加湿量Sair。因此，由于湿度传感器12不是必须的，所以燃料电池系统可有利地应用于需要长使用寿命的车辆等。
参照图12和图13，描述本发明的第四实施例。在第一至第三实施例中，基于燃料电池体1的温度或空气加湿量估算燃料电池体的基本内阻R0，并且测量输出电流和输出电压，以校正基本内阻R0。
在第四实施例中，描述了其中将交流信号输入至燃料电池体1的输出端子并且基于输出端子之间的阻抗估算基本内阻R0的燃料电池系统。其它配置和功能与第一实施例中的相同。因此，通过相同的标号指示与第一至第三实施例相同的组件，并且不重复它们的描述。
作为测量燃料电池内阻的方法，在例如JP-A-2003-297408中公开了一种测量燃料电池交流阻抗的方法。可通过电流和电压的频率分析获得燃料电池的交流阻抗，其中使用叠加在燃料电池的输出电流(或输出电压)上的正弦波来测量所述频率分析。
图12示出燃料电池的交流阻抗的实例。已知的是，交流阻抗可以按频率分成分别反应气体扩散电阻、反应电阻和欧姆电阻的区域，如图12所示。还已知的是，频率ω在大约1kHz的范围内可以是无穷大的(ω＝8)，或更大，如图12所示，并且交流阻抗的实部通常等于欧姆电阻。
在这种情况下，欧姆电阻通常归因于聚合物电解质膜和分离器部件的电阻，并且构成燃料电池的内阻的主要元素。因此，通过监控欧姆电阻的波动，可以获知内阻的波动。
图13示出由ECU 20执行的燃料电池系统控制操作的流程图。在该操作中，ECU 20首先执行与图1中所示的S100至S104相同的步骤，以确定基本内阻R0和燃料电池的基本输出特性，并将燃料电池体1控制在预定操作点。这里，基本内阻R0可以是根据预先存储的映射基于燃料电池的运行参数(例如，燃料电池体的温度和空气加湿量)估算的内阻。
然后，ECU 20分别从电流传感器8和电压传感器9读取燃料电池的实际输出电流Ifc_m和输出电压Vfc_m(S105)。
然后，ECU 20测量交流阻抗，并获得交流阻抗的实部Zre(ω)(S301:执行该步骤的ECU20可看作检测单元和交流阻抗测量单元)。以下，在本实施例中，将交流阻抗的实部简称为“交流阻抗”。
然后，ECU 20导出关于与输出电流Ifc_m对应的基本输出特性的值Vfc0＝Virf(Ifc_m)-Ifc_m×R0(S106)。
然后，ECU 20确定从基本输出特性获得的输出电压Vfc0与从电压传感器9获得的输出电压Vfc_m之间的差是否在预定范围内(S107)。当确定所述差不在预定范围内并且存在较大的差时，ECU20按如下方式校正基本输出特性，以获得新输出特性。
即，ECU 20比较在S301中获得的交流阻抗Zre(ω)和在先前时间测量的交流阻抗Zre(ω)_old，并确定它们的差是否在预定范围内(S302：执行该步骤的ECU 20可看作比较单元)。如果确定该差不在预定范围内并且存在较大的差时，ECU 20确定燃料电池的内阻已经改变成与基本内阻R0不同的值，并且如图1所示的情况校正内阻和输出特性(S108至S110)。
当在S302中确定交流阻抗之间的差在预定范围内并且仅存在较小改变时，确定IR无关输出特性已经改变。然后，ECU 20计算在基于基本输出特性获得的输出电压Vfc0和电压传感器9测量的实际输出电压Vfc_m之间的差ΔV(S303)。
然后，ECU 20根据以下所示的等式校正IR无关输出特性(S304)。
Virf’＝Virf+ΔV；
然后，ECU 20基于校正后的IR无关输出特性获得燃料电池的输出特性(S305)。
Vfc(If)＝Virf’(If)+R0×If；
在上述处理之后，ECU 20将测量的交流阻抗存储为在先前测量的交流阻抗(S306：执行该步骤的ECU 20可看作阻抗存储单元)。之后，ECU 20结束输出特性估算操作。执行步骤S108至S110或S303至S305的ECU 20可看作输出特性校正单元。
如上所述，根据本实施例的燃料电池系统，确定在基本输出特性和实际测量的电流-电压特性之间的差是否归因于内阻或IR无关输出特性，并且估算燃料电池的输出特性。因此，可以估算出具有比第一实施例更高精度的燃料电池的输出特性。结果，由于预先获得的IR无关输出特性的精度允许包括某种程度的误差，所以可大大减少获得该精度的步骤的数目。
在图13的S109中校正后的内阻R1可存储在ECU 20的存储器中。在这种情况下，当已经存储了校正后的内阻R1时，在S305可以使用校正后的内阻R1代替基本内阻R0来获得输出特性。即，可以使用以下等式校正输出特性。
Vfc(If)＝Virf’(If)+R1×If；
参照图14和图15，描述本发明的第五实施例。在第二实施例中，基于燃料电池体1的温度和空气加湿量估算燃料电池体1的基本内阻R0。在第四实施例中，基于燃料电池的交流阻抗的变化确定基本内阻R0是否应该被校正，或基本输出特性应该被校正。在本实施例中，描述了基于燃料电池的空气加湿量和交流阻抗估算基本内阻R0的燃料电池系统。本实施例的其它配置和功能与第一实施例中的相同。因此，通过相同的标号指示相同的组件，并且不重复它们的描述。
图14示出在不同的空气加湿量下在交流阻抗(欧姆电阻)和内阻之间的关系的测量结果的实例。如图14所示，在较低湿度时内阻通常较高。例如可通过与第一实施例相同的方法测量内阻，可通过与第四实施例相同的方法测量交流阻抗。即，首先测量燃料电池体1的温度、空气加湿量和交流阻抗，并且基于根据图7的燃料电池体1的温度和加湿量获得基本内阻R0。此时，获得在相同温度和加湿量条件下的交流阻抗。然后，可绘制在基本内阻R0和交流阻抗之间的关系。
在本实施例中，将加湿量、交流阻抗和基本内阻R0之间的关系作为映射预先存储在ECU 20的存储器中。然后，基于加湿量和交流阻抗的测量结果确定基本内阻R0。
图15示出由ECU 20执行的燃料电池系统控制操作的流程图。在该操作中，ECU 20读取燃料电池体1的温度Tfc、气流速率Fair和气压Pair(S100)。这个步骤与图5所示的第一实施例中的相同。
然后，ECU 20测量燃料电池的交流阻抗Zre(ω)。这个步骤与图13所示的第四实施例的S301相同。
然后，ECU 20基于湿度传感器或加湿器的流速计算加湿量Sair(S210)。然后，ECU 20基于交流阻抗Zre(ω)和加湿量从映射(见图14)导出基本内阻R0(S401)。随后的步骤与图5中S102之后的步骤相同。
如上所述，在本实施例中，参照在交流阻抗、空气加湿量和基本内阻R0之间的关系的映射，根据燃料电池的交流阻抗和空气加湿量确定基本内阻R0。因此，可估算出具有比第二实施例更高精度的燃料电池的输出特性，在所述第二实施例中简单地根据加湿量确定基本内阻R0。同样，可估算出具有比第四实施例更高精度的燃料电池的输出特性，在所述第四实施例中使用交流阻抗测量值确定内阻是否改变。
参照图16，描述根据本发明第六实施例的燃料电池系统。在第五实施例中，描述了基于燃料电池的交流阻抗和空气加湿量计算燃料电池的基本内阻R0的燃料电池系统的实例。在本实施例中，使用交流阻抗校正使用通过上述方法获得的基本内阻R0所计算的燃料电池的输出特性。即，在本实施例中，在第五实施例中的燃料电池系统中执行与第四实施例中相同的校正操作。
本实施例的其它配置和功能与第四和第五实施例中的相同。因此，通过相同的标号指示与第四和第五实施例相同的组件，并且不重复它们的描述。
图16示出由ECU 20执行的燃料电池系统控制操作的流程图。在该操作中，ECU 20读取燃料电池体1的温度Tfc、气流速率Fair和气压Pair(S100)。这个步骤与图5所示的第一实施例中的相同。
然后，ECU 20测量燃料电池的交流阻抗Zre(ω)。ECU 20还计算空气加湿量Sair(S210)。然后，ECU 20基于交流阻抗Zre(ω)和加湿量从映射(见图14)导出基本内阻R0(S401)。这些步骤与图15中的相同。之后，ECU 20执行在燃料电池的输出电压和基本输出特性之间的差的确定(S107)以及交流阻抗的变化的量的确定(S302)，并校正燃料电池的输出特性。这些步骤与图13所示的第四实施例中的相同。
如上所述，在本实施例中，基于燃料电池的交流阻抗和空气加湿量计算基本内阻R0，基于燃料电池的交流阻抗的变化的量校正燃料电池的输出特性。因此，可以计算出具有比第四和第五实施例更高精度的燃料电池的输出特性。
尽管参照本发明的实施例描述了本发明，但是可以理解，本发明不限于所述的实施例或结构。相反地，本发明旨在覆盖各种修改和等同布置。此外，尽管在各种实例性组合和配置中示出实施例的各个元件，但是包括更多、更少或仅一个元件的其它组合和配置也在本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，包括：
运行参数存储单元，存储燃料电池的内阻与表示所述燃料电池的运行状态的至少一个运行参数之间的关系，所述燃料电池的内阻不包括根据流向所述燃料电池的反应气体的流速所产生的所述燃料电池的扩散电阻以及根据所述反应气体的压力所产生的所述燃料电池的反应电阻两者；
检测单元，检测所述至少一个运行参数的现值；
内阻估算单元，参照在所述运行参数存储单元中存储的关系基于所述运行参数的所检测现值估算所述燃料电池的内阻，并设定所估算的内阻作为基本内阻；
IR无关输出特性存储单元，存储IR无关输出特性以及向所述燃料电池供应的空气的不同流速和压力，其中所述IR无关输出特性是所述燃料电池的输出电流和输出电压之间的关系，其不包括在所述空气的流速和压力下内阻的影响；
流速测量单元，测量向所述燃料电池供应的空气的流速；
压力测量单元，测量向所述燃料电池供应的空气的压力；
确定单元，基于所述空气的流速和压力确定所述燃料电池的IR无关输出特性；和
设定单元，基于所述基本内阻和所述IR无关输出特性设定所述燃料电池的基本输出特性。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：
输出电流测量单元，测量所述燃料电池的输出电流；
输出电压测量单元，测量所述燃料电池的输出电压；和
计算单元，基于所述输出电流和所述输出电压校正所述基本输出特性。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中
所述运行参数包括所述燃料电池的温度、所述燃料电池中的湿度、和阻抗中的至少一个，所述阻抗是通过使用具有预定频率的交流信号在所述燃料电池的输出端子之间测量的。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中
所述计算单元包括：
第一校正单元，基于所述输出电流和所述输出电压校正所述燃料电池的基本内阻；和
第二校正单元，使用所校正的基本内阻校正所述基本输出特性。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中
所述计算单元还包括：
校正值存储单元，存储所校正的基本内阻作为新基本内阻；
第三校正单元，当所述基本内阻存储在所述校正值存储单元中时，基于所述输出电流和所述输出电压进一步校正所述基本内阻；和
第四校正单元，使用进一步校正的基本内阻校正所述基本输出特性。
6.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中
所述检测单元包括：
阻抗测量单元，通过使用具有预定频率的交流信号测量在所述燃料电池的输出端子之间的阻抗；和
阻抗存储单元，存储所测量的阻抗；并且
所述计算单元包括：
比较单元，将所述阻抗测量单元测量的阻抗与所述阻抗存储单元中存储的先前测量的阻抗进行比较；和
输出特性校正单元，当所述比较单元的比较结果的所测量的阻抗与先前测量的阻抗之间的差等于或大于预定值时，所述输出特性校正单元校正所述基本内阻，当所述差小于所述预定值时，所述输出特性校正单元校正所述IR无关输出特性。
7.一种估算燃料电池的输出特性的方法，包括：
检测用以表示所述燃料电池的运行状态的至少一个运行参数的现值；
参照所述燃料电池的内阻与所述运行参数之间的关系，基于所检测的所述运行参数的现值估算所述燃料电池的内阻，其中所述燃料电池的内阻不包括根据流向所述燃料电池的反应气体的流速所产生的所述燃料电池的扩散电阻以及根据所述反应气体的压力所产生的所述燃料电池的反应电阻两者，以及将所估算的内阻设置为基本内阻；
测量向所述燃料电池供应的空气的流速；
测量向所述燃料电池供应的空气的压力；
基于所述空气的流速和压力确定所述燃料电池的IR无关输出特性；和
基于所述基本内阻和所述IR无关输出特性设定所述燃料电池的基本输出特性，其中所述IR无关输出特性是所述燃料电池的输出电流和输出电压之间的关系，其不包括向所述燃料电池供应的空气处于不同流速和压力下时内阻的影响。
8.根据权利要求7所述的估算燃料电池的输出特性的方法，还包括：
测量所述燃料电池的输出电流和输出电压；和
基于所述输出电流和所述输出电压校正所述基本输出特性。
9.根据权利要求7或8所述的估算燃料电池的输出特性的方法，其中
所述运行参数包括所述燃料电池的温度、所述燃料电池中的湿度、和阻抗中的至少一个，所述阻抗是通过使用具有预定频率的交流信号在所述燃料电池的输出端子之间测量的。
10.根据权利要求8或9所述的估算燃料电池的输出特性的方法，还包括：
基于所述输出电流和所述输出电压校正所述燃料电池的基本内阻；和
使用所校正的基本内阻校正所述基本输出特性。
11.根据权利要求10所述的估算燃料电池的输出特性的方法，还包括：
存储所校正的基本内阻作为新基本内阻；
当基本内阻被存储时，基于所述输出电流和所述输出电压校正所述基本内阻；和
使用进一步校正的基本内阻校正所述输出特性。
12.根据权利要求8或9所述的估算燃料电池的输出特性的方法，还包括：
通过使用具有预定频率的交流信号测量在所述燃料电池的输出端子之间的阻抗；
将所测量的阻抗与先前测量的阻抗进行比较；和
当比较结果为所测量的阻抗与先前测量的阻抗之间的差等于或大于预定值时，校正所述基本内阻，当所述差小于所述预定值时，校正所述IR无关输出特性。
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