CN101595587A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种可以缩短实际执行低温对策处理之前的时间的燃料电池系统。燃料电池系统的控制单元，在起动时，参照所检测的FC温度等，判断是否需要在起动时进行低温对策处理。控制单元当判断为需要进行低温对策处理时，不使燃料电池成为OCV状态地将该燃料电池的输出电压控制为用于低温对策处理的目标电压，并执行低温对策处理。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术
在外部温度较低时，产生如下问题：在燃料电池系统停止后在其内部产生的水会冻结，配管和阀等损坏的问题；冻结的水阻塞气体流路，在下一次起动燃料电池时妨碍气体的供给，电化学反应无法充分进行的问题。
鉴于这样的问题，提出进行以下的处理(以下称为低温对策处理)：在系统起动时，使对燃料电池的各个电极供给的阳极气体(例如燃料气体)以及阴极气体(例如氧化气体)中的至少任意一方为不足状态，使电极的一部分的过电压增加来提高燃料电池的温度(例如参照专利文献1)。
【专利文献1】日本特开2003-504807号公报
发明内容
但是，在现有技术中，在系统起动时暂时使燃料电池成为OCV状态(换言之，使燃料电池产生OCV(Open circuit voltage：开路电压))，在检查该系统中是否没有异常后判断低温对策处理的必要性。因此，在系统起动时，需要暂时使燃料电池成为OCV状态，存在实际执行低温对策处理之前需要花费较长时间的问题。
本发明是鉴于以上说明的情况而提出的，其目的在于提供一种能够缩短实际执行低温对策处理之前的时间的燃料电池系统。
为了解决上述的问题，本发明的燃料电池系统是可执行低温对策处理的燃料电池系统，其特征在于，具有判断单元，该判断单元在起动时燃料电池中产生开路电压之前判断低温对策处理的必要性。
如此，通过采用在系统起动时使燃料电池成为OCV状态之前(即，在燃料电池中产生开路电压之前)判断是否需要进行低温对策处理的结构，从而在判断为需要进行低温对策处理时，可以不使燃料电池成为OCV状态地转移到用于低温对策的目标运转动作点。由此，与使燃料电池暂时成为OCV状态之后进行低温对策处理的现有技术相比，可以缩短实际执行低温对策处理之前的时间。
在此，优选在上述结构还具有控制单元，该控制单元在由所述判断单元判断为需要进行低温对策处理时，使所述燃料电池不产生开路电压，而是产生用于低温对策的目标电压。
此外，优选在上述结构中还具有：诊断单元，在该系统结束时对与所述燃料电池相关的部件的状态进行诊断；以及存储单元，存储所述诊断的结果，所述判断单元根据在所述存储单元中存储的该系统结束时的诊断结果，判断所述低温对策处理的必要性。
并且，优选在上述结构中还具有温度传感器，检测与所述燃料电池相关的温度，所述判断单元根据在所述存储单元中存储的该系统结束时的诊断结果以及由所述温度传感器检测出的与所述燃料电池相关的温度，判断所述低温对策处理的必要性。
此外，优选在上述结构中，与所述燃料电池相关的部件是检测所述燃料电池的单体电池电压的单体电池电压传感器。
如上所述，根据本发明，可以缩短实际执行低温对策处理之前的时间。
附图说明
图1是表示本实施方式的燃料电池系统的结构的图。
图2是表示起动时的FC电压的变化的图。
图3A是表示不进行低温对策处理时的燃料电池的运转状态的图。
图3B是表示进行低温对策处理时的燃料电池的运转状态的图。
图4是表示起动处理的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
A本实施方式
(1)实施方式的结构
图1是表示本实施方式的燃料电池系统100的主要部分的结构的图。在本实施方式中，假定搭载在燃料电池汽车(FCHV：Fuel Cell HyblidVehicle)、电动汽车、混合动力汽车等车辆中的燃料电池系统，但并不仅限于车辆，还可以用于各种移动体(例如，船舶、飞机、机器人等)、定置型电源中。
燃料电池40是由供给的反应气体(燃料气体以及氧化气体)产生电力的单元，可以使用固体高分子型、磷酸型、熔融碳酸盐型等各种类型的燃料电池。燃料电池40具有串联地层积多个具备MEA等的单体电池的堆叠构造。分别通过电压传感器140以及电流传感器150检测该燃料电池40的输出电压(以下称为FC电压)以及输出电流(以下称为FC电流)。从燃料气体供给源10向燃料电池40的燃料电极(阳极)供给氢气等的燃料气体，另一方面，从氧化气体供给源70向氧极(阴极)供给空气等氧化气体。
燃料气体供给源10例如由氢罐以及各种阀等构成，通过调整阀开度和ON/OFF时间等，控制对燃料电池40供给的燃料气体量。
氧化气体供给源70由空气压缩机、驱动空气压缩机的电动机以及变换器等构成，通过调整该电动机的转速等，调整向燃料电池40供给的氧化气体量。
蓄电池60是能够进行充放电的二次电池，例如由镍氢蓄电池等构成。当然，还可以设置除二次电池以外的能够进行充放电的蓄电器(例如电容器)来代替蓄电池60。该蓄电池60经由DC/DC转换器130与燃料电池40并联连接。
变换器110例如是脉冲宽度调制方式的PWM变换器，根据由控制单元80给予的控制指令，将从燃料电池40或蓄电池60输出的直流电力转换为三相交流电力，并供给牵引电动机115。牵引电动机115是用于驱动车轮116L、116R的电动机(即，移动体的动力源)，该电动机的转速由变换器110控制。该牵引电动机115以及变换器110与燃料电池40侧连接。
DC/DC转换器130例如是由4个功率晶体管和专用的驱动电路(均省略图示)构成的全桥转换器。DC/DC转换器130具备在对从蓄电池60输入的DC电压进行升压或降压而输出到燃料电池40侧的功能、以及对从燃料电池40等输入的DC电压进行升压或者降压而输出到蓄电池60侧的功能。此外，通过DC/DC转换器130的功能实现蓄电池60的充放电。
在蓄电池60和DC/DC转换器130之间连接有车辆辅机和FC辅机等的辅机类120。蓄电池60成为这些辅机类120的电源。所谓车辆辅机是指在车辆运转时等使用的各种电力设备(照明设备、空调设备、油压泵等)，所谓FC辅机是指用于燃料电池40的运转的各种电力设备(用于供给燃料气体和氧化气体的泵等)。
单体电池电压传感器75在控制单元80的控制下，检测构成燃料电池40的各单体电池的电压(单体电池电压)。具体地说，在系统结束时等检测构成燃料电池40的各单体电池的电压，将检测结果输出给控制单元80。
控制单元80由CPU、ROM、RAM等构成，根据从电压传感器140、电流传感器150、检测燃料电池40的温度(FC温度)的温度传感器50、检测蓄电池60的充电状态的SOC传感器、以及油门踏板等输入的各传感器信号，中枢地控制该系统各部。
此外，控制单元80在该系统的运转结束时进行单体电池电压的检测。具体地说，控制单元(诊断单元)80根据由单体电池电压传感器(与燃料电池相关的部件)75所检测出的各单体电池电压，进行该系统是处于正常状态还是处于异常状态的判断(以下称为单体电池监视诊断)，将诊断的结果存储在非易失性存储器(存储单元)85中。作为非易失性存储器85，可以列举出FRAM(Ferroelectric Random AccessMemory：铁电存储器)等，但并不限于此，可以采用各种存储器。
并且，控制单元80在起动该系统时，首先访问非易失性存储器85，确认是否在非易失性存储器85中存储有表明正常的诊断结果。控制单元80在判断为存储有表明正常的诊断结果时，根据由温度传感器50等所检测的FC温度，判断在起动时是否需要进行低温对策处理。
图2是表示起动时的FC电压的变化的图，用实线表示不产生OCV地进行低温对策处理时的FC电压的变化，用虚线表示在产生OCV后进行低温对策处理时的FC电压的变化。
控制单元80在判断为需要进行低温对策处理时，不使燃料电池40成为OCV状态，而将该燃料电池40的输出电压控制为用于低温对策处理的目标电压，并执行低温对策处理(参照图2的A部分，将在后面进行详细的说明)。如此，通过在使燃料电池40成为OCV状态之前进行是否需要低温对策处理的判断，从而可以缩短实际起动该系统之前的时间。
但是，控制单元80在判断为没有存储表明正常的诊断结果时(例如，在由于车辆检修等，过去的诊断结果被删除的情况下等)，无法进行该系统是否正常的判断。在此，为了进行该系统是否正常的单体电池监视诊断，需要使燃料电池40成为OCV状态，因此控制单元80在暂时使燃料电池40成为OCV状态后，通过利用该燃料电池40来进行单体电池监视诊断。控制单元80当得到了表明正常的诊断结果时，如上述那样判断是否需要进行低温对策处理，当判断为需要进行低温对策处理时执行低温对策处理(参照图2的A′部分，将在后面进行详细的说明)。
(低温对策处理)
图3A是用于说明不进行低温对策处理时的燃料电池的运转(通常运转)的图，图3B是用于说明进行低温对策处理时的燃料电池的运转(低效率运转)的图。在图3A以及图3B中，横轴表示FC电流，纵轴表示FC电压。
一般，在得到图3所示的电流/电压特性(以下称为IV特性)的燃料电池40中，在相对于输出电力而言电力损失较小的通常运转动作点(Ifc1、Vfc1)进行运转(参照图3A)。
与此相对，在进行低温对策处理时，在电力损失较大的低效率运转动作点(Ifc2、Vfc2)进行运转，使燃料电池40的内部温度上升(参照图3B)。在进行该低效率运转的过程中，在通过氢和氧的反应取出的能量中，电力损失量(即，热损失量)积极地增大，因此可以迅速暖机。
在本实施方式中，在进行低温对策处理时，不是像图3B的α所示的那样在使燃料电池40成为OCV状态之后转移到用于低温对策处理的目标运转动作点(Ifc2、Vfc2)，而是像图3B的β所示的那样不使燃料电池40成为OCV状态地转移到用于低温对策处理的目标运转动作点(Ifc2、Vfc2)。由此，可以缩短实际起动该系统之前的时间。以下说明本发明的燃料电池系统100的起动时的动作。
(2)实施方式的动作
图4是表示由控制单元80所执行的起动处理的流程图。
控制单元80当检测到输入了该系统的起动要求时(步骤S10)，参照非易失性存储器85(步骤S20)，确认是否在非易失性存储器85中存储有表明正常的诊断结果(步骤S30)。
控制单元(判断单元)80当判断为存储有表明正常的诊断结果时(步骤S30：是)，参照由温度传感器50等所检测出的FC温度等，判断在起动时是否需要进行低温对策处理(步骤S40)。举一个例子进行说明，在由温度传感器50所检测的FC温度低于设定的阈值温度时，判断为需要进行低温对策处理。当然，判断方法并不限于此，例如也可以检测外部气体温度或者其他系统部件的温度来代替FC温度，在外部气体温度低于阈值温度时判断为需要进行低温对策处理。
控制单元80当判断为需要进行低温对策处理时(步骤S40：是)，不使燃料电池40成为OCV状态，而将该燃料电池40的输出电压控制为用于低温对策处理的目标电压，并执行低温对策处理(参照图2的实线)。
当进行详细的叙述时，首先，控制单元80根据作为目标的FC温度和本次检测到的FC温度的差分，运算图3B所示的用于低温对策处理的目标运转动作点(Ifc2、Vfc2)。当进行该运算时，控制单元80通过控制DC-DC转换器130，使燃料电池40的运转动作点转移到目标运转动作点(Ifc2、Vfc2)，开始低效率运转(步骤S50)。具体地说，控制单元80不使燃料电池40成为OCV状态，在沿着图3B的β所示的路径转移到用于低温对策处理的目标运转动作点(Ifc2、Vfc2)后，开始进行低效率运转。如此，通过不使燃料电池40成为OCV状态地转移到用于低温对策的目标运转动作点(Ifc2、Vfc2)，可缩短实际起动该系统之前的时间。
另一方面，在判断为不需要进行低温对策处理时(步骤S40；否)，控制单元80在使燃料电池40转移到通常运转动作点(Ifc1、Vfc1)之后(参照图3A)，开始进行通常运转(步骤S60)。
此外，控制单元80当判断为在非易失性存储器85中没有存储表明正常的诊断结果时(步骤S30：否)，暂时使燃料电池40成为OCV状态(步骤S70)。如此在起动前产生OCV是为了实施单体电池监视诊断。如上所述，在起动该系统时，需要确认该系统正常，但是在非易失性存储器85中没有存储表明正常的诊断结果的情况下，无法进行是否正常的判断。因此，在这样的情况下，在暂时使燃料电池40成为OCV状态后(参照图2的虚线)，通过利用该燃料电池40来进行单体电池监视诊断(步骤S80)。
控制单元80当得到了表明正常的诊断结果时，进入到步骤S40，判断是否需要进行低温对策处理。控制单元80当判断为需要进行低温对策处理时，在使燃料电池40转移到用于低温对策处理的目标运转动作点(Ifc2、Vfc2)之后，开始进行低效率运转。但是，此时，因为在起动前使燃料电池40成为了OCV状态，所以在沿图3B的α所示的路径转移到用于低温对策处理的目标运转动作点(Ifc2、Vfc2)之后，开始进行低温运转(步骤S40→步骤S50)。另一方面，控制单元80当判断为不需要进行低温对策处理时，与上述相同，在使燃料电池40转移到通常运转动作点(Ifc1、Vfc1)之后(参照图3A)，开始进行通常运转(步骤S40→步骤S60)。
如上所述，根据本实施方式，当在系统起动时进行低温对策处理时，在使燃料电池成为OCV状态之前判断是否需要进行低温对策处理。当在该判断中判断为需要进行低温对策处理时，不使燃料电池成为OCV状态地转移到用于低温对策的目标运转动作点，由此可以缩短实际起动系统之前的时间。
在上述的本实施方式中，当在非易失性存储器85中存储有表明正常的诊断结果，并且判断为需要进行低温对策处理时，不使燃料电池40成为OCV状态地转移到用于低温对策的目标运转动作点，但是如果可以通过某些方法确认在该系统中没有异常，则也可以与有无诊断结果无关地在判断为需要进行低温对策处理的情况下，不使燃料电池40成为OCV状态地转移到用于低温对策的目标运转动作点。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，可执行低温对策处理，其特征在于，
具有判断单元，该判断单元在起动时燃料电池中产生开路电压之前判断低温对策处理的必要性。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备控制单元，该控制单元在由所述判断单元判断为需要进行低温对策处理时，使所述燃料电池不产生开路电压，而是产生用于低温对策处理的目标电压。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，还具有：
诊断单元，在该系统结束时对与所述燃料电池相关的部件的状态进行诊断；以及
存储单元，存储所述诊断的结果，
所述判断单元根据在所述存储单元中存储的该系统结束时的诊断结果，判断所述低温对策处理的必要性。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具有温度传感器，检测与所述燃料电池相关的温度，
所述判断单元根据在所述存储单元中存储的该系统结束时的诊断结果和由所述温度传感器检测出的与所述燃料电池相关的温度，判断所述低温对策处理的必要性。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，
当在所述存储单元中存储有表明正常的诊断结果、且由所述温度传感器检测出的与所述燃料电池相关的温度低于阈值温度时，所述判断单元判断为需要进行所述低温对策处理。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池系统，其特征在于，
与所述燃料电池相关的部件是检测所述燃料电池的单体电池电压的单体电池电压传感器。
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