CN101611512A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统可高精度地检测出燃料电池的水分状态，从而对该燃料电池的水分状态进行适当的控制。FC出口温度变化速度检测部(180)根据由温度传感器检测出的FC出口温度来检测单位时间内的FC出口温度变化速度。FC出口温度变化速度检测部(180)在判断为所检测出的FC出口温度变化速度低于存储器(153)中存储的变化速度基准值时，向阻抗计算部(140)发送阻抗测定指令。阻抗计算部(140)在接收来自FC出口温度变化速度检测部(180)的阻抗测定指令后，进行第二次阻抗测定。因此，能够实现以最少限度的阻抗测定次数(例如两次)来适当地保持燃料电池(40)的水分量的扫气控制。

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

当外部温度较低时，在燃料电池系统停止后，在燃料电池的内部产生的水会冻结，配管、阀等会产生破损，因此提出了通过在系统停止时进行扫气处理来将燃料电池内部滞留的水分排出到外部的方法。

然而，如果每次在系统停止时就进行扫气处理，则会因为在本不需要进行扫气处理时进行了该处理，从而使燃料电池过度干燥，反而产生起动性变差等问题。

鉴于这种问题，提出了在停止燃料电池系统的运转时，通过测定燃料电池的阻抗来检测燃料电池的水分状态(即电解质膜的干燥状态)，并根据检测结果来控制扫气处理的方法(例如参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2002-246053号公报

发明内容

在这里，为了测定燃料电池的阻抗，需要使用燃料气体，但向该系统输入停止命令后，停止燃料气体对燃料电池的供给，使阻抗测定所需要的燃料气体的使用受到限制。因此，需要尽可能地减少阻抗测定的次数(或者不进行阻抗测定)，并精度良好地检测燃料电池的水分状态，但人们还未提出实现这一方法的系统。

本发明鉴于以上所说明的问题，其目的在于提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统通过高精度地检测燃料电池的水分状态，可适当地控制该燃料电池的水分量。

为了解决以上问题，本发明的燃料电池系统的特征在于，具有：变化量检测单元，检测燃料电池的相关温度的变化量；存储单元，存储变化量基准值；和水分状态检测单元，根据所述相关温度的变化量与所述变化量基准值的比较结果来对所述燃料电池的水分状态进行检测。

采用这种结构，可根据燃料电池相关温度的变化量与设定了的变化量基准值的比较结果来检测燃料电池的水分状态，因此即使不反复测定阻抗，也能掌握该燃料电池的水分状态。因此，能够进行以最少限度的阻抗测定次数(例如两次)来适当地保持燃料电池的水分量的控制。

另外，本发明的燃料电池系统，具有对燃料电池的阻抗进行测定的测定单元，其特征在于，包括：存储器，存储扫气处理开始时的燃料电池的阻抗；相关温度传感器，检测扫气处理开始后的燃料电池的相关温度；检测单元，检测所述相关温度在单位时间内的变化量；第一存储单元，存储变化量基准值；判断单元，根据所述相关温度的变化量与所述变化量基准值的比较结果，判断是否对所述燃料电池的阻抗进行测定；第二存储单元，存储阻抗基准值；和扫气控制单元，在由所述测定单元对所述燃料电池的阻抗进行了测定的情况下，根据所测定的阻抗与所述阻抗基准值的比较结果来控制所述扫气处理。

在这里，上述结构优选以下方式：所述扫气控制单元根据所测定的阻抗与所述阻抗基准值的比较结果，判断结束还是继续所述扫气处理，并进行与判断结果对应的控制。。

另外，上述结构优选以下方式：所述扫气控制单元，在判断为继续所述扫气处理的情况下，利用所述存储器中存储的扫气处理开始时燃料电池的阻抗和由所述测定单元测定的阻抗来推算扫气结束时间，并在推算出的扫气结束时间经过后，结束所述扫气处理。

另外，上述结构优选以下方式：还具有外部气体温度传感器，检测外部气体温度；和校正单元，根据由所述外部气体温度传感器所检测出的外部气体温度，对所述变化量基准值进行校正，所述判断单元根据校正后的变化量基准值与所述相关温度的变化量的比较结果，判断是否对所述燃料电池的阻抗进行测定。

另外，上述结构优选以下方式：还具有校正单元，所述校正单元根据由所述相关温度传感器所检测出的相关温度，对所述变化量基准值进行校正，所述判断单元根据校正后的变化量基准值与所述相关温度的变化量的比较结果，判断是否对所述燃料电池的阻抗进行测定。

另外，上述结构中，优选所述相关温度的变化量为所述相关温度的变化速度，优选所述相关温度为循环于所述燃料电池的冷却水的温度。

如以上所说明，采用本发明，可通过高精度地检测燃料电池的水分状态来适当地控制该燃料电池的水分量。

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是用于说明该实施方式的控制单元的扫气控制功能的图。

图3A是例示该实施方式的扫气时间与FC出口温度的关系的图。

图3B是例示该实施方式的扫气时间与FC出口温度变化速度的关系的图。

图3C是例示该实施方式的扫气时间与测定阻抗的关系的图。

图4是表示该实施方式的扫气控制处理的流程图。

图5是例示变形例2的外部气体温度与FC出口温度变化速度的关系的图。

图6是例示变形例3的FC出口温度与FC出口温度变化速度的关系的图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

A.本实施方式

<整体结构>

图1表示搭载有本实施方式的燃料电池系统100的车辆的概略结构。在以下说明中，作为车辆的一例，设想燃料电池汽车(FCHV：FuelCell Hybrid Vehicle)，但本发明也可适用于电动汽车或混合动力汽车。另外，不仅可适用于车辆，还可适用于各种移动体(例如船舶、飞机、机器人等)。

该车辆以与车轮63L、63R连接的同步电机61为驱动力来源进行行驶。同步电机61的电源为燃料电池40或蓄电池20。从这些燃料电池40或蓄电池20输出的电力被变换器60转换为三相交流，供给到同步电机61。同步电机61还可在制动时作为发电机发挥作用。

燃料电池40为由所供给的燃料气体及氧化气产生电力的单元，具有串联地层积多个单体电池的堆叠构造，其中所述多个单体电池具有含电解质膜的MEA等。具体而言，可采用固体高分子型、磷酸型、熔融碳酸盐型等各种类型的燃料电池。

冷却机构70为冷却燃料电池40的装置，具有对冷却水加压而使其循环的泵、将冷却水的热量向外部放出的热交换器(以上均省略图示)等。

燃料电池40中设置有检测所供给的各气体的流量的流量传感器41和检测燃料电池侧的冷却水温度(FC出口温度)的温度传感器(相关温度传感器)43。其中，本实施方式中假设了FC出口温度，但只要可检测出燃料电池周围的部件温度等、与燃料电池40相关的温度(相关温度)，则任何温度传感器都可以。

蓄电池20是可充放电的二次电池，例如由镍氢蓄电池等构成。除此以外，也可采用各种二次电池。另外，也可采用二次电池以外的可充放电的蓄电器，例如也可以使用电容器。该蓄电池20插设于燃料电池40的放电路径中，与燃料电池40并联连接。

燃料电池40和蓄电池20与变换器60并联连接，从燃料电池40到变换器60的电路上设置有用于防止来自蓄电池20的电流或同步电机61所发电的电流产生逆流的情况的二极管42。

这样，为了实现并联连接的燃料电池40及蓄电池20这两个电源之间适当的分配输出，需要对两电源的相对的电压差进行控制。为了控制该电压差，在蓄电池20和变换器60之间设置有DC/DC转换器30。DC/DC转换器30为直流电压变压器，具有调整从蓄电池20输入的DC电压并向燃料电池40侧输出的功能和调整从燃料电池40或电机61输入的DC电压并向蓄电池20侧输出的功能。

在蓄电池20和DC/DC转换器30之间连接有车辆辅机50和FC辅机51，蓄电池20为这些辅机的电源。车辆辅机50是指车辆运转时等使用的各种电力设备，包括照明设备、空调设备、油压泵等。另外，FC辅机51是指用于燃料电池40运转的各种电力设备，包括用于供给燃料气体或改性原料的泵、调整改性器的温度的加热器等。

上述各元件的运转受控制单元10控制。控制单元10作为内部具有CPU、RAM、ROM等的微机构成。控制单元10控制变换器60的开关，将对应于要求动力的三相交流输出到同步电机61。另外，控制单元10控制燃料电池40及DC/DC转换器30的运转，以使其供给对应于要求动力的电力。向该控制单元10输入各种传感器信号。例如，从如下传感器向控制单元10输入各种传感器信号：加速踏板传感器11；检测蓄电池20的充电状态SOC(State OF Charge)的SOC传感器21；流量传感器41；温度传感器43；检测外部气体温度的外部气体温度传感器44；和检测车速的车速传感器62等。

在本实施方式中，利用输入的各种传感器信号求得FC出口温度的变化速度，从求得的FC出口温度的变化速度检测出燃料电池40的水分状态。由此，能够实现以最少限度的阻抗测定次数(例如两次)来适当地保持燃料电池40的水分量的扫气控制。以下对本实施方式的扫气控制功能进行说明。

<扫气控制功能的说明>

图2是用于说明控制单元10的扫气控制功能的图。

如图2所示，控制单元10具有阻抗计算部140、阻抗比较部150、扫气控制部160、及FC出口温度变化速度检测部180。

阻抗计算部(测定单元)140，在输入该系统的停止命令时，进行第一次阻抗测定，扫气处理即将开始前的阻抗(第一测定阻抗)与扫气时间的对应关系(如图3C所示，(t，in)＝(t0，in0))存储于测定存储器152中。另一方面，扫气控制部(扫气控制单元)160将该系统的停止命令的输入作为触发开始进行扫气处理。之后，阻抗计算部140从FC出口温度变化速度检测部180接收阻抗测定指令后，进行第二次阻抗测定，将作为测定结果的第二测定阻抗与扫气时间的对应关系(如图3C所示，(t，in)＝(t1，in1))存储于测定存储器152中。并且，阻抗计算部140向阻抗比较部150发送阻抗比较指令(将在下文中详细介绍)。

FC出口温度变化速度检测部(变化量检测单元、检测单元)180，将该系统的停止命令的输入作为触发，根据由温度传感器43所检测出的FC出口温度，检测单位时间内的FC出口温度的变化速度(以下称为FC出口温度变化速度)。

图3A是例示扫气时间与FC出口温度的关系的图，图3B是例示扫气时间与FC出口温度变化速度的关系的图，图3C是例示扫气时间与测定阻抗的关系的图。

比较图3A和图3B之后可以明显看出，随着扫气时间变长，FC出口温度缓慢下降，另一方面FC出口温度变化速度的绝对值在暂时上升之后缓慢下降。FC出口温度变化速度检测部180判断所检测出的FC出口温度变化速度是否低于存储器(第一存储单元)153中存储的变化速度基准值V_S(变化量基准值，参照图3B)。该变化速度基准值是用于判断燃料电池40的水分量是否接近适当值的基准值，预先通过实验等求出。当FC出口温度变化速度检测部180判断为所检测出的FC出口温度变化速度低于变化速度基准值时(参照图3B所示的扫气时间t1)，向阻抗计算部140发送阻抗测定指令。

阻抗比较部(水分状态检测单元、判断单元)150，在从阻抗计算部140接收阻抗测定指令时，参照存储器(第二存储单元)151中存储的阻抗基准值(扫气结束目标阻抗)。阻抗基准值是为了防止燃料电池40的水分量过低(即，防止电解质膜过分干燥)而设定的基准值，预先通过实验等求出。

然后，阻抗比较部150对测定存储器152中存储的第二测定阻抗(测定的阻抗)和存储器151中存储的阻抗基准值进行比较。并且，阻抗比较部150判断第二测定阻抗是否超过阻抗基准值。阻抗比较部150在第二测定阻抗超过阻抗基准值时，通知扫气控制部160应结束扫气处理。

另一方面，当测定阻抗低于阻抗基准值时，阻抗比较部(扫气控制单元)150通过如下方式推算出扫气结束时间。具体而言，阻抗比较部150将第一测定阻抗in0、第二测定阻抗in1、阻抗基准值ins、第一测定阻抗的扫气时间t1代入下式(1)中，由此推算出扫气结束时间ts(图3C所示，(t，in)＝(ts，ins))。其后，阻抗比较部150在判断为经过了推算出的扫气结束时间时，通知扫气控制部160应结束扫气处理。在本实施方式中，假定所测定的阻抗相对于时间的变化为二次函数(y＝at²+in0)，但也可以利用指数函数等任意的函数。

$\mathrm{ts}=\sqrt{\frac{\mathrm{ins}-\mathrm{in}0}{\mathrm{in}1-\mathrm{in}0}}t1...\left(1\right)$

扫气控制部(扫气控制单元)160将该系统的停止命令的输入作为触发开始扫气处理，另一方面，根据来自阻抗比较部150的通知结束扫气处理。扫气处理的具体控制通过调整供给到燃料电池40的氧化气体的供给量、旁通阀(省略图示)的阀开度等来实现。通过以上说明的结构，能够实现以最少限度的阻抗测定次数(例如两次)来适当地保持燃料电池40的水分量的扫气控制。

以下对本实施方式的扫气控制处理进行说明。

<动作说明>

图4是表示由控制单元10间歇地执行的扫气控制处理的流程图。

扫气控制部160在输入该系统的停止命令时，以该停止命令作为触发开始进行扫气处理(步骤S100)。另一方面，阻抗计算部140在输入该系统的停止命令时，进行第一次阻抗测定，并将扫气处理即将开始前的第一测定阻抗与扫气时间的对应关系(如图3C所示，(t，in)＝(t0，in0))存储于测定存储器152中(步骤S110)。

另外，FC出口温度变化速度检测部180在输入该系统的停止命令时，根据由温度传感器43检测出的FC出口温度，检测出单位时间内的FC出口温度变化速度(步骤S120→步骤S130)。

并且，FC出口温度变化速度检测部180判断所检测出的FC出口温度变化速度是否低于存储于存储器153中的变化速度基准值(步骤S140)。该变化速度基准值是用于判断燃料电池40的水分量是否接近适当的值的基准值，预先通过实验等求出。当FC出口温度变化速度检测部180判断为所检测出的FC出口温度变化速度超过变化速度基准值时，返回步骤S120，重复执行以上一系列处理。

另一方面，FC出口温度变化速度检测部180在判断为所检测出的FC出口温度变化速度低于变化速度基准值时(参照图3B所示的扫气时间t1)，向阻抗计算部140发送阻抗测定指令。

阻抗计算部140从FC出口温度变化速度检测部180接收阻抗测定指令后，进行第二次阻抗测定(步骤S150)，将作为测定结果的第二测定阻抗与扫气时间的对应关系(如图3C所示，(t，in)＝(t1，in1))存储于测定存储器152中。并且，阻抗计算部140向阻抗比较部150发送阻抗比较指令。

阻抗比较部(判断单元)150从阻抗计算部140接收阻抗比较指令后，将测定存储器152中存储的第二测定阻抗与存储器151中存储的阻抗基准值(扫气结束目标阻抗)进行比较。并且，阻抗比较部判断第二测定阻抗是否超过阻抗基准值(步骤S160)。

阻抗比较部150在第二测定阻抗超过阻抗基准值时，通知扫气控制部160应结束扫气处理(步骤S170)。扫气控制部160根据来自阻抗比较部150的通知而结束扫气处理。

另一方面，阻抗比较部150在测定阻抗低于阻抗基准值时，进入到步骤S180，将第一测定阻抗in0、第二测定阻抗in1、阻抗基准值ins、第一测定阻抗的扫气时间t1代入上述式(1)中，从而推算出扫气结束时间ts(图3C所示，(t，in)＝(ts，ins))。

其后，阻抗比较部150在判断为经过了推算出的扫气结束时间后(步骤S190；是)，通知扫气控制部160应结束扫气处理(步骤S170)。扫气控制部160根据来自阻抗比较部150的通知而结束扫气处理。

如以上说明，采用本实施方式，由于根据FC出口温度变化速度判断燃料电池的水分状态，因此能够实现以最少限度的阻抗测定次数(例如两次)来适当地保持燃料电池40的水分量的扫气控制。其中，为了防止温度变化速度的误差，也可以在确认FC出口温度等没有过渡性的变化之后检测FC出口温度变化速度等。

B.变形例

<变形例1>

存储于存储器151中的阻抗基准值可以不依赖于燃料电池40的相关温度(例如FC出口温度等；FC相关温度)而始终为定值，也可以对每个FC相关温度分别设定所述阻抗基准值。例如，阻抗比较部150根据由温度传感器43等检测出的FC相关温度，从存储器151中读出该温度下的阻抗基准值。然后，阻抗比较部150利用读出的阻抗基准值进行与第二测定阻抗的比较。采用这种结构，能够更高精度地判断燃料电池40的水分状态。

<变形例2>

另外，存储于存储器153中的变化速度基准值也可以根据外部气体温度进行校正。众所周知，伴随着外部气体温度的降低，向外部的放热增加，FC出口温度变化速度上升(参照图5)。因此，FC出口温度变化速度检测部(校正单元)180根据由外部气体温度传感器44检测出的外部气体温度来校正变化速度基准值，利用校正后的变化速度基准值，从而能够更高精度地判断燃料电池40的水分状态。

<变形例3>

进而，存储于存储器153中的变化速度基准值也可以根据FC出口温度(燃料电池的相关温度)进行校正。众所周知，伴随着FC出口温度的降低，蒸发速度降低，FC出口温度变化速度降低(参照图6)。因此，FC出口温度变化速度检测部(校正单元)180根据由温度传感器43检测出的FC出口温度来校正变化速度基准值，利用校正后的变化速度基准值，从而能够更高精度地判断燃料电池40的水分状态。

<变形例4>

在以上实施方式中，是在该系统的停止命令输入之后、扫气处理即将开始前(扫气处理开始时间附近)，进行第一次阻抗测定，但也可以在扫气处理刚开始后(扫气处理开始时间附近)，进行第一次阻抗测定。另外，也可以将在该系统的停止命令输入之前测定的阻抗作为第一次的测定阻抗进行利用。

<变形例5>

在以上实施方式中，例示了将氧化气作为扫气处理时供给到燃料电池的气体的情况，但也可以适用燃料气体(氢等)或氮气等一切可以测定阻抗的气体。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具有：

变化量检测单元，检测燃料电池的相关温度的变化量；

存储单元，存储变化量基准值；和

水分状态检测单元，根据所述相关温度的变化量与所述变化量基准值的比较结果来对所述燃料电池的水分状态进行检测。

2.一种燃料电池系统，其具有对燃料电池的阻抗进行测定的测定单元，其特征在于，包括：

存储器，存储扫气处理开始时的燃料电池的阻抗；

相关温度传感器，检测扫气处理开始后的燃料电池的相关温度；

检测单元，检测所述相关温度在单位时间内的变化量；

第一存储单元，存储变化量基准值；

判断单元，根据所述相关温度的变化量与所述变化量基准值的比较结果，判断是否对所述燃料电池的阻抗进行测定；

第二存储单元，存储阻抗基准值；和

扫气控制单元，在由所述测定单元对所述燃料电池的阻抗进行了测定的情况下，根据所测定的阻抗与所述阻抗基准值的比较结果来控制所述扫气处理。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述扫气控制单元根据所测定的阻抗与所述阻抗基准值的比较结果，判断结束还是继续所述扫气处理，并进行与判断结果对应的控制。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述扫气控制单元，在判断为继续所述扫气处理的情况下，利用所述存储器中存储的扫气处理开始时的燃料电池的阻抗和由所述测定单元测定的阻抗来推算扫气结束时间，并在推算出的扫气结束时间经过后，结束所述扫气处理。

5.根据权利要求2至4中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，还具有：

外部气体温度传感器，检测外部气体温度；和

校正单元，根据由所述外部气体温度传感器所检测出的外部气体温度，对所述变化量基准值进行校正，

所述判断单元根据校正后的变化量基准值与所述相关温度的变化量的比较结果，判断是否对所述燃料电池的阻抗进行测定。

6.根据权利要求2至4中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

还具有校正单元，所述校正单元根据由所述相关温度传感器所检测出的相关温度，对所述变化量基准值进行校正，

所述判断单元根据校正后的变化量基准值与所述相关温度的变化量的比较结果，判断是否对所述燃料电池的阻抗进行测定。

7.根据权利要求2至6中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述相关温度的变化量为所述相关温度的变化速度。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述相关温度为循环于所述燃料电池的冷却水的温度。

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