CN101689658A - 燃料电池系统 - Google Patents

燃料电池系统 Download PDF

Info

Publication number
CN101689658A
CN101689658A CN200880015475A CN200880015475A CN101689658A CN 101689658 A CN101689658 A CN 101689658A CN 200880015475 A CN200880015475 A CN 200880015475A CN 200880015475 A CN200880015475 A CN 200880015475A CN 101689658 A CN101689658 A CN 101689658A
Authority
CN
China
Prior art keywords
scavenging
fuel cell
impedance
mentioned
time
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN200880015475A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101689658B (zh
Inventor
今村朋范
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of CN101689658A publication Critical patent/CN101689658A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101689658B publication Critical patent/CN101689658B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04634—Other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04649—Other electric variables, e.g. resistance or impedance of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H01M8/04671—Failure or abnormal function of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/0494—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04947—Power, energy, capacity or load of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)

Abstract

燃料电池系统具有：交流阻抗测定部(92)，在扫气开始时点测定燃料电池的交流阻抗，并且在从扫气开始时点起经过了规定时间的时点测定燃料电池的交流阻抗；扫气实施时间推测部(94)，根据在扫气开始时点测定的交流阻抗、在从扫气开始时点起经过了规定时间的时点测定的交流阻抗、及规定时间，推测扫气实施时间；异常处理部(95)，从扫气开始时点起到经过了规定时间的时点为止的期间内，燃料电池的单体电池电压低于规定阈值时，强制结束扫气处理。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及到一种接收反应气体的供给而发电的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池组是通过将燃料气体及氧化气体提供到膜一电极组合体而产生电气化学反应、并将化学能量变换为电能的能量变换系统。其中，将固体高分子膜用作电解质的固体高分子电解质型燃料电池组成本低、小型化，并具有高的输出密度，因此在车载电源的用途方面令人期待。
燃料电池的气体流路内部残留有因反应气体的电气化学反应而产生的生成水、或用于对反应气体进行加湿的加湿水等，在放置该残留水分的状态下停止发电时，在低温环境下，残留水分冻结，妨碍反应气体对膜一电极组合体的扩散，低温起动性下降。鉴于这一问题，日本特开2002-246053号公报中提出了以下方法：在运转停止时向燃料电池组内部供给扫气气体，以去除水分，通过测量燃料电池组的交流阻抗，判断电解质膜的干燥程度。
专利文献1：日本特开2002-246053号公报
发明内容
但在具有根据在开始扫气的时点测定的燃料电池组的交流阻抗、及开始扫气后经过规定时间测定的燃料电池组的交流阻抗来推测扫气实施时间的功能的燃料电池系统中，扫气开始时的燃料电池内部的残留水分较少的话，扫气开始到经过规定时间之前，电解质膜可能会过度干燥，燃料电池会受损。
因此，本发明的课题在于，解决上述问题，提供一种可实施不使燃料电池过度干燥的故障保险(fail safe)处理的燃料电池系统。
为了解决上述课题，本发明涉及的燃料电池系统具有：燃料电池；扫气装置，向上述燃料电池供给扫气气体；交流阻抗测定部，在扫气开始时点测定上述燃料电池的交流阻抗，并且在从上述扫气开始时点起经过了规定时间的时点测定上述燃料电池的交流阻抗；扫气实施时间推测部，根据在上述扫气开始时点测定的交流阻抗、在从上述扫气开始时点起经过了规定时间的时点测定的交流阻抗、及上述规定时间，推测扫气实施时间；和异常处理部，在从上述扫气开始时点到经过上述规定时间的时点为止的期间内，上述燃料电池的单体电池电压低于规定阈值时，强制结束扫气处理。
单体电池电压的下降意味着燃料电池内部干燥，因此当单体电池电压低于规定阈值时强制结束扫气处理，可实施不使燃料电池过度干燥的故障保险处理。
其中，优选扫气实施时间推测部利用内插函数推测扫气实施时间。伴随扫气处理中的时间经过的交流阻抗的变化可近似于某个特定的函数曲线，因此通过利用内插函数可提高推测精度。
扫气开始时点起经过规定时间的时点可以是燃料电池的温度变化速度的绝对值小于规定阈值的时点，或者也可是预先确定的一定时间。通过尽量在估计燃料电池内部含水量下降的时期来测定交流阻抗，可提高扫气实施时间推测精度。
附图说明
图1是本实施方式涉及的燃料电池系统的构成图。
图2是电池的分解透视图。
图3是表示电池的电气特性的等价电路图。
图4是在复平面上表示燃料电池组的交流阻抗的图表。
图5是扫气处理涉及的控制单元的功能块图。
图6A是表示点火开关的开/关状态的时序图。
图6B是提供到异常处理部的单体电池电压测定指示的时序图。
图6C是表示扫气处理中的单体电池电压的变化的时序图。
图6D是提供到交流阻抗测定部的交流阻抗测定指示的时序图。
图6E是表示测定存储器中存储的交流阻抗的值的时序图。
图6F是表示异常结束标志的开/关的时序图。
图6G是表示提供到燃料电池组的空气流量的时序图。
图7A是表示点火开关的开/关状态的时序图。
图7B是提供到异常处理部的单体电池电压测定指示的时序图。
图7C是表示扫气处理中的单体电池电压的变化的时序图。
图7D是提供到交流阻抗测定部的交流阻抗测定指示的时序图。
图7E是表示测定存储器中存储的交流阻抗的值的时序图。
图7F是表示异常结束标志的开/关状态的时序图。
图7G是表示提供到燃料电池组的空气流量的时序图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明涉及的实施方式。
图1表示本实施方式涉及的燃料电池系统10的系统构成。
燃料电池系统10作为搭载到燃料电池车辆的车载电源系统作用，具有：燃料电池组20，接受反应气体(燃料气体、氧化气体)的供给并发电；氧化气体供给系统30，将作为氧化气体的空气提供到燃料电池组20；燃料气体供给系统40，将作为燃料气体的氢气提供到燃料电池组20；电力系统50，控制电力的充电放电；冷却系统60，冷却燃料电池组20；控制单元(ECU)90，控制系统整体。
燃料电池组20是串联层叠多个电池而成的固体高分子电介质型电池组。在燃料电池组20中，在阳极中产生公式(1)的氧化反应，在阴极中产生公式(2)的还原反应。作为燃料电池组20整体，产生公式(3)的起电反应。
H2→2H++2e-  …(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O  …(2)
H2+(1/2)O2→H2O  …(3)
燃料电池组20上安装有：用于检测燃料电池组20的输出电压的电压传感器71、用于检测发电电流的电流传感器72、及用于检测单体电池电压的电池监控器(单体电池电压检测器)75。
氧化气体供给系统30具有：氧化气体通路34，提供到燃料电池组20的阴极的氧化气体在其中流动；氧化废气通路36，从燃料电池组20排出的氧化废气在其中流动。氧化气体通路34中设有：空气压缩机32，通过过滤器31从大气中取入氧化气体；加湿器33，用于对提供到燃料电池组20的阴极的氧化气体加湿；节流阀35，调整氧化气体供给量。氧化废气通路36中设有：背压调整阀37，调整氧化气体供给压力；加湿器33，在氧化气体(干燥气体)和氧化废气(湿润气体)之间进行水分交换。
燃料气体供给系统40具有：燃料气体供给源41；燃料气体通路45，从燃料气体供给源41提供到燃料电池组20的阳极的燃料气体在其中流动；循环通路46，使从燃料电池组20排出的燃料废气返回到燃料气体通路45；循环泵47，使循环通路46内的燃料废气压送到燃料气体通路43；排气排水通路48，与循环通路47分支连接。
燃料气体供给源41例如由高压氢罐、贮氢合金等构成，存储高压(例如35MPa到70MPa)的氢气。打开截止阀42时，燃料气体从燃料气体供给源41流出到燃料气体通路45。燃料气体通过调节器43、喷射器44例如减压到200kPa左右，提供到燃料电池组20。
此外，燃料气体供给源41也可由以下构成：由烃系燃料生成富氢的改性气体的改性器；使该改性器生成的改性气体为高压状态而蓄压的高压气罐。
调节器43是将其上游侧压力(一次压)调压为预先设定的二次压的装置，例如由对一次压进行减压的机械式的减压阀等构成。机械式减压阀具有如下构造：具有隔着隔板形成有背压室和调压室的壳体，通过背压室内的背压，在调压室内将一次压减压为规定的压力，作为二次压。
喷射器44是通过电磁驱动力将阀芯直接以规定的驱动周期驱动以从阀座离开、从而可调整气体流量或气体压力的电磁驱动式的开关阀。喷射器44具有阀座，其具有喷射燃料气体等气体燃料的喷射孔，并且还具有：喷嘴管体，将该气体燃料提供引导到喷射孔；阀芯，可相对该喷嘴管体在轴线方向(气体流动方向)移动地被收容保持，开关喷射孔。
排气排水通路48中设有排气排水阀49。排气排水阀49通过来自控制单元90的指令进行动作，从而将包括循环通路46内的杂质在内的燃料废气和水分排出到外部。通过排气排水阀49的开阀，循环通路46内的燃料废气中的杂质浓度下降，可提高在循环系统内循环的燃料废气中的氢浓度。
通过排气排水阀49排出的燃料废气与在氧化废气通路34中流动的氧化废气混合，通过稀释器(未图示)被稀释。循环泵47通过马达驱动将循环系统内的燃料废气循环提供到燃料电池组20。
电力系统50具有：DC/DC转换器51、蓄电池52、牵引变换器53、牵引马达54、及辅机55。DC/DC转换器51是具有以下功能的电力变换装置：使蓄电池52提供的直流电压升压并输出到牵引变换器53；将燃料电池组20发电的直流电、或通过再生制动由牵引马达54回收的再生电降压，充电到蓄电池52。通过DC/DC转换器51的这些功能，控制蓄电池52的充电放电。并且，通过DC/DC转换器51的电压变换控制，控制燃料电池组20的运转点(输出电压、输出电流)。
蓄电池52作为剩余电力的存储源、再生制动时的再生能量存储源、伴随燃料车辆的加速或减速的负荷变动时的能量缓冲器作用。作为蓄电池52，例如可适用镍/镉蓄电池、镍/氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。
牵引变换器53例如是由脉宽调制方式驱动的PWM变换器，根据来自控制单元90的控制命令，将燃料电池组20或蓄电池52输出的直流电压变换为三相交流电压，控制牵引马达54的旋转转矩。牵引马达54例如是三相交流马达，构成燃料电池车辆的动力源。
辅机55是配置在燃料电池系统10内各部的各马达(例如泵类等动力源)、用于驱动这些马达的变换器类、及各种车载辅机类(例如空气压缩机、喷射器、冷却水循环泵、散热器等)的总称。
冷却系统60具有：致冷剂通路61、62、63、64，在燃料电池组20内部循环的致冷剂在其中流动；压送致冷剂的循环泵65；在致冷剂和外气之间进行热交换的散热器66；切换致冷剂循环通路的三通阀67；检测致冷剂温度的温度传感器74。在预热运转完成后的普通运转时，对三通阀67进行开关控制，使得从燃料电池组20流出的致冷剂流经致冷剂通路61、64并在散热器66中冷却后，流经致冷剂通路63并再次流入到燃料电池组20。
控制器90是具有CPU、ROM、RAM及输入输出接口等的计算机系统，作为控制燃料电池系统10的各部分(氧化气体供给系统30、燃料气体供给系统40、电力系统50、冷却系统60)的控制装置作用。例如，控制器90接收到从点火开关输出的起动信号IG时，开始燃料电池10的运转，根据从油门传感器输出的油门开度信号ACC、从车速传感器输出的车速信号VC等，求出系统整体的要求电力。
系统整体的要求电力是车辆行驶电力和辅机电力的总值。辅机电力包括：车载辅机类(加湿器、空气压缩机、氢泵、冷却水循环泵等)消耗的电力，车辆行驶所需装置(变速机、车轮控制装置、转向装置、悬挂装置等)消耗的电力，乘员空间内配置的装置(空调装置、照明器具、音响等)消耗的电力等。
并且，控制器90决定燃料电池组20和蓄电池52各自的输出电力的分配，计算发电指令值，并且控制氧化气体供给系统30及燃料气体供给系统40以使燃料电池组20的发电量和目标电力一致。进一步，控制单元90通过控制DC/DC转换器51，调整燃料电池组20的输出电压，来控制燃料电池组20的运转点(输出电压、输出电流)。控制器90为了获得和油门开度对应的目标车速，例如作为开关指令将U相、V相及W相的各交流电压指令值输出到牵引变换器53，控制牵引马达54的输出转矩及转速。
图2是构成燃料电池组20的电池21的分解透视图。
电池21由电解质膜22、阳极23、阴极24、隔板26、27构成。阳极23及阴极24是从两侧夹持电解质膜22的夹层构造的扩散电极。由非透气性导电部件构成的隔板26、27进一步从两侧夹持该夹层构造，同时在阳极23及阴极24之间分别形成燃料气体及氧化气体的通路。隔板26上形成截面凹形的肋26a。肋26a与阳极23抵接，从而堵塞肋26a的开口部，形成燃料气体通路。隔板27上形成有截面凹形的肋27a。肋27a与阴极24抵接，从而堵塞肋27a的开口部，形成氧化气体通路。
阳极23以承载铂系金属催化剂(Pt，Pt-Fe，Pt-Cr，Pt-Ni，Pt-Ru等)的碳粉末为主要成分，具有：催化剂层23a，与电解质膜22连接；扩散层23b，形成在催化剂层23a表面，同时具有通气性和电子导电性。同样，阴极24具有催化剂层24a和气体扩散层24b。具体而言，催化剂层23a、24a是如下物质：将承载了铂或铂与其他金属构成的合金的碳粉分散到适当的有机溶剂中，适量添加电解质溶液并浆化，丝网印刷到高分子电解质膜22上。气体扩散层23b、24b由碳纤维构成的丝编织的碳布、碳纸、或碳毡形成。电解质膜22是由固体高分子材料、例如氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜，在湿润状态下发挥良好的导电性。由电解质膜22、阳极23及阴极24形成膜-电极组件25。
图3是表示电池21的电气特性的等价电路图。
电路21的等价电路具有R1串联连接到R2和C的并联电路的电路构造。其中，R1相当于电解质膜22的电阻，R2相当于将活化过电压和扩散过电压进行电阻换算后的电阻。C相当于在阳极23和电解质膜22的界面、及阴极24和电解质膜22的界面上形成的双电层电容。向该等价电路施加具有规定频率的正弦波电流时，相对于电流变化，电压的响应延迟。
图4是在复平面上表示燃料电池组20的交流阻抗的图表。横轴表示交流阻抗的实数部，纵轴表示交流阻抗的虚数部。ω是正弦波电流的角频率。
向图3所示的等价电路施加从高频到低频的正弦波信号时，获得图4所示的图表。正弦波信号的频率无限大时(ω＝∞)的交流阻抗为R1。正弦波信号的频率非常小时(ω＝0)的交流阻抗为R1+R2。在高频到低频之间改变正弦波信号频率时获得的交流阻抗绘出图4所示的半圆。
因此，通过使用交流阻抗，可分离燃料电池组20的等价电路中的R1和R2而进行测量。当R1大于预先确定的规定值、燃料电池组20的输出下降时，可判断为电解质膜22变得干燥、电阻过电压变大、导电率下降是输出下降的原因。R2大于预先确定的规定值、燃料电池组20的输出下降时，可判断电极表面存在过剩的水、扩散过电压变大是原因。
图5表示扫气处理涉及的控制单元90的功能块。
控制单元90具有电压指令部91、交流阻抗测定部92、测定存储器93、扫气实施时间推测部94、异常处理部95，通过各部分的协同动作，作为扫气控制装置发挥作用。
控制单元90对燃料电池组20的交流阻抗的测量按照以下步骤实施。
(1)电压指令部91生成向规定直流电压重叠正弦波信号后的电压指令值，将上述电压指令值输出到DC/DC转换器51。
(2)DC/DC转换器51根据电压指令值进行动作，将蓄电池52中存储的直流电变换为交流电，向燃料电池组20施加正弦波信号。
(3)交流阻抗测定部92对由电压传感器71检测出的响应电压、由电流传感器72检测出的响应电流以规定的采样率进行采样，进行高速傅利叶变换处理(FFT处理)，将响应电压和响应电流分别分割为实成分和虚成分，用FFT处理的响应电流去除FFT处理后的响应电压，计算出交流阻抗的实成分和虚成分，并计算出复平面上距原点的距离r和位相角θ。通过连续改变施加到燃料电池组20的正弦波信号的频率而测量响应电压和响应电流，可计算出燃料电池组20的交流阻抗。
并且，在燃料电池组20中流动的电流伴随化学反应引起的电荷移动，因此当增大交流信号的振幅时，相对于供应气体量的反应量(气体利用率)开始变动。当气体利用率变动时，交流阻抗的测定会产生误差，因此优选交流阻抗测定时施加到燃料电池组20的信号的交流成分为直流成分的数％左右。
交流阻抗测定部92将如上所述测定的交流阻抗的值存储到测定存储器93中。扫气实施时间推测部94根据测定存储器93中存储的交流阻抗的值，推测扫气实施时间。异常处理部95监视扫气处理中从电池监控器75输出的单体电池电压，当单体电池电压显示异常时，作为故障保险(fail safe)处理，实施异常处理(强制结束扫气处理的处理)。
接着参照图6A到图6G详细说明扫气处理。
图6A表示点火开关的开/关状态，图6B表示提供到异常处理部95的单体电池电压测定指示，图6C表示扫气处理中的单体电池电压的变化，图6D表示提供到交流阻抗测定部92的交流阻抗测定指示，图6E表示测定存储器93中存储的交流阻抗的值，图6F表示异常结束标志，图6G表示提供到燃料电池组20的空气流量。
设点火开关从开切换到关的时刻为t1时，在时刻t1之前，燃料电池组20处于发电状态，以一定周期间隔将交流阻抗测定指示提供到交流阻抗测定部92(图6D)。此时，测定存储器93中存储的交流阻抗的值依次更新为最新的值(图6E)。并且，提供到燃料电池组20的空气流量控制为符合发电要求的流量F1(图6G)。
在时刻t1下点火开关变为关，向控制单元90指令运转停止时，控制单元90将时刻t1下测定的交流阻抗的值Z1存储到测定存储器93，开始扫气处理的实施。扫气处理是如下处理：驱动作为扫气装置的空气压缩机32，向燃料电池组20内部的气体通道中流入作为扫气气体的加压空气，从而适当调整气体通道内部的湿润状态。当气体通道中大量残留水分时，不仅下一次起动时起动性变差，在低温环境下因水分冻结可能造成配管、阀等破损。另一方面，当燃料电池组20内部水分趋向不足时，电解质膜22的传导性下降，因此引起发电效率下降。因此在扫气处理中，将燃料电池组20内部变为最佳湿润状态时的交流阻抗作为目标交流阻抗Z3预先设定好，调整扫气实施时间以使使燃料电池组20的交流阻抗与目标交流阻抗Z3一致。在扫气处理实施时，提供到燃料电池组20的空气流量控制为扫气流量F2(图6G)。
并且，在从时刻t1到时刻t2为止的期间，间歇地向异常处理部95提供单体电池电压测定指示。单体电池电压测定指示的目的在于，使燃料电池组20进行恒定电流发电，从而根据单体电池电压的变化判断电解质膜22的干燥度(电阻变化)。异常处理部95检查扫气处理中从电池监控器75输出的单体电池电压是否小于阈值电压Vt。并且，在单体电池电压不小于阈值电压Vt、燃料电池组20的温度变化速度的绝对值小于规定阈值的时刻t2下，认为燃料电池组20内部的汽化水量饱和，处于适当的干燥状态，因此向交流阻抗测定部92提供交流阻抗测定指示(图6D)。
这样一来，控制单元90测定时刻t2下的燃料电池组20的交流阻抗Z2，将测定存储器93中存储的最新的交流阻抗的值从Z1更新为Z2。作为时刻t2，从提高扫气实施时间的推测精度的观点出发，尽量优选估计燃料电池组20内部的含水量下降的时期。例如，优选如上所述燃料电池组20的温度变化速度低于规定阈值时、或扫气处理开始时点起经过一定时间(固定时间)后，实施交流阻抗测定。
扫气实施时间推测部94利用内插函数CF，根据时刻t1下测定的交流阻抗Z1、时刻t2下测定的交流阻抗Z2、时刻t1到时刻t2为止的经过时间T1，推测交流阻抗与目标交流阻抗Z3一致所必需的扫气实施时间T2。
内插函数CF是至少根据二个测定座标、例如(t1，Z1)及(t2，Z2)推测目标座标(t3，Z3)的函数，预先通过实验等求出。作为内插函数CF，例如优选二次函数。作为二次函数的例子，例如可设t为时间、Z为交流阻抗、a及Z0为正的常数，则Z＝at2+Z0。将二个测定座标代入到该二次函数时，确定常数a及Z0的值。Z＝Z3时的t的解为扫气完成时刻t3。根据扫气实施时间T2＝扫气完成时刻t3-扫气开始时刻t1，可计算出扫气实施时间T2。交流阻抗测定部92在时刻t3结束扫气处理(图6G)。
接着参照图7A到图7G说明单体电池电压小于阈值电压Vt时的故障保险(fail safe)处理。
在指示控制单元90停止运转的时刻t1下，开始扫气处理，并且检查单体电池电压是否小于阈值电压Vt。在单体电池电压小于阈值电压Vt的时刻t4，认为电解质膜22的异常干燥造成其电阻值增大，因此异常标志变为开(图7F)，异常处理部95强制结束扫气处理(图7G)。
根据本实施方式，扫气开始时的燃料电池组20内部的残留水分少、通过扫气处理可能导致过度干燥时，作为故障保险处理，强制结束扫气处理，由此可避免燃料电池组20过度干燥，并可避免燃料电池系统10的损伤等。
此外，说明了根据单体电池电压下降判断燃料电池组20的干燥程度的例子，也可根据燃料电池组20的输出电压(各单体电池电压的总和)判断燃料电池组20的干燥程度。
在上述实施方式中，示例了将燃料电池系统10作为车载电源使用的方式，但燃料电池系统10的使用方式不限于该例。例如，也可将燃料电池系统10作为燃料电池车辆以外的移动体(机器人、船舶、飞机等)的电力源搭载。并且，也可将本实施方式涉及的燃料电池系统10作为住宅、建筑等的发电设备(放置用发电系统)使用。
根据本发明，可提供一种可实施不使燃料电池过度干燥的故障保险处理的燃料电池系统。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，具有：
燃料电池；
扫气装置，向上述燃料电池供给扫气气体；
交流阻抗测定部，在扫气开始时点测定上述燃料电池的交流阻抗，并且在从上述扫气开始时点起经过了规定时间的时点测定上述燃料电池的交流阻抗；
扫气实施时间推测部，根据在上述扫气开始时点测定的交流阻抗、在从上述扫气开始时点起经过了规定时间的时点测定的交流阻抗、及上述规定时间，推测扫气实施时间；和
异常处理部，在从上述扫气开始时点到经过上述规定时间的时点为止的期间内，上述燃料电池的单体电池电压低于规定阈值时，强制结束扫气处理。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，
上述扫气实施时间推测部利用内插函数推测上述扫气实施时间。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，
从上述扫气开始时点起经过上述规定时间的时点是上述燃料电池的温度变化速度的绝对值小于规定阈值的时点。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，
上述规定时间是预先确定的一定时间。
CN2008800154750A 2007-05-10 2008-04-23 燃料电池系统 Expired - Fee Related CN101689658B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP125903/2007 2007-05-10
JP2007125903A JP4868240B2 (ja) 2007-05-10 2007-05-10 燃料電池システム
PCT/JP2008/058307 WO2008142973A1 (ja) 2007-05-10 2008-04-23 燃料電池システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101689658A true CN101689658A (zh) 2010-03-31
CN101689658B CN101689658B (zh) 2012-10-10

Family

ID=40031688

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008800154750A Expired - Fee Related CN101689658B (zh) 2007-05-10 2008-04-23 燃料电池系统

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8053123B2 (zh)
JP (1) JP4868240B2 (zh)
KR (1) KR101135659B1 (zh)
CN (1) CN101689658B (zh)
DE (1) DE112008000869B4 (zh)
WO (1) WO2008142973A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108140856A (zh) * 2015-10-05 2018-06-08 日产自动车株式会社 燃料电池的状态判定方法和状态判定装置
CN114447377A (zh) * 2020-10-30 2022-05-06 北京亿华通科技股份有限公司 燃料电池系统的停机吹扫方法及燃料电池系统、车辆

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4947362B2 (ja) * 2007-05-10 2012-06-06 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4868239B2 (ja) * 2007-05-10 2012-02-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4894608B2 (ja) * 2007-05-10 2012-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4378735B1 (ja) * 2008-06-10 2009-12-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
KR101103707B1 (ko) 2009-08-14 2012-01-11 한국과학기술연구원 연료전지 전극의 전기화학적 특성 검출 방법 및 장치
AT512888B1 (de) * 2012-05-03 2014-11-15 Avl List Gmbh Verfahren zur Bestimmung kritischer Betriebszustände an einem Brennstoffzellenstack
US9018961B2 (en) 2012-08-01 2015-04-28 GM Global Technology Operations LLC Diagnosing injector failure via stack voltage response analysis
CN104635821A (zh) * 2013-11-14 2015-05-20 沈阳新松机器人自动化股份有限公司 面向服务机器人的电量监控装置
JP6493323B2 (ja) * 2016-07-21 2019-04-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US11811115B2 (en) * 2021-03-30 2023-11-07 Honda Motor Co., Ltd. Method of determining degradation of fuel cell stack, and fuel cell vehicle equipped with the fuel cell stack

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3509168B2 (ja) * 1994-02-23 2004-03-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4759815B2 (ja) * 2001-02-13 2011-08-31 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP5119565B2 (ja) * 2001-09-12 2013-01-16 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP2004179086A (ja) * 2002-11-28 2004-06-24 Nissan Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池システム及びその運転方法
JP4273781B2 (ja) * 2003-02-05 2009-06-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の運転状態判定装置及びその方法
US7691518B2 (en) * 2003-05-15 2010-04-06 Nissan Motor Co., Ltd. Prevention of flooding of fuel cell stack
JP4513308B2 (ja) * 2003-11-04 2010-07-28 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP2005209634A (ja) * 2003-12-26 2005-08-04 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の運転停止時制御方法及びその装置
JP2005251576A (ja) 2004-03-04 2005-09-15 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよびこれを搭載する移動体
JP2006019184A (ja) * 2004-07-02 2006-01-19 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP4765290B2 (ja) * 2004-10-05 2011-09-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US20060121322A1 (en) * 2004-12-02 2006-06-08 Haas Herwig R Systems and methods for fuel cell shutdown
JP4860930B2 (ja) * 2005-01-18 2012-01-25 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの停止方法及び燃料電池システム
JP2006324066A (ja) * 2005-05-17 2006-11-30 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP4788322B2 (ja) * 2005-12-08 2011-10-05 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP2007305346A (ja) * 2006-05-09 2007-11-22 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP4737005B2 (ja) * 2006-08-21 2011-07-27 マツダ株式会社 エンジンの制御装置
JP2008103257A (ja) * 2006-10-20 2008-05-01 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP4753164B2 (ja) * 2006-10-23 2011-08-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5024725B2 (ja) * 2006-12-27 2012-09-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4868239B2 (ja) * 2007-05-10 2012-02-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4894608B2 (ja) * 2007-05-10 2012-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2008282767A (ja) * 2007-05-14 2008-11-20 Toyota Motor Corp 燃料電池システム

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108140856A (zh) * 2015-10-05 2018-06-08 日产自动车株式会社 燃料电池的状态判定方法和状态判定装置
CN108140856B (zh) * 2015-10-05 2020-09-29 日产自动车株式会社 燃料电池的状态判定方法和状态判定装置
CN114447377A (zh) * 2020-10-30 2022-05-06 北京亿华通科技股份有限公司 燃料电池系统的停机吹扫方法及燃料电池系统、车辆

Also Published As

Publication number Publication date
DE112008000869B4 (de) 2015-10-29
DE112008000869T5 (de) 2010-01-21
KR20090128548A (ko) 2009-12-15
US20100047644A1 (en) 2010-02-25
CN101689658B (zh) 2012-10-10
JP2008282675A (ja) 2008-11-20
JP4868240B2 (ja) 2012-02-01
WO2008142973A1 (ja) 2008-11-27
KR101135659B1 (ko) 2012-04-16
US8053123B2 (en) 2011-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101689658B (zh) 燃料电池系统
CN101622746B (zh) 燃料电池系统
CN101682054B (zh) 燃料电池系统
US9005785B2 (en) Open-loop system and method for fuel cell stack start-up with low-voltage source
CN101578732B (zh) 燃料电池系统
CN101904036B (zh) 燃料电池系统
CN101647146B (zh) 燃料电池系统及电源控制方法
CN101569045B (zh) 燃料电池系统
US9897663B2 (en) Integrated DC/DC converter, electrochemical energy storage system, and methods for analyzing electrochemical impedance spectroscopy and working state of electrochemical energy storage apparatus
KR20100034053A (ko) 연료전지시스템
US9496572B2 (en) Closed-loop method for fuel cell system start-up with low voltage source
JP5083600B2 (ja) 燃料電池システム
JP5030013B2 (ja) 燃料電池システム
JP5229523B2 (ja) 燃料電池システム
JP4947362B2 (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20121010

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee