CN101842929B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池系统，其即使在高电位化回避控制中也可正确地检测绝缘电阻。所述燃料电池系统具备：燃料电池(40)，通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电；绝缘电阻测定部(90)，对燃料电池(40)和外部导体之间的绝缘电阻进行测定；及控制部(10)，对燃料电池(40)的发电状态进行控制，控制部(10)进行抑制燃料电池(40)的电压达到比该燃料电池(40)的开路电压低的规定的高电位回避电压阈值以上的高电位化回避控制，并且在由绝缘电阻测定部(90)进行绝缘电阻检测时，改变高电位回避电压阈值。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，特别是涉及一种对燃料电池的绝缘电阻进行测定的技术。
背景技术
近年，以通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池为能量源的燃料电池系统受到注目。燃料电池系统从燃料罐向燃料电池的阳极供给高压的燃料气体，并且向阴极加压供给作为氧化气体的空气，使这些燃料气体和氧化气体发生电化学反应，产生电动势。
在这样的燃料电池系统中，为了抑制燃料电池的劣化促进，在规定的条件下进行抑制燃料电池的电压达到规定的高电位回避电压阈值以上的高电位化回避控制(例如参照专利文献1)
专利文献1：日本特开2007-109569号公报
另一方面，在通过循环的冷却水对燃料电池进行冷却的水冷式的燃料电池系统中，通过在冷却水中溶出的离子，冷却水的导电率与时间一起上升，冷却水的导电率变高时，在燃料电池产生的电流流过冷却水中，担心不能有效地取出产生的电力。另外，通过在冷却水中流动的电流电分解冷却水时，在冷却水流路中产生气泡，担心因产生的气泡妨碍从单体电池向冷却水的热传递而燃料电池的冷却不充分。
因此，为了抑制伴随着冷却水的导电率上升的各种的故障的产生，将冷却水的导电率的上升作为燃料电池的绝缘电阻进行检测，并根据需要进行除去冷却水中的离子的离子除去过滤、冷却水等的更换。
但是，由于抑制上述燃料电池的输出电压达到高电位回避电压阈值以上的高电位回避控制中燃料电池的输出电压不稳定，因此即使在该高电位化回避控制中进行绝缘电阻检测，也存在不能正确地检测绝缘电阻的情况。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，即使高电位化回避控制中也可正确地检测绝缘电阻。
本发明的燃料电池系统，具备：燃料电池，通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电；绝缘电阻测定部，测定该燃料电池和外部导体之间的绝缘电阻；及控制部，控制上述燃料电池的发电状态，上述控制部进行抑制上述燃料电池的电压达到比该燃料电池的开路电压低的规定的高电位回避电压阈值以上的高电位化回避控制，并且在由上述绝缘电阻测定部进行绝缘电阻检测时改变上述高电位回避电压阈值。
根据该构成，通过改变高电位回避电压阈值，可调整高电位化回避控制的实施时间和绝缘电阻的测定时间之间的关系，由此可正确地检测绝缘电阻。
该情况下，上述控制部在进行上述高电位化回避控制时，当上述燃料电池的电压降低到比上述高电位回避电压阈值低的规定的下限电压阈值时，进行向上述燃料电池供给氧化气体的电压维持氧化气体吹送动作，并且改变上述高电位回避电压阈值以使该电压维持氧化气体吹送动作的间隔比上述绝缘电阻检测时能够检测出绝缘电阻的时间长。
另外，上述控制部参考由上述燃料电池内的交叉泄漏引起的上述电压维持氧化气体吹送动作的间隔的变动量来改变上述高电位回避电压阈值。
根据本发明的燃料电池系统，即使在高电位化回避控制中也可正确地检测绝缘电阻。
附图说明
图1是概略地表示本发明的实施方式的燃料电池系统的系统构成图。
图2是说明该燃料电池系统的通常发电模式下的高电位化回避控制的时序图。
图3是说明该燃料电池系统的输出停止模式下的高电位化回避控制的时序图。
图4是说明该燃料电池系统的高电位化回避控制中的绝缘电阻检测时间的时序图。
图5是说明该燃料电池系统的高电位化回避控制中的绝缘电阻检测时间的时序图。
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。
图1是表示本实施方式的燃料电池系统100的主要部分的构成的图。在本实施方式中，设想燃料电池搭载于燃料电池汽车(FCHV；FuelCell Hybrid Vehicle)、电动汽车、混合动力汽车等的车辆上的燃料电池系统，但是不仅是车辆，也可应用于各种移动体(例如二轮车、船舶、机器人等)中。进而，不限于搭载在移动体上的燃料电池系统，也可适用于定置型的燃料电池系统、便携型的燃料电池系统中。
该车辆以经由减速齿轮12而与车轮63L、63R连接的牵引电动机61为驱动力源行驶。牵引电动机61的电源是电源系统1。从电源系统1输出的直流通过变换器60变换为三相交流而供给到牵引电动机61。牵引电动机61也能够在制动时作为发电机起作用。电源系统1由燃料电池40、蓄电池(蓄电部)20、DC/DC转换器(转换器)30等构成。
燃料电池40是由所供给的反应气体(燃料气体及氧化气体)产生电力的单元，可以利用固体高分子型、磷酸型、熔融碳酸盐型等各种类型的燃料电池。燃料电池40具备由通过氟类树脂等形成的质子传导性的离子交换膜等构成的高分子电解质膜41，在高分子电解质膜的表面涂布有铂催化剂(电极催化剂)。
在高分子电解质膜41上涂布的催化剂不限于铂催化剂，也可适用铂钴催化剂(以下简称为催化剂)等。构成燃料电池40的各单体电池具备在高分子电解质膜41的两面通过网板印刷等形成阳极42和阴极43的膜/电极接合体44。燃料电池40具有串联地层积多个单体电池的堆叠构造。
该燃料电池40的输出电压(以下称为FC电压)及输出电流(以下称为FC电流)分别由电压传感器92及电流传感器93检测出。从燃料气体供给源70向燃料电池40的燃料极(阳极)供给氢气等的燃料气体，另一方面从氧化气体供给源80向氧极(阴极)供给空气等的氧化气体。
燃料气体供给源70例如由氢罐、各种阀等构成，通过调整阀开度、开/关时间等，控制供给到燃料电池40的燃料气体量。
氧化气体供给源80例如由空气压缩机、驱动空气压缩机的电动机、变换器等构成，通过调整该电动机的转速等来调整供给到燃料电池40的氧化气体量。
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。当然，也可以设置二次电池以外的可充放电的所有的蓄电器(例如电容器)来代替蓄电池20。该蓄电池20插入设置在燃料电池40的放电路径上，与燃料电池40并联连接。蓄电池20和燃料电池40与牵引电动机用的变换器60并联连接，在蓄电池20和变换器60之间设置DC/DC转换器30。
变换器60是例如由多个开关元件构成的脉冲宽度调制式的PWM变换器，根据从控制装置10给予的控制指令将从燃料电池40或蓄电池20输出的直流电力变换为三相交流电力并向牵引电动机61供给。牵引电动机61是用于驱动车轮63L、63R的电动机，通过变换器60控制该电动机的转速。
DC/DC转换器30是例如由四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30具备：使从蓄电池20输入的DC电压升压或降压而输出到燃料电池40侧的功能；及使从燃料电池40等输入的DC电压升压或降压而输出到蓄电池20侧的功能。另外，通过DC/DC转换器30的功能实现蓄电池20的充放电。
在蓄电池20和DC/DC转换器30之间连接有车辆辅机、FC辅机等的辅机类50。蓄电池20成为这些辅机类50的电源。所谓车辆辅机是指车辆的运转时等使用的各种的电力设备(照明设备、空调设备、油压泵等)，所谓FC辅机是指燃料电池40的运转使用的各种电力设备(用于供给燃料气体、氧化气体的泵等)。
另外，在与燃料电池40连接的配线上连接有绝缘电阻测定部90。绝缘电阻测定部90对燃料电池40和车体之间的绝缘电阻进行测定。
上述各要素的运转通过控制装置(控制部)10进行控制。控制装置10作为内部具备CPU、ROM、RAM的微机而构成。
控制装置10基于所输入的各传感器信号对设于燃料气体通路的调压阀71、设于氧化气体通路的调压阀81、燃料气体供给源70、氧化气体供给源80、蓄电池20、DC/DC转换器30、变换器60等系统各部进行控制。
向该控制装置10输入例如由压力传感器91检测出的燃料气体的供给压力、由电压传感器92检测出的燃料电池40的FC电压、由电流传感器93检测出的燃料电池40的FC电流、由SOC传感器21检测出的表示蓄电池20的充电状态SOC(State Of Charge)的SOC值等各种传感器信号。
在本实施方式中，即使在蓄电池20的充电量被限制的情况下，例如通过使DC/DC转换器30的开关频率上升，使在该DC/DC转换器的能量损失增大，从而可靠地避免燃料电池40的电压达到比该燃料电池40的开路电压低的规定的高电位化回避电压阈值以上。
接着，对由控制装置10间歇地执行的高电位化回避控制处理进行说明。
控制装置10计算对于燃料电池40的要求电力。作为要求电力是例如用于驱动牵引电动机61、辅机类50的电力。并且，控制装置10利用表示未图示的I-V特性及I-P特性的特性映射来算出与要求电力相对应的燃料电池40的输出电压。该特性映射预先通过试验等求得，在制造出厂时等存储在控制装置10的内部存储器11中。该特性映射值也可以是固定值，但是也可以是可依次改写的值。
控制装置10判断是否需要强制性地使燃料电池40的输出电压降低。具体而言，控制装置10对输出电压和高电位化回避目标阈值电压(以下，阈值电压Vth)进行比较，在输出电压超过阈值电压Vth的情况下，判断为需要强制性地使燃料电池40的输出电压降低，另一方面，在输出电压为阈值电压Vth以下的情况下，判断为不需要强制性地使燃料电池40的输出电压降低。
该阈值电压Vth是比燃料电池40的开路电压低的电压，预先通过试验等求出，在制造出厂时等存储在控制装置10的内部存储器11中。另外，阈值电压Vth也可以是固定值，但是例如也可以是根据周围环境(外部气体温度、燃料电池温度、湿度、运转模式等)可依次改写的值。
控制装置10在上述判断中判断为不需要强制性地使燃料电池40的输出电压降低的情况下，由于不需要避免燃料电池40的高电位化的控制，因此结束该处理。
另一方面，控制装置10在上述判断中判断为需要强制性地使燃料电池40的输出电压降低的情况下，进行使该燃料电池40的输出电压强制性地降低到低于阈值电压Vth的值的控制。此时，对于强制性地使燃料电池40的输出电压降低到怎样的值可任意设定。并且，控制装置10判断是否可通过蓄电池20吸收剩余电力(即，是否可在蓄电池20中蓄电)。详细表述即为，控制装置10根据由SOC传感器21检测出的SOC值进行检测，把握蓄电池20的剩余容量等来判断是否能够通过蓄电池20吸收剩余电力。
控制装置10在判断为能够通过蓄电池20吸收剩余电力的情况下，在通过蓄电池20吸收剩余电力(蓄电于蓄电池20)后，结束处理。另一方面，控制装置10在判断为不能通过蓄电池20吸收剩余电力的情况下，例如将DC/DC转换器30的开关频率设定得较高，并使DC/DC转换器30的能量损失增大，从而吸收剩余电力P，然后结束处理。
图2是表示通常发电模式下的高电位化回避控制的内容的时序图，在该图td1时点以后，由于向燃料电池40供给反应气体，因此通过将向DC/DC转换器30的指令电压(图2的虚线Xd1)作为阈值电压，从而可以将燃料电池40的电压(图2的实线Xd2)维持为大致阈值电压Vth。
另一方面，图3是表示输出停止模式下的高电位化回避控制的内容的时序图，在该图的te1时点以后，由于向燃料电池40的反应气体的供给停止，因此即使将向DC/DC转换器30的指令电压(图3的虚线Xe1)维持为阈值电压Vth，燃料电池40的电压(图3的实线Xe2)也不能维持阈值电压Vth。
因此，控制装置10如图3所示，当燃料电池40的电压降低到比阈值电压Vth低的规定的电压维持氧化气体吹送电压(下限电压阈值)Vb时(te2，te3时点)，进行向燃料电池40供给氧化气体的电压维持氧化气体吹送动作，由此，使燃料电池40的电压上升而恢复到阈值电压Vth。
在该电压维持氧化气体吹送动作中，以最低空气流量驱动空气压缩机，以最低转速驱动燃料气体的循环泵，根据燃料电池40的发电电力驱动冷却水泵，所述冷却水泵使用于冷却燃料电池40的冷却水循环。
阈值电压Vth越低，燃料电池40的发电量越增加，单位时间内的气体消耗量越增加，因此电压维持氧化气体吹送动作的执行间隔t(例如图3的te2时点～te3时点)变短。
为了高精度进行基于绝缘电阻测定部90的绝缘电阻检测，不希望燃料电池40存在较大的电压变动，当实施电压维持氧化气体吹送时，电压产生变动，因此为了抑制绝缘电阻检测时由电压维持氧化气体吹送引起的电压变动，需要减少电压维持氧化气体吹送的实施次数，即需要使电压维持氧化气体吹送动作的执行间隔t变长。
为了使该执行间隔t变长，使单位时间内的氧化气体消耗量减少即可，即，使燃料电池40的电压上升而使发电量减少即可，因此在本实施方式中，在可由绝缘电阻测定部90进行绝缘电阻检测的状态时，例如，处于车辆停车期间的输出停止模式时，改变阈值电压Vth以使电压维持氧化气体吹送动作的间隔t比绝缘电阻检测控制时能够检测出绝缘电阻的时间T长。
即，以图4所示的不进行绝缘电阻检测时的值V1作为阈值电压Vth时，电压维持氧化气体吹送动作的tf1、tf2时点的间隔tv1比能够检测出绝缘电阻的时间T短，产生不能进行高精度的绝缘电阻检测的可能性，因此该情况下，使阈值电压Vth上升到图5所示的提高了规定量的值V2。
由此，通过图5的tf1’时点所示的一次电压维持氧化气体吹送动作，使电压上升到更高的阈值电压Vth，其结果，到图5的tf2’时点所示的电压接着降低到电压维持氧化气体吹送电压而执行电压维持氧化气体吹送动作为止的间隔tv2比不进行绝缘电阻检测时的相邻的电压维持氧化气体吹送动作的tf1、tf2时点的间隔tv1长。
这样，产生电压维持氧化气体吹送动作的间隔t比能够检测出绝缘电阻的时间T长的状况。
此时，如果燃料电池40内的交叉泄漏量较多，则电压维持氧化气体吹送动作的间隔t变短，因此也可以参考该交叉泄漏引起的电压维持氧化气体吹送动作的间隔t的变动量来改变高电位回避电压阈值。即，如果交叉泄漏量较多，则追加始终改变电压以与交叉泄漏量较少的情况相比使阈值电压Vth变高的控制。
由此，即使燃料电池40老化而电压维持氧化气体吹送动作的间隔t变小，也可以对其进行校正。
也可以不使阈值电压Vth上升而通过使电压维持氧化气体吹送电压Vb降低来使电压维持氧化气体吹送动作的间隔t变长。该情况下，电压维持氧化气体吹送动作的频率降低且在燃耗等上较好，但是使电压维持氧化气体吹送电压Vb降低时，包含在燃料电池40中的铂催化剂进入还原区域，其表面可能被还原。
优选尽量避免使电压维持氧化气体吹送电压降低至这样的非意图的还原区域。另外，为了在从输出停止模式向通常运转模式的恢复时顺利地恢复，也最好尽量避免使电压维持氧化气体吹送电压Vb降低。根据这些理由，在本实施方式中，不使电压维持氧化气体吹送电压Vb降低而使阈值电压Vth提高。
如上所述，在输出停止模式中执行高电位化回避控制时，由于反应气体向燃料电池40的供给停止，因此即使将向DC/DC转换器30的指令电压作为阈值电压Vth，燃料电池40的电压也不能维持阈值电压Vth。因此，降低到规定的电压维持氧化气体通常吹送电压Vb时，进行向燃料电池40供给氧化气体的电压维持氧化气体吹送动作。
在该电压维持氧化气体吹送动作中，进行基于绝缘电阻测定部90的绝缘电阻测定时，测定值产生误差，但是根据上述的构成，在由绝缘电阻测定部90进行绝缘电阻测定时阈值电压Vth被提高，电压维持氧化气体吹送动作的间隔t变长(例如50秒)，因此能够防止在绝缘电阻的测定中执行电压维持氧化气体吹送动作。
根据以上所述的本实施方式的燃料电池系统100，控制装置10在进行抑制燃料电池40的电压达到规定的阈值电压Vth以上的高电位化回避控制期间进行基于绝缘电阻测定部90的绝缘电阻检测时，改变阈值电压Vth。即，改变阈值电压Vth以使高电位化回避控制时的电压维持氧化气体吹送动作的间隔t比绝缘电阻检测控制时能够检测出绝缘电阻的时间T长。
因此，能够在电压维持氧化气体吹送动作和下一次的电压维持氧化气体吹送动作之间的时间检测出绝缘电阻。因此，即使是高电位化回避控制中也能够正确地检测绝缘电阻。
另外，参考由燃料电池40的交叉泄漏引起的电压维持氧化气体吹送动作的间隔t的变换量来改变阈值电压Vth，因此能够更正确地检测绝缘电阻。

Claims (2)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池，通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电；
绝缘电阻测定部，测定该燃料电池和外部导体之间的绝缘电阻；及
控制部，控制上述燃料电池的发电状态，
上述控制部进行抑制上述燃料电池的电压达到比该燃料电池的开路电压低的规定的高电位回避电压阈值以上的高电位化回避控制，并且在由上述绝缘电阻测定部进行绝缘电阻检测时改变上述高电位回避电压阈值，在进行上述高电位化回避控制时，当上述燃料电池的电压下降到比上述高电位回避电压阈值低的规定的下限电压阈值时，进行向上述燃料电池供给氧化气体的电压维持氧化气体吹送动作，并且改变上述高电位回避电压阈值以使该电压维持氧化气体吹送动作的间隔比上述绝缘电阻检测时能够检测出绝缘电阻的时间长。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，
上述控制部参考由上述燃料电池内的交叉泄漏引起的上述电压维持氧化气体吹送动作的间隔的变动量来改变上述高电位回避电压阈值。
CN2008801142360A 2007-10-31 2008-09-04 燃料电池系统 Expired - Fee Related CN101842929B (zh)

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