CN101904036A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提出一种能够抑制高电位回避控制运转实施时的目标电力未预期的变动的燃料电池系统。燃料电池系统设定高电位回避目标电压值(步骤501)，基于燃料电池的电压-电力特性映射将高电位回避目标电压值变换为目标电力值(步骤502)，将目标电力值限制在规定的上限值及下限值的范围内(步骤503)，将燃料电池的输出电压限制为高电位回避目标电压以下，并基于目标电力值控制燃料电池的运转(步骤504)。由此，能够抑制输出特性因高电位回避目标电压的瞬间的降低而被误推测所造成目标电力值的未预期的变动。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种接受反应气体的供给而进行发电的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是利用电化学过程使燃料氧化而将伴随氧化反应放出的能量直接变换为电能的发电系统。燃料电池具有利用由多孔质材料构成的一对电极夹持用于选择性输送氢离子的高分子电解质膜的两侧面而构成的膜-电极组件。一对电极分别以担载铂类的金属催化剂的碳粉末为主要成分，具备与高分子电解质膜相接触的催化剂层和形成于催化剂层的表面、兼具透气性和电子导电性的气体扩散层。
在该种燃料电池中，在将电极电位保持得较高的状态(特别是低密度电流运转时、怠速运转时等)下，包含在膜-电极组件的催化剂层中的铂催化剂离子化而溶出，担心招致性能下降。为了避免这样的不合适，如日本特开2005-100820号公报所示，可知如下所述方法：将燃料电池的输出电压限制为比其开路端电压低的使用上限电压(以下称为高电位回避电压)，并进行运转控制。
专利文献1：日本特开2005-100820号公报
但是，利用高电位回避控制使燃料电池的输出电压暂时降低时，利用燃料电池的C-V特性(循环伏安图)，从燃料电池的寄生电容放出电荷，因此产生视在I-V特性(电流-电压特性)偏离原来的I-V特性的现象。在每个规定的运算周期取得燃料电池的输出电压及输出电流来推测I-V特性映射并基于该推测的I-V特性映射进行运转控制的燃料电池系统中，如果产生上述的现象，则会以误推测的I-V特性映射为基础控制电池运转。在搭载有在单相运转和三相运转之间进行切换而控制燃料电池的输出电压的DC/DC转换器的燃料电池系统中，若基于误推测的I-V特性映射进行运转控制，则通过DC/DC转换器的功率高于在单相运转时可通过的功率，存在因转换器故障不能控制燃料电池的运转的情况。
发明内容
因此，本发明的课题在于提供一种能够抑制高电位回避控制运转实施时的目标电力的未预期的变动的燃料电池系统。
为了解决上述的课题，本发明的燃料电池系统具备：燃料电池，接受反应气体的供给而进行发电；推测装置，推测燃料电池的输出特性；高电位回避电压设定装置，设定高电位回避目标电压值；目标电力计算装置，基于输出特性将高电位回避目标电压值变换为目标电力值，并将目标电力值限制在规定的上限值及下限值的范围内；及控制装置，将燃料电池的输出电压限制为高电位回避目标电压以下，并基于目标电力值控制燃料电池的运转。根据该构成，能够抑制因高电位回避目标电压的瞬间降低引起误推测输出特性造成的、目标电力值的未预期的变动。
高电位回避电压设定装置也可以在每个规定的运算周期可变地设定高电位回避目标电压值。根据该构成，能够根据蓄积燃料电池的发电电力的充电装置的充电状态、车辆行驶模式等设定最佳的高电位回避目标电压。
推测装置也可以在每个规定的运算周期更新上述输出特性。燃料电池的输出特性根据运转状态时刻变动，因此优选依次更新输出特性。
本发明的燃料电池系统也可以进而具备控制燃料电池的输出电压的电压控制装置。在此，上述的上限值及下限值优选以通过电压控制装置的通过电力的上限值及下限值为基准进行设定。由此，目标电力值能够避免超过通过电压控制装置的通过电力的上限值或低于下限值。另外，作为电压控制装置，优选例如根据通过电力在单相运转和三相运转之间进行切换的DC/DC转换器。
根据本发明，能够抑制高电位回避控制运转实施时的目标电力的未预期的变动。
附图说明
图1是本实施方式的燃料电池系统的系统构成图。
图2是本实施方式的单体电池的分解透视图。
图3是本实施方式的燃料电池组的C-V特性图。
图4是本实施方式的燃料电池组的等价电路图。
图5是表示本实施方式的目标电力的计算方法的流程图。
标号说明：
10…燃料电池系统  20…燃料电池组  30…氧化气体供给系统40…燃料气体供给系统  50…电力系统  60…控制器
具体实施方式
以下，参照各图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示作为燃料电池车辆的车载电源系统起作用的燃料电池系统10的系统构成。
燃料电池系统10作为搭载于燃料电池车辆上的车载电源系统起作用，具备：接受反应气体(燃料气体、氧化气体)的供给而进行发电的燃料电池组20；用于向燃料电池组20供给作为氧化气体的空气的氧化气体供给系统30；用于向燃料电池组20供给作为燃料气体的氢气的燃料气体供给系统40；用于控制电力的充放电的电力系统50；及集中控制系统整体的控制器60。
燃料电池组20是串联地层积多个单体电池而成的固体高分子电解质型单体电池组。在燃料电池组20中，在阳极产生(1)式的氧化反应，在阴极产生(2)式的还原反应。作为燃料电池组20整体产生(3)式的起电反应。
H2→2H++2e-…(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O…(2)
H2+(1/2)O2→H2O…(3)
在燃料电池组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及用于检测输出电流的电流传感器72。
氧化气体供给系统30具有：向燃料电池组20的阴极供给的氧化气体流经的氧化气体通路33；及从燃料电池组20排出的氧化废气流经的氧化废气通路34。在氧化气体通路33上设置有经由过滤器31而从大气中取入氧化气体的空气压缩机32；用于对由空气压缩机32加压的氧化气体进行加湿的加湿器35；及用于截止向燃料电池组20的氧化气体供给的截止阀A1。在氧化废气通路34上设置有：用于截止从燃料电池组20的氧化废气排出的截止阀A2；用于调整氧化气体供给压力的背压调整阀A3；用于在氧化气体(干气)和氧化废气(湿气)之间进行水分交换的加湿器35。
燃料气体供给系统40具有：燃料气体供给源41；从燃料气体供给源41向燃料电池组20的阳极供给的燃料气体流经的燃料气体通路43；用于使从燃料电池组20排出的燃料废气返回到燃料气体通路43的循环通路44；将循环通路44内的燃料废气压送至燃料气体通路43的循环泵45；及与循环通路44分支连接的排气排水通路46。
燃料气体供给源41例如由高压氢罐和贮氢合金等构成，贮存高压(例如35MPa至70MPa)的氢气。打开截止阀H1后，燃料气体从燃料气体供给源41向燃料气体通路43流出。燃料气体通过调节器H2和喷射器42例如减压到200kPa左右而被供给到燃料电池组20。
燃料气体供给源41也可以由如下结构构成：改性器，从烃类的燃料生成富氢的改性气体；及高压气体罐，使在该改性器生成的改性气体为高压状态而蓄压。
在燃料气体通路43上设置有：截止阀H1，用于截止或允许来自燃料气体供给源41的燃料气体的供给；调节器H2，调整燃料气体的压力；喷射器42，控制向燃料电池组20的燃料气体供给量；截止阀H3，用于截止向燃料电池组20的燃料气体供给；及压力传感器74。
在循环通路44上连接有用于截止来自燃料电池组20的燃料废气排出的截止阀H4和从循环通路44分支的排气排水通路46。在排气排水通路46上设置有排气排水阀H5。排气排水阀H5利用来自控制器60的指令动作，从而将循环通路44内的包含杂质的燃料废气和水分排出至外部。通过排气排水阀H5的开阀，循环通路44内的燃料废气中的杂质浓度下降，可以使在循环系统内循环的燃料废气中的氢浓度上升。
经由排气排水阀H5排出的燃料废气与流过氧化废气通路34的氧化废气混合，通过稀释器(未图示)被稀释。循环泵45利用电动机驱动将循环系统内的燃料废气循环供给至燃料电池组20。
电力系统50具备DC/DC转换器51、蓄电池52、牵引变换器53、牵引电动机54及辅机类55。燃料电池系统10作为DC/DC转换器51和牵引变换器53并联地与燃料电池组20连接的并联混合系统而构成。DC/DC转换器51具有使从蓄电池52供给的直流电压升压而输出至牵引变换器53的功能和使燃料电池组20发电产生的直流电力或牵引电动机54通过再生制动回收的再生电力降压而向蓄电池52充电的功能。利用DC/DC转换器51的这些功能来控制蓄电池52的充放电。另外，利用基于DC/DC转换器51的电压变换控制来控制燃料电池组20的运转要素(输出电压、输出电流)。
DC/DC转换器51具有对将输入电压(直流电压)变换为交流电压的类似变换器的电路和对该交流进行整流而变换为输出电压(直流电压)的电路进行组合而成的多相转换器(例如三相全桥转换器)电路构成。DC/DC转换器51根据通过功率来在单相运转和三相运转之间进行切换而进行驱动控制。DC/DC转换器51的通过功率低于规定值时，由于单相运转比三相运转的开关损失少，因此实施单相运转。另一方面，在DC/DC转换器51的通过功率为规定值以上时，由于三相运转比单相运转的开关损失少，因此实施三相运转。
蓄电池52作为剩余电力的贮藏源、再生制动时的再生能量贮藏源、伴随燃料电池车辆的加速或减速的负载变动时的能量缓冲器起作用。作为蓄电池52，例如优选镍/镉蓄电池、镍/氢蓄电池、锂二次电池等的二次电池。在蓄电池52上安装有用于检测SOC(State of charge：充电状态)的SOC传感器。
牵引变换器53是例如用脉冲宽度调制方式驱动的PWM变换器，根据来自控制器60的控制指令将从燃料电池组20或蓄电池52输出的直流电压变换为三相交流电压，控制牵引电动机54的旋转转矩。牵引电动机54例如是三相交流电动机，构成燃料电池车辆的动力源。
辅机类55是配置在燃料电池系统10内的各部的各电动机(例如泵类等的动力源)、用于驱动这些电动机的变换器类、进而各种车载辅机类(例如空气压缩机、喷射器、冷却水循环泵、散热器等)的总称。
控制器60是具备CPU、ROM、RAM及输入输出接口的计算机系统，控制燃料电池系统10的各部。例如，控制器60接受从点火开关输出的起动信号IG后，开始电池运转，在每个规定的运算周期从电压传感器71及电流传感器72取得燃料电池组20的输出电压及输出电流，依次更新燃料电池组20的I-V特性映射81。例如，假定燃料电池组20的电压可以作为电流的函数(一次函数或规定的多次函数)表示，控制器60可以使用基于最小二乘法的推测方法，制成I-V特性映射81。控制器60基于该I-V特性映射81依次更新V-P特性(电压-电力特性)映射82。在此，可知V-P特性映射82基于I-V特性映射81唯一地确定。在本说明书中，将I-V特性映射81或V-P特性映射82中的任意一方称为燃料电池组20的输出特性或将两者总称为燃料电池组20的输出特性。I-V特性映射81及V-P特性映射82存储在存储器80内。
控制器60基于从油门传感器输出的油门开度信号ACC和从车速传感器输出的车速信号VC等计算车辆行驶电力和辅机消耗电力。并且，控制器60将根据车辆行驶电力和辅机消耗电力的合计值计算出的发电指令值和根据高电位回避电压计算出的发电指令值中较大一方作为对燃料电池组20的发电指令值进行发电控制。
在此，辅机电力包括车载辅机类(加湿器、空气压缩机、氢泵、及冷却水循环泵等)所消耗的电力、车辆行驶所需装置(变速机、车轮控制装置、转向装置及悬架装置等)所消耗的电力、配置在乘员空间内的装置(空调装置、照明设备及音响等)所消耗的电力等。
并且，控制器60基于I-V特性映射81及V-P特性映射82决定燃料电池组20和蓄电池52各自的输出电力的分配，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的发电量与目标电力一致，并且控制DC/DC转换器51，调整燃料电池组20的输出电压，从而控制燃料电池组20的运转要素(输出电压、输出电流)。进而，控制器60为了获得与油门开度相对应的目标转矩，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，控制牵引电动机54的输出转矩及转速。
图2是构成燃料电池组20的单体电池21的分解透视图。
单体电池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而形成夹层结构的扩散电极。由气体不透过的导电性部件构成的隔板26、27进而从两侧夹持该夹层结构，在阳极23及阴极24之间分别形成燃料气体及氧化气体的流路。在隔板26上形成剖面凹状的肋26a。在肋26a上抵接阳极23，从而闭塞肋26a的开口部，形成燃料气体流路。在隔板27上形成剖面凹状的肋27a。在肋27a上抵接阴极24，从而闭塞肋27a的开口部，形成氧化气体流路。
阳极23是以担载铂类金属催化剂(Pt，Pt-Fe，Pt-Cr，Pt-Ni，Pt-Ru等)的碳粉末为主要成分，具有与电解质膜22相接触的催化剂层23a和形成于催化剂层23a的表面上、同时具有透气性和电子导电性的气体扩散层23b。同样，阴极24具有催化剂层24a和气体扩散层24b。更详细而言，催化剂层23a、24a是使担载铂或由铂和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而胶化，在电解质膜22上网板印刷而成。气体扩散层23b、24b通过由碳纤维构成的纱线织成的碳布、碳纸、碳毡而形成。电解质膜22是由固体高分子材料，例如由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电传导性。由电解质膜22、阳极23、及阴极24形成膜-电极组件25。
图3表示燃料电池组22的C-V特性。
该C-V特性表示燃料电池组20的动态电特性，若使燃料电池组20以一定速度升压，则电流沿从外部向燃料电池组20流动的方向(负方向)流动，若使燃料电池组的电压以一定的速度降压，则电流沿从燃料电池组20向外部流动的方向(正方向)流动。可知这样的动态电特性是基于燃料电池组20的催化剂担载体的双电层电容成分和催化剂还原反应的视在电容成分的特性。
图4是将燃料电池组20的动态电特性模型化后的等价电路图。
燃料电池组20具有并联连接理想燃料电池28和电容器29而构成的电路结构。理想燃料电池28是将不具有上述C-V特性的假想的燃料电池模型化而得到的，在电特性上等价于可变电源。电容器29将双电层的电气性动作作为电容元件而模型化。外部负载56是将电力系统50模型化后的等价电路。若设从理想燃料电池28流出的电流为Ifc，设理想燃料电池28的输出电压(燃料电池组20的输出电压)为Vfc，设流入电容器29的电流为Ic，设从燃料电池组20向外部负载56流出的电流为Is，设电容器29的电容为C，设时间为t，则以下所示的(4)～(5)式成立。
Ifc＝Ic+Is…(4)
Ic＝C·ΔVfc/Δt…(5)
如(4)～(5)式所示，使输出电压Vfc降压时，与单位时间内的变化量ΔVfc/Δt相对应，向电容器29流入的电流Ic减少，因此从燃料电池组20向外部负载56流出的电流Is增加。另一方面，使输出电压Vfc升压时，与单位时间内的变化量ΔVfc/Δt相对应，向电容器29流入的电流Ic增加，因此从燃料电池组20向外部负载56流出的电流Is减少。但是，在燃料电池组20和DC/DC转换器51之间插入用于防止电流的逆流的二极管的情况下，即使使输出电压Vfc升压，在向燃料电池组20流入的方向上也没有电流流动。
接着，对高电位回避控制的执行条件及禁止条件进行说明。
作为高电位回避控制的执行条件，例如可以举出同时满足如下情况的条件(A1)蓄电池52的SOC为第一阈值(例如70％)以下、(B1)未处于根据燃料电池供给系统30的配管压力(压力传感器74的检测值)进行气体泄漏检测判断的期间。另一方面，作为高电位回避控制的禁止条件，例如可以举出满足如下任一情况的条件(A2)蓄电池52的SOC为第二阈值(例如75％)以上、(B2)处于根据燃料气体供给系统30的配管压力进行气体泄漏检测判断的期间。
如果满足高电位回避控制的执行条件，则燃料电池组20的输出电压被限制在低于其开路端电压的高电位回避电压以下。作为高电位回避电压优选满足如下条件的电压：处于燃料电池组20的催化剂层23a、24a中所包含的铂催化剂未溶出程度的电压范围，进而除该条件之外，优选满足如下条件的电压：在停止向燃料电池组20供给反应气体的状态下将燃料电池组20的输出电压维持为高电位回避电压时，可利用辅机类55消耗燃料电池组20发出的电力的程度的电压范围。高电位回避电压优选作为根据蓄电池52的SOC、辅机类55的消耗电力等时刻变动的可变控制值进行处理。
另一方面，若满足高电位回避控制的禁止条件，则允许燃料电池组20的输出电压升压至其开路端电压。
在上述说明中，例示了设定用于以蓄电池52的SOC为基准进行高电位回避控制功能的开/关切换的判断条件，但是也可以设定用于以蓄电池52的可充电量为基准进行高电位回避控制功能的开/关切换的判断条件。例如，也可以在蓄电池52的可充电量低于规定阈值时，将高电位回避控制功能从关切换为开，在蓄电池52的可充电量为规定阈值以上时，将高电位回避控制功能从开切换为关。另外，作为高电位回避控制的执行条件，也可以将上述的(A1)～(B1)变更为其他的条件，或进而追加条件。作为高电位回避控制的禁止条件，也可以将上述的(A2)～(B2)变更为其他的条件，或进而追加条件。
接着，参照图5对计算燃料电池组20的目标电力的方法进行说明。
首先，控制器60根据蓄电池52的充电状态、辅机类55的消耗电力等计算高电位回避目标电压(步骤501)。例如，在蓄电池52的充电量较少的情况(或可充电量较高的情况)下，由于即使将高电位回避目标电压设定为低电压值也具有能够蓄积由高电位回避控制所产生的发电电力的充分富余，因此在这样的情况下优选将高电位回避目标电压设定得较低，抑制燃料电池组20的老化。与之相反，在蓄电池52的充电量较多的情况(或可充电量较低的情况)下，由于没有能够蓄积由高电位回避控制所产生的发电电力的充分富余，因此在这样的情况下，优选将高电位回避目标电压设定得较高，抑制基于高电位回避控制的发电量。
另外，即使蓄电池52的充电量较多的情况(或可充电量较低的情况)下，在估计辅机类55的电力消耗较多的情况下，优选将高电位回避目标电压设定得较低，抑制燃料电池组20的老化。
另外，也可以根据车辆行驶模式(D/B范围)变更再生制动中的高电位回避目标电压。在此，D范围是在通常行驶时使用的行驶模式，B范围是在下坡、山路等行驶的情况、需要比通常行驶时大的制动力时使用的行驶模式。在基于牵引电动机54的再生制动中，电动机再生转矩变换为电力，充电至蓄电池52，因此即使在再生制动中实施高电位回避控制的情况下，以下所示的电力平衡成立。
蓄电池充电电力+辅机消耗电力＝电动机再生电力+燃料电池发电电力…(6)
如(6)式所述，车辆制动时的燃料电池发电电力较多时，电动机再生电力相应地减少，不能确保充分的制动转矩。因此，在车辆制动时提高高电位回避目标电压，从而减少燃料电池发电电力，确保充分的制动转矩。因此，控制器60在车辆制动时能够可变地设定高电位回避目标电压以使以下的(7)式成立。
蓄电池充电电力+辅机消耗电力≥电动机再生电力+燃料电池发电电力…(7)
具体而言，控制器60基于档位判断车辆行驶模式为D范围还是B范围，在行驶模式为B范围的情况下，使高电位回避目标电压的目标值相比行驶模式为D范围时提高，确保较大的制动力。由此，能够提高车辆的驱动性能。
接着，控制器60利用V-P变换映射82将在步骤501决定的高电位回避目标电压变换为目标电力值(步骤502)，实施上下限处理(步骤503)。在上下限处理中，控制器60判断在步骤502得到的高电位回避目标电压是否高于上限值及是否低于下限值，在目标电力值高于上限值的情况下，将目标电力值限制为上限值，在目标电力值低于下限值的情况下，将目标电力值限制为下限值。在此，上限值及下限值在DC/DC转换器51为规定的驱动模式(例如单相模式)时，优选以通过DC/DC转换器51的电力的上限值及下限值为基准进行设定。控制器60将经过上下限处理获得的目标电力值确定为最终的目标电力值(步骤504)，控制电池运转。
根据本实施方式，能够有效抑制I-V特性映射81因高电位回避控制时的瞬间的目标电压下降而被误推测所造成的DC/DC转换器51的通过功率控制错误影响的转换器故障。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池，接受反应气体的供给而进行发电；
推测装置，推测上述燃料电池的输出特性；
高电位回避电压设定装置，设定高电位回避目标电压值；
目标电力计算装置，基于上述输出特性将上述高电位回避目标电压值变换为目标电力值，并将上述目标电力值限制在规定的上限值及下限值的范围内；及
控制装置，将上述燃料电池的输出电压限制为上述高电位回避目标电压以下，并基于上述目标电力值控制上述燃料电池的运转。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，
上述高电位回避电压设定装置在每个规定的运算周期可变地设定上述高电位回避目标电压值。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，
上述推测装置在每个规定的运算周期更新上述输出特性。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，
还具备控制上述燃料电池的输出电压的电压控制装置，
上述上限值及下限值以通过上述电压控制装置的通过电力的上限值及下限值为基准而设定。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，
上述电压控制装置是根据上述通过电力在单相运转和三相运转之间进行切换的DC/DC转换器。
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