CN102208665A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统。根据本发明的燃料电池系统的特征在于包括：测量单元，该测量单元测量预定频率区域中的燃料电池阻抗，以及调节单元，该调节单元基于在预定频率区域中的阻抗测量数值，调节待供给到燃料电池的气体量。根据这种构造，测量在预定频率区域(例如，低频率区域)中的燃料电池阻抗，并且基于该阻抗测量数值调节供给到燃料电池的气体量(例如，氧化气体量)。这里，因为在预定频率区域中的燃料电池阻抗随着燃料供给状态(见图2)有很大不同，供给到燃料电池的气体量可基于阻抗测量数值被调节，以实现高效和稳定的操作。

Description

燃料电池系统
分案申请说明
本申请是申请日是2006年6月30日、申请号是200680024210.8且发明名称是“燃料电池系统”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。更具体地，它涉及一种通过使用交流电阻抗方法测量阻抗的燃料电池系统。
背景技术
在燃料电池系统中，安装固体聚合物类型的燃料电池，这种燃料电池在电解层中包括具有质子导电性的固体聚合物薄膜。当燃料电池的固体聚合物薄膜处于湿润状态中时，薄膜呈现高的质子导电性，从而将固体聚合物薄膜保持在湿润状态中以有效地发电是重要的。为了保持这种固体聚合物薄膜处于湿润状态中，利用水交换式增湿器(下面简称为“增湿器”)，该增湿器在从燃料电池的阴极侧排出的氧化废气和供给到燃料电池的阴极侧的氧化气体之间经由水汽透射膜执行水交换过程。
这里，已知燃料电池的内阻影响燃料电池中的电解膜的可润湿性。当燃料电池具有低的内部水含量并且电解膜干燥(所谓的变干)时，内阻增加，并且燃料电池的输出电压下降。在另一方面，当燃料电池包括过量的内部水含量(所谓的溢流)时，燃料电池的电极被所含的水覆盖，并且输出电压降低。
作为一种有效地操作这种燃料电池的方法，提出一种方法，其中监视燃料电池的电池电压，并且基于电池电压的测量数值控制被供给的氧化气体量(例如，见下面的专利文献1)。
[专利文献1]日本专利申请公开No.2004-119139
发明内容
然而，由于电池电压的波动，燃料电池的内部水含量的变化缓慢地发展。因此，当电池电压的波动被实际探测到并且然后氧化气体量得以确定时，在电解膜中可能发生某种异常(变干、溢流等)，并且存在难以实现高效和稳定的操作的问题。
鉴于上述情形设计出本发明，并且它的一个目的在于提供一种燃料电池系统，其中能够实现高效和稳定的操作。
为了解决上述问题，根据本发明的燃料电池系统包括：测量装置，用于测量预定频率区域中的燃料电池的阻抗；和调节装置，用于基于预定频率区域中的阻抗测量数值，调节待供给到燃料电池的气体量。
根据这种构造，测量在预定频率区域(例如，低频率区域)中燃料电池的阻抗，并且基于该阻抗测量数值，调节待供给到燃料电池的气体量(例如，氧化气体量)。这里，因为在预定频率区域中燃料电池的阻抗根据燃料供给状态(见图2)而有很大不同，基于阻抗的这种测量数值，调节待供给到燃料电池的气体量，由此能够实现高效和稳定的操作。
这里，优选的是，上述构造还包括存储装置，用于存储预定频率区域中的基于燃料电池的运行状态的最优阻抗适应数值，并且调节装置比较阻抗测量数值与阻抗适应数值，以基于比较结果调节被供给到燃料电池的气体量。也优选的是，在预定频率区域中的基于燃料电池的电压和温度的最优阻抗适应数值被存储在存储装置中。还优选的是，预定频率区域是10Hz或者小于10Hz的低频率区域。还优选的是，所供给到燃料电池的气体是氧化气体或者燃料气体。还优选的是，该系统还包括插入在燃料电池的放电通道中的电压变换设备，并且测量装置将用于阻抗测量的信号叠加到电压变换设备的输出目标电压上，以基于已经穿过电压变换设备的用于阻抗测量的信号来测量燃料电池的阻抗。
如上所述，根据本发明，该燃料电池系统能够实现高效和稳定的操作。
附图说明
图1是示出根据本实施例的燃料电池系统的构造的示意图；
图2是示出根据该实施例的阻抗测量结果的图表；
图3是根据该实施例的控制单元功能的解释视图；
图4是示意根据该实施例的最优阻抗映射的图表；和
图5是根据第二实施例的控制单元功能的解释视图。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明的实施例。
A.本实施例
A-1.整体构造
图1是其上安装根据本实施例的燃料电池系统100的车辆的概略构造示意图。应该指出，在下面的描述中，采用燃料电池混合车辆(FCHV)作为车辆的一个实例，但是本实施例也可应用于电车和混合动力车。该实施例不仅可应用于车辆，而且还可用于各种移动体(例如船、飞机等)。
这种车辆使用驱动动力源行驶，该驱动动力源是连接到车轮63L、63R的同步电机61。同步电机61的动力源是电源系统1。从电源系统1输出的直流电被逆变器60变换成三相交流电，并且供给到同步电机61。在制动期间，同步电机61可用作发电机。
电源系统1由燃料电池40、电池20、DC/DC转换器30等构成。燃料电池40是用于利用供给燃料和氧化气体发电的装置，并且具有叠层结构，其中包括MEA等的多个单独电池以串联方式层叠。具体地，可以使用各种类型的燃料电池例如固体聚合物型、磷酸型和溶解碳酸盐型。
电池(蓄电池)20是可充电/放电的二次电池，它例如由镍氢电池构成。可以应用各种其它类型的二次电池。不同于电池20，可以使用除了二次电池以外的可充电/放电蓄电池，例如电容器。电池20插入燃料电池40的放电通道中，并且与燃料电池40并联连接。
燃料电池40和电池20被并联连接到逆变器60，并且从燃料电池40到逆变器60的电路设有二极管42，用于防止来自电池20的电流或者在同步电机61中产生的电流反流。
因此，为了实现并联的燃料电池40和电池20的两个动力源的适当的输出分布，需要控制两个动力源之间的相对电压差异。为了控制这种电压差异，DC/DC转换器(电压变换设备)30被置于电池20和逆变器60之间。DC/DC转换器30是直流电压转换器，并且具有调节从电池20输入的DC电压以向燃料电池40侧输出电压的功能，以及调节从燃料电池40或者发动机61输入的DC电压以向电池20侧输出电压的功能。DC/DC转换器30的功能实现电池20的充电/放电。
车辆辅助机器50和FC辅助机器51连接在电池20和DC/DC转换器30之间，并且电池20是这些辅助机器的动力源。车辆辅助机器50指的是在车辆运行期间使用的各种动力设备等，并且包括照明设备、空气调节设备、液压泵等。FC辅助机器51指的是在燃料电池40操作期间使用的各种动力设备，并且包括用于供给燃料气体和改质材料的泵，调节改质器等的温度的加热器。
上述元件的操作由控制单元10控制。控制单元10构造成其中包括CPU、RAM和ROM的微型计算机。
控制单元10控制逆变器60的开关，并且基于所需动力向同步电机61输出三相交流电。控制单元10控制燃料电池40和DC/DC转换器30的操作，从而供给相应于所需动力的电力。各种传感器信号被输入该控制单元10中。例如，从油门踏板传感器11、探测电池20的充电状态(SOC)的SOC传感器21、探测燃料电池40的气体流率的流率传感器41、探测燃料电池40的内部温度(FC温度)的温度传感器43、探测车辆速度的车辆速度传感器62等，各种传感器信号被输入控制单元10中。控制单元10通过使用相应传感器信号以如下方式测量燃料电池40的阻抗。
A-2.阻抗测量的描述
图2是示出在复平面中交流电阻抗方法的阻抗测量结果的图表，并且是示出当空气化学计量比(包括过剩氧化气体的氧化气体的总量相对于在燃料电池中发电所需的最小氧化气体量的比率)被改变时的阻抗测量结果的图表。
当在预定条件下在复平面上绘出阻抗随频率变化的轨迹时(Cole-Cole图)，获得如示于图2中的阻抗曲线。如图所示，可以看见由点线包围的低频率区域(例如，大约0.1到10Hz的频率)的阻抗随着空气化学计量比(即，向燃料电池的燃料供给状态)有很大不同。在本实施例中，使用这种特性测量低频率区域中的阻抗，并且基于测量数值控制供给到燃料电池40的氧化气体的流率，由此实现了高效的和稳定的操作。应该指出，用于阻抗测量中的频率区域可以根据系统设计等改变。
图3是控制单元10的功能的解释视图。
如图3所示，控制单元10包括目标电压确定部分110、叠加信号发生部分120、电压指令信号发生部分130、阻抗计算部分140、阻抗比较部分150以及氧化气体供给控制部分160。
目标电压确定部分110基于从油门踏板传感器11、SOC传感器21等输入的相应传感器信号确定输出目标电压(例如，300V等)，以向电压指令信号发生部分130输出这个电压。
叠加信号发生部分120产生用于阻抗测量的信号(例如，波辐数值为2V等的低频率区域正弦波)，该信号被叠加在输出目标电压上以向电压指令信号发生部分130输出这个信号。应该指出，用于阻抗测量的输出目标电压和信号的参数(波形类型、频率和幅度数值)应该根据系统设计等被适当地设定。
电压指令信号发生部分130将用于阻抗测量的信号叠加在输出目标电压上，以向DC/DC转换器30输出电压指令信号Vfcr。DC/DC转换器30基于所应用的电压指令信号Vfcr控制燃料电池30等的电压。
阻抗计算部分(测量装置)140以预定采样速率对由电压传感器141探测的燃料电池40的电压(FC电压)Vf以及由电流传感器142探测的燃料电池40的电流(FC电流)If采样，以执行傅立叶变换处理(FFT计算处理和DFT计算处理)等。阻抗计算部分140利用经历傅立叶变换处理的FC电流信号除经历傅立叶变换处理的FC电压信号，以在低频率区域中获得燃料电池40的阻抗，并且向阻抗比较部分150输出阻抗。
在从阻抗计算部分140接收燃料电池40在低频率区域中的阻抗(下面称为低频率阻抗测量数值)时，阻抗比较部分150参照存储于存储器151中的最优阻抗映射。图4是示意最优阻抗映射的图表。最优阻抗映射是具有FC电流和FC温度的轴线的映射，并且是用于从FC电流I和FC温度T唯一地确定最优阻抗IPD的映射。通过实验等预先制备该最优阻抗映射。
在从阻抗计算部分140接收低频率阻抗测量数值时，阻抗比较部分150基于分别由温度传感器43和电流传感器142探测的FC温度T和FC电流I确定在相应时间处的最优阻抗IPD。阻抗比较部分150获得在确定的最优阻抗IPD与低频率阻抗测量数值之间的差异，并且将获得的差异作为阻抗差异信号Id供给到氧化气体供给控制部分160。
氧化气体供给控制部分(调节装置)160比较阻抗差异信号Id与存储于存储器161中的氧化气体供给控制映射以控制供给到燃料电池40的氧化气体量。在氧化气体供给控制映射中，阻抗差异信号Id和供给到燃料电池40的氧化气体的修正量(空气化学计量比等的修正量)相互关联和注册。当氧化气体供给控制部分160基于阻抗差异信号Id获得供给到燃料电池40的氧化气体的修正量时，该部分基于这种修正量调节空气压缩机(未示出)的旋转数、设于氧化气体供给通道中的控制阀(未示出)的阀门打开程度等以控制供给到燃料电池40的氧化气体量。在这种控制下，能够恒定地跟踪最优空气化学计量比，从而能够实现高效和稳定的系统操作。
B.改进
在上述的当前实施例中，使用低频率阻抗的测量数值控制供给到燃料电池40的阴极侧的氧化气体量，但是可以控制供给到燃料电池40的阳极侧的燃料气体量。
图5是控制单元10′的功能的解释视图。
示于图5中的控制单元10′设有燃料气体供给控制部分(调节装置)160′，以替代示于图3中的氧化气体供给控制部分160。燃料气体供给控制部分160′比较从阻抗计算部分140供给的阻抗差异信号Id与存储于存储器161′中的燃料气体供给控制映射，以控制供给到燃料电池40的燃料气体量。在燃料气体控制映射中，阻抗差异信号Id和供给到燃料电池40的燃料气体的修正量(氢气化学计量比等的修正量)被相互关联和注册。当燃料气体供给控制部分160′基于阻抗差异信号Id获得供给到燃料电池40的燃料气体修正量时，该部分基于这种修正量调节控制阀(未示出)和设于燃料气体供给通道与燃料气体排出通道中的放气阀(未示出)等的阀门打开程度，以控制供给到燃料电池40的燃料气体量。在这种控制下，能够恒定地跟踪最优氢气化学计量比，从而能够实现高效和稳定的系统操作。应该指出，根据本实施例的构造和根据该改进的构造可被结合，以控制供给到燃料电池40的氧化气体和燃料气体量，以实现高效和稳定的系统操作。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统，包括：
测量装置，用于测量预定频率区域中的燃料电池阻抗；
存储装置，用于存储所述预定频率区域中的基于所述燃料电池的输出电流和温度的多个阻抗适应值；
确定装置，用于检测所述燃料电池的所述输出电流和所述温度，以基于所述检测的输出电流和温度，从存储在所述存储装置中的所述多个阻抗适应值中确定最优阻抗适应值；以及
调节装置，用于比较所述确定的阻抗适应值与所述阻抗的所述测量值，以基于比较结果来调节待供给到所述燃料电池的气体的量。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述预定频率区域是10Hz或小于10Hz的低频率区域。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中所供给到所述燃料电池的所述气体是氧化气体或燃料气体。
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