CN104067428A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，其具备：燃料电池，由多个通过燃料气体与氧化气体的电化学反应而发电的单体电池层叠而成；单体电池监测器，能够检测每多个单体电池的组电压；以及推定装置，推定最低单体电池电压，所述推定装置具备推定最高单体电池电压的最高单体电池电压推定部，在将所述组电压中的最低电压值的组的平均电压定义为最低组平均电压时，使用该最低组平均电压和所述最高单体电池电压的推定值来推定所述最低单体电池电压。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及以燃料电池为能量源的燃料电池系统，该燃料电池由多个通过氧化气体与燃料气体的电化学反应而发电的单体电池层叠而成，本发明特别涉及对单体电池电压进行监控的技术。
背景技术
一直以来，作为以通过燃料气体与氧化气体的电化学反应而发电的燃料电池为能量源的燃料电池系统，开发了各种结构。其中大多数为燃料电池通过作为最小发电单位的单体电池层叠多个而成的堆结构。各单体电池具备在由离子交换膜构成的电解质膜的两侧分别配置有空气极及燃料极的MEA(膜-电极结构体)、和在MEA的两侧配置的一对隔板。
在具备堆结构的燃料电池的燃料电池系统中，需要始终监控各单体电池是否具有所希望的发电性能，因此通常具备单体电池监测器。在此，单体电池是以例如几十至几百这样的单位层叠多个的结构。因此，取代检测全部的单体电池的输出电压，而将由多个单体电池构成的组作为1个单位，进行以组单位来监控输出电压。
然而，在以组单位的电压监控中，虽然能够确定导致电压下降为规定电压值以下的单体电池所存在的组，但是无法确定最低单体电池电压。作为其对策，例如在专利文献1中公开了一种将从最低组电压减去平均单体电池电压所得到的值推定为最低单体电池电压的技术。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-021611号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在单体电池电压低于规定的阈值的情况下，若对此状态放任不管，则单体电池成为过热状态，电解质膜熔融而在电解质膜空出孔，因此需要对燃料电池的输出电流进行限制等应对。
然而，当最低单体电池电压的推定精度低时，在误认为最低单体电池电压为规定的阈值以上的状态下进行燃料电池的输出控制，因此尽管实际的单体电池电压比规定的阈值下降，也置之不理而不进行任何降低燃料电池的输出电流等限制处理。
根据专利文献1公开的技术，虽然在一定程度上能够提高最低单体电池电压的推定精度，但是在单体电池电压低的一侧和高的一侧，低电压侧的单体电池电压的偏差增大，因此利用最低组电压与平均单体电池电压之差的话，在高精度地推定实际的最低单体电池电压方面存在一定的界限。
本发明鉴于上述情况而作出，目的在于提供一种通过提高最低单体电池电压的推定精度而能够抑制单体电池电压下降造成的燃料电池的损伤的燃料电池系统。
用于解决课题的方案
为了实现上述目的，本发明的燃料电池系统具备：燃料电池，由多个通过燃料气体与氧化气体的电化学反应而发电的单体电池层叠而成；单体电池监测器，能够检测每多个单体电池的组电压；以及推定装置，推定最低单体电池电压，所述推定装置具备推定最高单体电池电压的最高单体电池电压推定部，在将所述组电压中的最低电压值的组的平均电压定义为最低组平均电压时，使用该最低组平均电压和所述最高单体电池电压的推定值来推定所述最低单体电池电压。
本发明的发明者对于最低单体电池电压的推定方法反复仔细研究的结果是，得到了最高单体电池电压的偏差比最低单体电池电压的偏差小这样的见解。本发明基于这样的见解而作出，使用最高单体电池电压的推定值来推定最低单体电池电压。由此，根据该结构，能够更高精度地推定最低单体电池电压。
在上述结构中，可以的是，1个所述组由2个所述单体电池构成，所述推定装置将从所述最低组平均电压乘以二的值减去所述最高单体电池电压的推定值所得到的值推定为所述最低单体电池电压。
根据该结构，考虑了2个单体电池的组合成为在全部的单体电池之中输出最低电压的单体电池与输出最高单体电池电压的单体电池的组合的最不优选的组合，能抑制将最低单体电池电压的推定值推定得比实际电压高的不良情况的发生。
所述推定装置可以在向所述燃料电池的氧化气体供给量为规定值以下的氧化气体供给不足时和除此以外的通常运转时，变更所述最高单体电池电压推定部的所述最高单体电池电压的推定方法。
在该结构中，根据燃料电池的运转状态，选择推定精度更高的推定方法来推定最高单体电池电压。
例如，在所述通常运转时，所述最高单体电池电压推定部可以将所述燃料电池的总电压除以所述单体电池的总数而求出的平均电压加上表示单体电池电压的偏差的常数所得到的值作为所述最高单体电池电压的推定值。
另外，在所述氧化气体供给不足时，所述最高单体电池电压推定部可以根据所述燃料电池的温度及输出电流、和表示所述燃料电池的电流与电压之间的关系的电流电压映射来推定所述燃料电池的输出电压，并将该推定的输出电压除以所述单体电池的总数所得到的值作为所述最高单体电池电压的推定值。
在所述单体电池监测器构成为也能够检测分别位于所述燃料电池的单体电池层叠方向两端部的端部单体电池的各单体电池的单体电池电压的情况下，所述推定装置可以将使用所述最低组平均电压和所述最高单体电池电压的推定值而推定出的所述最低单体电池电压与所述端部单体电池中的最低单体电池电压进行比较，并将它们中的最小值推定为最低单体电池电压。
在端部单体电池中，与其他的单体电池相比，电化学反应的结果生成的水量更多，在无法将该生成水良好排出时，单体电池电压相比其他的单体电池降低。
在该结构中，最低单体电池电压的推定值和端部单体电池的最低单体电池电压值中的更低的一方的值设定为最低单体电池电压的推定值，因此能更可靠地抑制将最低单体电池电压的推定值推定为比实际电压高的不良情况的发生。
在具备对所述燃料电池的输出进行控制的输出控制装置的情况下，所述控制装置可以在检测到所述推定装置推定出的最低单体电池电压低于规定的低电压阈值时，实施用于使单体电池电压恢复的控制。
在该结构中，在特定的单体电池的单体电池电压相比规定的阈值下降时，采取单体电池电压的恢复措施，因此能够将燃料电池的破损防患于未然。
发明效果
根据本发明，最低单体电池电压的推定精度提高，能够抑制单体电池电压下降造成的燃料电池的损伤。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的燃料电池系统的简要电路图。
图2是表示通过图1的控制装置200实施的控制内容的一例的框图。
图3是表示通过图1的控制装置200实施的控制内容的另一例的框图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的燃料电池系统的实施方式。在本实施方式中，说明使用本发明的燃料电池系统作为燃料电池车辆(FCHV；Fuel Cell Hybrid Vehicle：燃料电池混合动力车辆)的车载发电系统的情况。
如图1所示，燃料电池系统1具备通过作为反应气体的氧化气体与燃料气体的电化学反应而产生电力的燃料电池100。燃料电池100是例如高分子电解质型燃料电池，是将多个单体电池层叠的堆结构。
单体电池为如下结构：在由离子交换膜构成的电解质的一方的面上具有空气极，在另一方的面上具有燃料极，而且以从两侧夹住空气极及燃料极的方式具有一对隔板。这种情况下，向一方的隔板的氢气流路供给氢气，向另一方的隔板的氧化气体流路供给作为氧化气体的空气，通过这些反应气体进行电化学反应而产生电力。
在燃料电池100上连接有对每单体电池及每多个单体电池的组电压进行测定的单体电池监测器(输出电压传感器)170。例如，在总单体电池数为200的情况下，对于单体电池层叠方向的一方的端部的10个单体电池和另一方的端部的10个单体电池，针对各单体电池设置单体电池电压端子，对于其余180个单体电池，针对每2个单体电池设置1个单体电池电压端子。
即，单体电池监测器170对于位于单体电池层叠方向的两端部的多个单体电池(以下，有时称为“端部单体电池”)可针对每个单体电池监控单体电池电压，对于其余的单体电池(以下，有时称为“中央部单体电池”)可监控每2个单体电池的组电压及2个单体电池的平均单体电池电压(组电压的平均值)。而且，单体电池监测器170通过将这些每个单体电池的电压和各组电压相加而能够监控燃料电池100的总电压。
燃料电池100与用于使车辆行驶的驱动电动机(负载)13连接，向驱动电动机110供给电力。在从该燃料电池100向驱动电动机110的电力供给路径上，从燃料电池100侧依次连接有燃料电池100用的第一升压转换器120、电容器130及驱动逆变器140。并且，由燃料电池100发出的电力通过第一升压转换器120而升压，经由驱动逆变器140而向驱动电动机110供电。
第一升压转换器120例如是具备多个(例如4个)升压部而成的多相位(多相)转换器，各升压部分别具备电抗器、晶体管及二极管。需要说明的是，第一升压转换器120可以是单相的转换器。
驱动电动机110例如是三相交流电动机。连接有驱动电动机110的驱动逆变器140将直流电流转换成三相交流并向驱动电动机110供给。
燃料电池系统1具备能够向驱动电动机110放出电力且能够将来自燃料电池100的电力进行充电的蓄电池150。而且，在从蓄电池150向驱动电动机110的电力供给路径上连接有蓄电池150用的第二升压转换器160。
蓄电池150的电力供给路径与燃料电池100的电力供给路径连接，能够将来自蓄电池150的电力向驱动电动机110供给。
第二升压转换器160是直流的电压转换器，具有调整从蓄电池150输入的直流电压而向驱动电动机110侧输出的功能和调整从燃料电池100或驱动电动机110输入的直流电压而向蓄电池150输出的功能。通过这样的第二升压转换器160的功能，能实现蓄电池150的充放电。
燃料电池系统1具备控制装置(推定装置、输出控制装置)200。在该控制装置200上连接有燃料电池100、第一升压转换器120、蓄电池150、第二升压转换器160、驱动逆变器140及驱动电动机110。控制装置200统一控制这些连接设备。
在控制装置200上还连接有与燃料电池100连接的单体电池监测器170，该单体电池监测器170的检测结果向控制装置200发送。在本实施方式中，对于除了单体电池层叠方向的两端部之外的中央部单体电池，说明了通过1个通道来检测2个单体电池的组电压的单体电池监测器170的例子，但也可以通过1个通道来检测3个以上的单体电池的组电压。
接下来，参照图2，说明推定最低单体电池电压的处理的一例及使用了最低单体电池电压的推定值的电压恢复控制的一例。上述的处理及控制均由控制装置200实施。
在本实施方式中，第一特征在于使用最高单体电池电压的推定值来推定最低单体电池电压，另外，第二特征在于在通常发电时和氧化气体供给不足时改变最高单体电池电压的推定方法。首先，关于最高单体电池电压的推定方法，将情况分开成通常发电时和氧化气体供给不足时进行说明。
<通常发电时>
在第一最高单体电池电压推定部210中，首先，求出燃料电池100的总电压。燃料电池100的总电压A1可以设为通过单体电池监测器170检测到的端部单体电池的各单体电池电压与中央部单体电池的各组电压的总值，在燃料电池系统1具备检测燃料电池100的输出电压的电压传感器的情况下，也可以设为该电压传感器的检测值。
接下来，根据燃料电池100的总电压A1和在控制装置200内的存储器中预先存储的燃料电池100的单体电池个数(在本实施方式中为200)，求出燃料电池100的平均单体电池电压Vave。具体而言，通过燃料电池100的总电压A1除以单体电池数而求出平均单体电池电压Vave。
单体电池电压的实测值在各单体电池存在偏差，因此若对该偏差不作任何考虑，则会产生如下不良情况：与存在输出比平均单体电池电压Vave低的电压的单体电池无关地，在不考虑该存在的状态下不适当地进行燃料电池100的运转控制。
因此，在本实施方式中，考虑了2个单体电池的组合为在全部的单体电池之中输出最低电压的单体电池与输出最高单体电池电压的单体电池的组合的最不优选的组合的可能性，在此基础上，首先，根据平均单体电池电压Vave推定最高单体电池电压。
例如，预先对实验或模拟的结果进行统计性的处理等而将单体电池电压的偏差定量化为规定的常数，并将该常数存储在控制装置200的存储器中。并且，将该常数与平均单体电池电压Vave的加法运算值设定为最高单体电池电压的第一推定值Vmax1。作为常数的例子，可应用合适常数或标准偏差，但并没有限定于此。
单体电池电压的偏差例如通过正态分布来表示。单体电池电压的偏差根据燃料电池100的运转条件，例如燃料电池100的温度或燃料电池100的冷却水温度、燃料电池100的输出电流、负载或对燃料电池100的要求电力而进行变动，因此可以将按照燃料电池100的各运转条件设定的单体电池电压的偏差进行映射化，并能够进行这些映射的分开使用。
<氧化气体供给不足时>
例如急速预热运转时或间歇运转时那样在向燃料电池100的氧化气体供给量低于规定值时，单体电池电压的偏差变得显著。需要说明的是，急速预热运转是在低温起动时(例如，冰点下起动时)空气化学计量比通常运转时缩小，强行降低发电效率，取而代之有意增加燃料电池100的发热量的运转。间歇运转是在低负载运转时(例如，怠速中或拥堵行驶中等)暂时停止向燃料电池100的氧化气体及燃料气体的供给的运转。
在以上那样的氧化气体供给量的不足时，取代使用单体电池监测器170的检测值，在第二最高单体电池电压推定部220中，参照表示通常发电时的燃料电池100的输出电流与输出电压的关系的基准IV映射(电流电压映射)。IV特性根据燃料电池100的温度(冷却水温)而不同，因此根据该基准IV映射和燃料电池100的温度(或冷却水温度)A5及输出电流A6，来推定最高单体电池电压。
具体而言，根据基准IV映射而推定的燃料电池100的输出电压V除以单体电池数所得到的值设定为最高单体电池电压的第二推定值Vmax2。需要说明的是，基准IV映射存储在控制装置200内的存储器中。
接下来，说明使用如以上那样推定的最高单体电池电压来推定最低单体电池电压的过程。
在最低单体电池电压推定部230中，首先，从中央部单体电池的各组之中，确定平均单体电池电压最低的最低通道电压(最低组平均电压)A2。接下来，从该最低通道电压A2乘以2的值减去根据燃料电池100的运转状态通过开关240选择任一方的最高单体电池电压的第一推定值Vmax1或第二推定值Vmax2，求出最低单体电池电压的暂定推定值。
即，在通常运转时，如图2所示，从最低通道电压A2乘以2的值减去最高单体电池电压的第一推定值Vmax1，由此求出最低单体电池电压的暂定推定值Vmin1。另外，在氧化气体供给不足时，如图3所示，从最低通道电压A2乘以2的值减去最高单体电池电压的第二推定值Vmax2，由此求出最低单体电池电压的暂定推定值Vmin2。
然后，在比较设定部250中，将如此求出的最低单体电池电压的暂定推定值Vmin1或Vmin2与端部单体电池的各单体电池电压Vc进行比较，最终选择它们中的最小值而设定为最低单体电池电压推定值A3。
并且，控制装置200在检测到最低单体电池电压推定值A3相比规定的低电压阈值下降时，实施对燃料电池100的输出电流的上限值加以限制或者增加氧化气体供给量(鼓风)等的电压恢复控制。由此，能够将特定的单体电池的单体电池电压相比规定的阈值下降引起的燃料电池100的破损防患于未然。
另外，在本实施方式中，使用最高单体电池电压的推定值(Vmax1或Vmax2)来推定最低单体电池电压。这基于本发明的发明者的如下见解：最高单体电池电压的偏差比最低单体电池电压的偏差小。
根据该见解，与将最低通道电压A2直接作为最低单体电池电压的推定值的情况或上述专利文献1公开的技术相比，能够更高精度地推定最低单体电池电压。由此，在本实施方式中，能够使燃料电池100的破损防止更可靠，而且还能够极力抑制上述电压恢复控制的实施。
此外，在本实施方式中，在通常运转时和氧化气体供给不足时改变最高单体电池电压的推定方法。由此，在单体电池电压的偏差比较小的通常运转时，将单体电池电压的实测值即单体电池监测器170的检测电压使用于最高单体电池电压的推定，由此与参照基准IV映射来推定最高单体电池电压的情况相比，能够进行高精度的最低单体电池电压的推定。
另一方面，在单体电池电压的偏差比较大的氧化气体供给不足时，取代将单体电池监测器170的检测电压使用于最高单体电池电压的推定的情况，而参照基准IV映射来推定最高单体电池电压，由此能够进行比使用实测值的情况更高精度的最低单体电池电压的推定。
在上述的实施方式中，以由2个单体电池构成1个组的情况为例进行了说明，但也可以由3个以上的任意个数的单体电池构成1个组，通过1个通道来监控3个以上的单体电池的单体电池电压。
例如，在构成1个组的单体电池数为N时，在最低单体电池电压推定部230中，从最低单体电池组电压A2乘以N的值减去最高单体电池电压的第一推定值Vmax1或Vmax2乘以(N-1)的值，由此求出最低单体电池电压的推定值或暂定推定值。
标号说明
1…燃料电池系统、100…燃料电池、170…单体电池监测器(输出电压传感器)、200…控制装置(推定装置，输出控制装置)、210…第一最高单体电池电压推定部、220…第二最高单体电池电压推定部、230…最低单体电池电压推定部、240…开关、250…比较设定部

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，其具备：
燃料电池，由多个通过燃料气体与氧化气体的电化学反应而发电的单体电池层叠而成；
单体电池监测器，能够检测每多个单体电池的组电压；以及
推定装置，推定最低单体电池电压，
所述推定装置具备推定最高单体电池电压的最高单体电池电压推定部，在将所述组电压中的最低电压值的组的平均电压定义为最低组平均电压时，使用该最低组平均电压和所述最高单体电池电压的推定值来推定所述最低单体电池电压。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
1个所述组由2个所述单体电池构成，
所述推定装置将从所述最低组平均电压乘以二的值减去所述最高单体电池电压的推定值所得到的值推定为所述最低单体电池电压。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述推定装置在向所述燃料电池的氧化气体供给量为规定值以下的氧化气体供给不足时和除此以外的通常运转时，变更所述最高单体电池电压推定部的所述最高单体电池电压的推定方法。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，
在所述通常运转时，所述最高单体电池电压推定部将所述燃料电池的总电压除以所述单体电池的总数而求出的平均电压加上表示单体电池电压的偏差的常数所得到的值作为所述最高单体电池电压的推定值。
5.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，
在所述氧化气体供给不足时，所述最高单体电池电压推定部根据所述燃料电池的温度及输出电流、和表示所述燃料电池的电流与电压之间的关系的电流电压映射来推定所述燃料电池的输出电压，并将该推定的输出电压除以所述单体电池的总数所得到的值作为所述最高单体电池电压的推定值。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述单体电池监测器构成为也能够检测分别位于所述燃料电池的单体电池层叠方向两端部的端部单体电池的各单体电池的单体电池电压，
所述推定装置将使用所述最低组平均电压和所述最高单体电池电压的推定值而推定出的所述最低单体电池电压与所述端部单体电池中的最低单体电池电压进行比较，并将它们中的最小值推定为最低单体电池电压。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池系统具备对所述燃料电池的输出进行控制的输出控制装置，
所述控制装置在检测到所述推定装置推定出的最低单体电池电压低于规定的低电压阈值时，实施用于使单体电池电压恢复的控制。
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