CN104871356B - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统包括：在燃料电池的零下起动时，通过至辅助设备和加热器的电力供给，预热燃料电池自身的预热控制单元。预热控制单元包括水量运算单元，根据燃料电池的湿润度、温度和预热时的发电电力，运算燃料电池的温度上升至冰点温度期间在电解质膜中生成的生成水量。还包括冻结对策控制单元，在生成水量超过阈值时，提高送往加热器的电力相对于至辅助设备的电力比例。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及低温起动时的燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
在车辆上安装的燃料电池一般将70℃左右设为适合发电的温度域。因此，在车辆起动时，需要使燃料电池迅速升温至适合发电的温度域。在JP2009－4243A中公开了利用使燃料电池自身发电而产生的自发热，缩短燃料电池的预热时间的燃料电池系统。
发明内容
由于车辆的使用环境，有时上述的燃料电池系统例如在负30℃的低温时被起动。在这样的情况下，有时伴随燃料电池的自发热，在电解质膜中生成的生成水超过电解质膜的保水量而溢出，如果在冰点以下，则溢出的生成水被冻结。因此，在冰点以下起动燃料电池系统时，有由于生成水的冻结，通过电解质膜的气体的扩散性变差，不能发电的顾虑。
本发明是着眼于这样问题点而完成的。本发明的目的是抑制在冰点以下燃料电池预热时生成水冻结的问题。
本发明的燃料电池系统一个方式是燃料电池系统，其特征在于，包括：与燃料电池电连接，通过燃料电池的电力进行驱动的辅助设备；以及与燃料电池电连接，加热对燃料电池供给的冷却水的加热器。该燃料电池系统包括：预热控制单元，通过在燃料电池零下起动时送往辅助设备和加热器的电力供给，预热燃料电池自身。预热控制单元包括：水量运算单元，根据燃料电池的湿润度、温度和预热时的发电电力，运算燃料电池的温度上升至冰点温度期间在电解质膜中生成的生成水量。而且还包括冻结对策控制单元，在通过水量运算单元算出的生成水量超过阈值时，提高在预热时至加热器的、相对于送往辅助设备的电力比例。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的结构图。
图2是表示控制器中的预热控制单元的结构的图。
图3是表示生成水量运算单元的细节的结构图。
图4是表示冻结对策控制单元的细节的结构图。
图5是表示预热控制单元的控制方法的流程图。
图6是表示基于冻结对策控制的生成水的避免冻结方法的图。
具体实施方式
以下，参照添加的附图说明本发明的实施方式。
(第1实施方式)
图1是表示本发明的第1实施方式的燃料电池系统的概略图。
燃料电池系统10是在起动燃料电池组1时，利用通过燃料电池组自身的发电产生的自发热对燃料电池组1进行预热的系统。燃料电池系统10包括：燃料电池组1；阴极气体给排装置2；阳极气体给排装置3；组冷却装置4；以及控制器5。阴极气体给排装置2、阳极气体给排装置3、组冷却装置4作为燃料电池组1的辅助设备使用。
燃料电池组1是将数百张燃料电池层积后的电池组。燃料电池组1在本实施方式中作为汽车用动力源使用。
通过阳极电极(燃料极)和阴极电极(氧化剂极)夹持电解质膜而构成燃料电池。燃料电池通过对阳极电极供给含有氢的阳极气体(燃料气体)并对阴极电极供给含有氧的阴极气体(氧化剂气体)来发电。在阳极电极以及阴极电极的两个电极进行的电极反应分别如(1)以及(2)那样表示。
[化学式1]
阳极电极：2H2→4H++4e-…(1)
阴极电极：4H++4e-+O2→2H2O…(2)
燃料电池通过上述(1)以及(2)的电极反应，在产生电动势的同时生成水。由于层积多个这样的燃料电池，所以在燃料电池组1中，产生数百伏特的电压。燃料电池组1接受阳极气体以及阴极气体的供给，提供例如车辆的驱动所需要的电力。在燃料电池组1中，例如设置电阻检测单元51。
电阻检测单元51为了求出燃料电池的湿润度，检测电解质膜的阻抗(电阻值)。电解质膜的湿润度越小(电解质膜中的水分越少，干燥感越强)阻抗越大。电解质膜的湿润度越大(电解质膜中的水分越多，湿润感越强)阻抗越小。
电阻检测单元51例如通过HFR(High Frequency Resistance，高频电阻)测量方法求出阻抗。电阻检测单元51使燃料电池组1的发电电流以1kHz(千赫)的正弦波变动，检测燃料电池组1的电压的变动。然后电阻检测单元51通过将1kHz的交流电压振幅除以交流电流振幅求出电阻值。电阻检测单元51将表示电阻值的电池电阻信号输出到控制器5。
阴极气体给排装置2是对燃料电池组1供给阴极气体，同时将从燃料电池组1流出的阴极废气排出到外部大气的装置。阴极气体给排装置2包括：阴极气体供给通路21、过滤器22、阴极压缩机23、阴极气体排出通路24、阴极调压阀25、气流传感器26、压力传感器27。
阴极气体供给通路21是对燃料电池组1供给阴极气体的通路。阴极气体供给通路21的一端连接到过滤器22，另一端连接到阴极气体入口孔11。
过滤器22将取入阴极气体供给通路21的阴极气体中包含的异物除去。
阴极压缩机23设置在阴极气体供给通路21中。阴极压缩机23经由过滤器22将来自外部大气的空气取入阴极气体供给通路21，作为阴极气体提供给燃料电池组1。
阴极气体排出通路24是从燃料电池组1排出阴极废气的通路。阴极气体排出通路24的一端连接到阴极气体出口孔12，另一端开口。
阴极调压阀25设置在阴极气体排出通路24中。阴极调压阀25通过控制器5进行开闭控制。通过该开闭控制，将流过阴极调压阀25上游侧的通路的阴极气体的压力(以下称为“阴极压”。)调节为希望的压力。
气流传感器26设置在阴极压缩机23上游的阴极气体供给通路21中。气流传感器26检测流过阴极气体供给通路21的阴极气体的流量。
压力传感器27设置在阴极气体入口孔11的附近的阴极气体供给通路21中。压力传感器27检测阴极压。控制器5供给压力传感器27的检测值调整阴极调压阀25的开度。由此，将阴极压调节为希望的压力。
阳极气体给排装置3是对燃料电池组1供给阳极气体，同时将从燃料电池组1排出的阳极废气排出到阴极气体排出通路24的装置。阳极气体给排装置3包括：高压罐31、阳极气体供给通路32、阳极调压阀33、阳极气体排出通路34、和清洗阀35。
高压罐31将提供给燃料电池组1的阳极气体保持为高压状态储藏。
阳极气体供给通路32是从高压罐31对燃料电池组1供给阳极气体的通路。阳极气体供给通路32的一端连接到高压罐31，另一端连接到阳极气体入口孔13。
阳极调压阀33设置在阳极气体供给通路32中。阳极调压阀33通过控制器5进行开闭控制。通过该开闭控制，调节从高压罐31流过阳极气体供给通路32的阳极气体的压力。
阳极气体排出通路34是排出从燃料电池组1流出的阳极废气的通路。阳极气体排出通路34的一端连接到燃料电池组1的阳极气体出口孔14，另一端连接到阴极气体排出通路24。
清洗阀35设置在阳极气体排出通路34中。清洗阀35通过控制器5进行开闭控制。通过清洗阀35的开闭控制，控制阴极气体排出通路24中合流的阳极废气的流量。
组冷却装置4是冷却燃料电池组1，将燃料电池组1保持为适合发电的温度的装置。组冷却装置4包括：冷却水循环通路41、散热器42、旁路通路43、恒温器44、循环泵45、加热器46、第1水温传感器47、第2水温传感器48。
冷却水循环通路41是使冷却燃料电池组1的冷却水循环的通路。
散热器42设置在冷却水循环通路41中。散热器42冷却从燃料电池组1排出的冷却水。
旁路通路43是使散热器42旁路的通路。旁路通路43的一端连接到冷却水循环通路41，另一端连接到恒温器44。
恒温器44设置在散热器42下游侧的冷却水循环通路41中。恒温器44是开闭阀。恒温器44根据流过内部的冷却水的温度自动地开闭。
恒温器44在流过内部的冷却水的温度低于规定的恒温器开阀温度时，成为关闭状态，仅将经由旁路通路43而来的相对高温的冷却水提供给燃料电池组1。
另一方面，恒温器44在流过内部的冷却水的温度为恒温器开阀温度以上时，开始缓慢地打开。然后恒温器44将经由旁路通路43而来的冷却水和经由散热器42而来的相对低温的冷却水在内部混合，提供给燃料电池组1。
循环泵45设置在恒温器44下游侧的冷却水循环通路41中。循环泵45使流过燃料电池组1的冷却水循环。循环泵45的排出流量由控制器5控制。
加热器46设置在恒温器44和循环泵45之间的冷却水循环通路41中。加热器46在燃料电池组1预热时被通电，使冷却水的温度上升。作为加热器46例如使用PTC加热器。
第1水温传感器47设置在冷却水循环通路41和旁路通路43的分支点的上游侧的冷却水循环通路41中。第1水温传感器47检测从燃料电池组1排出的冷却水的温度(以下称为“组出口水温”。)。第1水温传感器47将检测到的组出口温度输出到控制器5。
第2水温传感器48设置在循环泵45下游侧的冷却水循环通路41中。第2水温传感器48检测燃料电池组1中流入的冷却水的温度(以下称为“组入口水温”。)。第2水温传感器48将组入口水温输出到控制器5。
控制器5由具有中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)、以及输入输出接口(I/O接口)的微计算机构成。
在控制器5中，从第1水温传感器47输入组出口水温，从第2水温传感器48输入组入口水温，从电阻检测单元51输入电池电阻信号。
控制器5根据组入口水温、组出口水温、以及电池电阻信号等，使燃料电池组1发电。控制器5通常控制阴极压缩机23、阴极调压阀25、阳极调压阀33、和清洗阀35，将发电所需要的最低限度流量的阴极气体以及阳极气体提供给燃料电池组1。
在燃料电池系统10的起动时，控制器5执行将燃料电池组1预热至适合发电的发电温度，例如60℃的控制(以下称为“预热促进运转”)。
在预热促进运转时，以燃料电池组1的预热所需要的流量，将阴极气体和阳极气体分别提供给燃料电池组1。由此，燃料电池组1发电，通过伴随发电的自发热，燃料电池组1自身被加温。
控制器5将燃料电池组1发电的发电电力分配给阴极压缩机23、循环泵45、加热器46等。这时，控制器5对阴极压缩机23以及加热器46分配燃料电池组1的发电电力中比通常大的电力。
具体地说，控制器5设定阴极调压阀25的开度，以便高于燃料电池组1的发电所需要的最低限度的空气压力，同时将从阴极压缩机23排出的空气流量设定为可变范围的上限值。
进而，控制器5将加热器46的加热温度(输出)设定为可变范围的上限值。因此，通过加热器46的冷却水的加热和自发热双方，燃料电池组1的温度，较早地达到适合发电的温度，燃料电池组1的预热完成。
这样，通过增加在预热促进运转中阴极压缩机23以及加热器46双方消耗的发电电力，提高燃料电池组1的发热量。因此，可以缩短从起动燃料电池组1开始至燃料电池组1的预热完成为止的起动时间。
但是，有时由于车辆的使用环境，燃料电池系统例如在冰点以下负30℃的低温时被起动。在这样的情况下，如果伴随燃料电池组的发电，在电解质膜中生成的生成水从电解质膜溢出，则溢出的生成水由于在冰点以下，所以冻结。其结果，在燃料电池系统的零下起动时预热燃料电池组时，有因生成水的冻结，通过电解质膜的气体的扩散性变差，不能发电的顾虑。
因此，在本实施方式中，事先估计上升至冰点温度时的燃料电池的生成水量，在该生成水量超过电解质膜可保水的保水量的上限值时，切换为提高生成水的每增加量的燃料电池的温度上升量的预热控制。
图2是表示控制器5中的预热控制单元的功能的结构图。
在燃料电池系统10的零下起动时，预热控制单元50通过控制对阴极压缩机23和加热器46等供给的电力，预热燃料电池组1。预热控制单元50具有生成水量运算单元100和冻结对策控制单元200。
生成水量运算单元100在接受对于燃料电池组1的起动命令时，根据燃料电池的湿润度、燃料电池的温度、预热时的发电电力，运算燃料电池的温度上升至冰点温度期间在电解质膜中生成的生成水的量(以下称为“生成水量”。)。而且，对于具体的结构，参照图3在后叙述。
生成水量运算单元100将运算出的生成水量作为用于判定有无超过在电解质膜中生成的生成水量的判定信号，输出到冻结对策控制单元200。
而且，生成水量运算单元100也可以取代对冻结对策控制单元200输出生成水量，而判断生成水量是否超过保水量阈值，将该结果输出到冻结对策控制单元200。例如，生成水量运算单元100在判定为生成水量超过保水量阈值的情况下，输出冻结对策运转指令，在判断为生成水量未超过保水量阈值的情况下，输出通常的预热促进运转指令。保水量阈值是用于检测从电解质膜漏出生成水的情况的阈值，通过实验数据等设定。
冻结对策控制单元200在生成水量运算单元100运算出的生成水量未超过保水量阈值时，执行通常的预热促进运转。在预热促进运转中，冻结对策控制单元200将大于燃料电池组1的发电所需要的电力的电力(以下称为“预热电力”)提供给阴极压缩机23，同时对加热器46供给可变范围内的最大电力作为预热所需要的规定的电力。
另一方面，冻结对策控制单元200在生成水量超过保水量阈值时，执行冻结对策运转。即，与预热促进运转时相比，冻结对策控制单元200提高送往加热器46的、相对于阴极压缩机23的电力比例。
图3是表示本实施方式的生成水量运算单元100的细节的结构图。
生成水量运算单元100计算来自第1水温传感器47的组出口水温和来自第2水温传感器48的组入口水温的平均值即平均温度，作为燃料电池温度。而且，生成水量运算单元100从电阻检测单元51获取燃料电池的电阻值。
在生成水量运算单元100中，保持燃料电池电阻值和燃料电池温度。该燃料电池电阻值和燃料电池温度都是在燃料电池组1的上次停止时检测出的检测值。在零下起动时，有时一般因燃料电池组1的冻结，燃料电池的电阻值变高。在该情况下，燃料电池的湿润度和电阻值之间的相关关系的偏移变大，存在燃料电池的湿润度的误差变大的可能性。因此，通过使用相关关系的偏移比较小的上次停止时的燃料电池的电阻值和温度，可以提高起动时的燃料电池的湿润度的计算精度。
生成水量运算单元100包括：燃料电池保水量运算单元(以下称为“保水量运算单元”。)110、燃料电池发电生成水量运算单元(以下称为“发电生成水量运算单元”。)111、燃料电池保水量计算单元112、时间计算单元120、生成速度计算单元130、累计量估计单元140、以及生成水量计算单元150。
保水量运算单元110在接受对于燃料电池组1的起动命令时，根据上次停止时的燃料电池温度和燃料电池电阻值，计算电解质膜(燃料电池)的保水量作为初始值。然后保水量运算单元110将燃料电池保水量的初始值输出到累计单元113。
在本实施方式中，保水量运算单元110中，对于每个燃料电池的温度，预先存储表示燃料电池电阻值和湿润度之间的关系的相关数据。保水量运算单元110在获取上次停止时的燃料电池温度和燃料电池电阻值时，参照燃料电池温度的相关数据，运算燃料电池的湿润度。然后，保水量运算单元110使用燃料电池的湿润度和至保水量的换算系数计算初始值。
发电生成水量运算单元111根据运算周期中的发电状态运算发电生成水量。例如，发电生成水量可以用式(3)表示。在式(3)中，发电生成水量用Wv[g/sec]表示，发电电流用I[A]表示，法拉第常数用F[C/mol]表示，每1摩尔反应物生成(或者消耗)的电子的数量用n表示，燃料电池1的单元张数用Nc[cell]表示，水的分子量用Mw[g/mol]表示。
[算式1]
W v = I nF · Nc · M w . . . ( 3 )
发电生成水量运算单元111使用式3计算每单位时间的发电生成水量，输出到运算周期乘法单元1111。运算周期乘法单元1111对每单位时间的发电生成量乘以运算周期的值，将每个运算周期的发电生成水量作为运算结果输出到燃料电池保水量计算单元112。
也可以使用上述以外的方法，例如，在可以通过电阻检测单元51检测电阻值的条件成立时，通过保水量运算单元110对每个运算周期新获取燃料电池温度和燃料电池电阻值，使用相关数据依次计算保水量，将该算出的值作为燃料电池保水量计算单元112的运算结果使用。而且，也可以在保水量运算单元110中预先记录表示根据燃料电池的温度校正电阻值的校正值的校正数据，根据该校正数据表示的校正值计算保水量。
燃料电池保水量计算单元112通过在燃料电池保水量计算单元112的运算结果的上次值中加上发电生成水量运算单元111的运算结果，计算当前的燃料电池的保水量。
时间计算单元120根据预先设定的冻结对策运转(预热)时的发电电力，计算在零下起动燃料电池组1开始至达到0(零)℃附近的时间(以下称为“发电升温时间”。)。发电电力的设定值小于预热促进运转时的发电电力，被预先记录在生成水量运算单元100中。
这里，在时间计算单元120中，也可以输入预热促进运转时的发电电力。但是，燃料电池的IV特性一般是燃料电池温度越低，损失(发热量)越大，所以在本实施方式中，在生成水量SWO不超过保水量阈值的范围内，先实施预热促进运转，使其产生更多的发热量，在生成水量SWO超过保水量阈值之前转移到冻结对策运转。这样，燃料电池温度较早地上升，生成水量SWO的估计精度较高，可以防止由于燃料电池组1内的水的冻结导致不能发电，并且，可以使预热时间最短，所以将冻结对策运转时的发电电力设为输入。
时间计算单元120包括：目标升温幅度计算单元121、目标发热量计算单元122、燃料电池系统发热量运算单元(以下，简单称为“发热量运算单元”)123、以及升温时间计算单元124。
目标升温幅度计算单元121为了求出燃料电池组1在达到目标冰点温度之前生成的生成水量，计算从目标冰点温度减去了冷却水温度后的值作为目标升温幅度。
作为目标冰点温度，例如设定0℃附近的温度。而且，使用冷却水温度作为燃料电池组1的温度。在本实施方式中，使用组入口水温作为冷却水温度。通常，因为组入口水温表示低于组出口水温的值，所以与使用组出口水温相比，可以将生成水量估计得多。因此，可以防止因为生成水量的估计误差的原因，在零下从电解质膜漏出生成水。即，为了防止生成水的冻结,使用组入口水温作为安全侧的温度。
目标发热量计算单元122将燃料电池系统容量与目标升温幅度相乘后的值作为目标发热量输出到升温时间计算单元124。而且，考虑燃料电池组1、冷却水循环通路41和冷却水的热容量决定燃料电池系统容量。而且，为了提高生成水量的估计精度，希望还考虑向外部放热的热量。
发热量运算单元123根据预热时的发电电力的设定值，计算有助于燃料电池组1的升温的燃料电池系统10的发热量。发热量运算单元123将算出的发热量输出到升温时间计算单元124。
在本实施方式中，在发热量运算单元123中预先记录目标冰点温度下的电池特性信息。在电池特性信息，示出与燃料电池组1的发电电流相应的电池电压，即电流电压(IV)特性。发热量运算单元123参照电池特性信息，根据预热时的发电电力确定电池电压，根据该电池电压和理论电压的差分，计算因燃料电池组1的发电产生的发热量。
一般地，燃料电池温度越低，电池特性越差，燃料电池的发电效率越差，所以燃料电池组1的输出电压和理论电压之间的差越大。即，燃料电池温度越低，燃料电池组1的发热量越大，作为其结果，在电解质膜中生成的生成水量越多。因此，通过使用在0℃附近的电池特性信息，零下起动时估计的生成水量表示与实际的生成水量相比更安全侧的值。
升温时间计算单元124将来自目标发热量计算单元122的目标发热量除以来自发热量运算单元123的燃料电池系统10的发热量，将相除后的值作为发热升温时间输出到累计量估计单元140。
生成速度计算单元130根据预热时的发电电力的设定值计算每单位时间的生成水的增加量，即生成水量的增加速度。
在本实施方式中，在生成速度计算单元130中预先记录目标冰点温度下的电池特性信息。如上所述，在电池特性信息中，示出燃料电池组1的发电电流和电池电压之间的关系。
生成速度计算单元130在获取预热时的发电电力的设定值时，参照电池特性信息，确定与发电电力的设定值相关联的发电电流的值。然后生成速度计算单元130根据确定的发电电流和换算系数，计算每单位时间的生成水量。而且，生成速度计算单元130将每单位时间的生成水量输出到累计量估计单元140。
累计量估计单元140根据来自生成速度计算单元130的每单位时间的生成水量、以及来自升温时间计算单元124的发电升温时间，估计生成水的累计量。该估计值是从起动燃料电池系统10开始至达到目标冰点温度为止，通过预热促进运转在电解质膜中生成的生成水量。
在本实施方式中，累计量估计单元140将对每单位时间的生成水量乘以了发电升温时间所得的值作为生成水的累计量输出到生成水量计算单元150。
生成水量计算单元150计算将生成水的累计量和来自保水量运算单元110的保水量相加后的值，作为燃料电池达到冰点温度时刻的电解质膜全体的生成水量的估计值。
这样，生成水量运算单元100根据燃料电池系统10的热容量和预热时的发电电力的设定值，计算从起动时的冷却水温度至目标冰点温度为止的升温所需要的发电升温时间。然后，生成水量运算单元100使用IV特性，从预热时的发电电力计算每单位时间的发热量，将每单位时间的发热量乘以发热升温时间来估计生成水的累计量。
进而，生成水量运算单元100使用上次停止时的燃料电池的温度和电阻值计算起动时的电解质膜的保水量，合计起动时的电解质膜的保水量和生成水的累计量，估计燃料电池升温至冰点温度时的电解质膜整体的生成水量。进而，生成水量运算单元100在预热促进运转中根据发电电流更新当前的燃料电池的保水量，合计当前的燃料电池保水量和生成水的累计量，估计燃料电池升温至冰点温度时的电解质膜整体的生成水量。由此，能够判断直至燃料电池被预热至冰点温度为止的电解质膜整体的生成水量是否超过电解质膜的保水量的上限值。
图4是表示冻结对策控制单元200的细节的结构图。
冻结对策控制单元200获取燃料电池目标电流作为燃料电池的发电所需要的最低限度的发电电流的值。而且，冻结对策控制单元200从生成水量运算单元100接受表示生成水量的控制信号。
冻结对策控制单元200根据来自生成水量运算单元100的控制信号，将预热促进运转切换到冻结对策运转，根据燃料电池目标电流确定阴极压缩机23的目标空气流量和目标空气压力。
冻结对策控制单元200包括：发电空气流量运算单元210、预热空气流量保持单元220、无效信息保持单元221、预热切换单元230、目标空气流量计算单元240。并且冻结对策控制单元200包括：发电空气压力运算单元310、预热空气压力保持单元320、无效信息保持单元321、预热切换单元330、目标空气压力计算单元340。
发电空气流量运算单元210根据燃料电池组1的发电所需要的最低限度的燃料电池目标值和换算系数，计算发电空气流量。
预热空气流量保持单元220保持预热促进运转所需要的预热空气流量。预热空气流量是大于发电空气流量的值。例如，在预热空气流量保持单元220中保持可以设定阴极压缩机23的空气流量的范围的上限值。
无效信息保持单元221保持将预热促进运转设为无效，使运转状态切换为冻结对策运转的无效信息。在无效信息保持单元221中例如保持表示0(零)的无效信息，作为小于发电空气流量的值。
预热切换单元230根据来自生成水量运算单元100的控制信号，将预热空气流量保持单元220或者无效信息保持单元221的其中一个的信息输出到目标空气流量计算单元240。预热切换单元230例如通过开关电路实现。
在通过控制信号表示的生成水量大于保水量阈值的情况下，预热切换单元230判断为在达到冰点温度前从电解质膜漏出生成水，从无效信息保持单元221输出关于空气流量表示零的无效信息。
另一方面，在生成水量小于保水量阈值的情况下，预热切换单元230判断为即使达到冰点温度，生成水也不从电解质膜漏出，输出来自预热空气流量保持单元220的预热空气流量。
目标空气流量计算单元240输出发电空气流量和来自预热切换单元230的信息中任意一个大的值作为目标空气流量。
例如，在生成水量未超出保水量阈值时，目标空气流量计算单元240在预热空气流量和发电空气流量中，输出较大一方的预热空气流量作为目标空气流量。即，在不从电解质膜漏出生成水时，目标空气流量计算单元240对阴极压缩机23设定燃料电池组1的预热所需要的空气流量。
另一方面，在生成水量超过了保水量阈值时，目标空气流量计算单元240在关于空气流量表示零的无效信息和发电空气流量中，输出较大一方的发电空气流量作为目标空气流量。即，在生成水从电解质膜漏出时，目标空气流量计算单元240事先对阴极压缩机23设定发电所需要的最低限度的空气流量。由此，由于燃料电池系统10的预热运转状态转移到冻结对策运转，所以电解质膜中的生成水的增加量(增加速度)受到抑制。
说明接着阴极压缩机23的目标空气压力的设定。
发电空气压力运算单元310根据燃料电池组1的发电所需要的最低限度的燃料电池目标值和换算系数计算发电空气压力。
预热空气压力保持单元320保持预热促进运转所需要的预热空气压力。预热空气压力是大于发电空气压力的值。例如，在预热空气压力保持单元320中保持由阴极压缩机23以及阴极调压阀25决定的空气压力设定范围的上限值。
无效信息保持单元321保持用于使预热促进运转无效，将运转状态切换为冻结对策运转的无效信息。在无效信息保持单元321中保持表示0(零)的无效信息作为小于发电空气压力的值。
预热切换单元330根据来自生成水量运算单元100的控制信号，将预热空气压力保持单元320或者无效信息保持单元321的其中一个的信息输出到目标空气压力计算单元340。预热切换单元330例如通过开关电路实现。
在由控制信号表示的生成水量大于保水量阈值的情况下，预热切换单元330判断为在达到冰点温度之前从电解质膜漏出生成水，从无效信息保持单元321输出关于空气压力表示零的无效信息。
另一方面，在生成水量小于保水量阈值的情况下，预热切换单元330判断为即使达到冰点温度，生成水也不从电解质膜漏出，输出来自预热空气压力保持单元320的预热空气压力。
目标空气压力计算单元340输出发电空气压力和来自预热切换单元330的信息中较大一方的值作为目标空气压力。
例如，在生成水量未超过保水量阈值时，目标空气压力计算单元340输出预热空气压力和发电空气压力中较大一方的预热空气压力作为目标空气压力。即，在不从电解质膜漏出生成水时，目标空气压力计算单元340根据燃料电池组1的预热所需要的空气压力，对阴极压缩机23和阴极调压阀25进行设定。
另一方面，在生成水量超过保水量阈值时，目标空气压力计算单元340在关于空气压力表示零的无效信息和发电空气压力中，输出较大一方的发电空气压力作为目标空气流量。即，在生成水从电解质膜漏出时，目标空气压力计算单元340根据燃料电池组1的发电所需要的最低限度的空气压力控制阴极压缩机23和阴极调压阀25。由此，燃料电池系统10的运转状态转移到冻结对策运转，所以在电解质膜中生成的生成水的每单位时间的增加量受到抑制。
这样，在预测出燃料电池达到0℃之前生成水量从电解质膜溢出时，冻结对策控制单元200根据燃料电池组1的发电所需要的最低限度的发电电流调整阴极压缩机23和阴极调压阀25。因此，由于空气流量以及空气压力变小，所以可以抑制燃料电池组1的发热量。另一方面，预热控制单元50将对加热器46的供给电力维持为固定。
因此，预热控制单元50通过切换到冻结对策运转，在将从燃料电池组1至加热器46的供给电力设为固定的状态下，降低对阴极压缩机23的供给电力。因此，可以提高对加热器46的供给电流相对于对阴极压缩机23的供给电力的电力比例。
因此，降低电解质膜的生成水量的发生，并且加热器46产生的对燃料电池组1的放热量被维持为固定。这样，预热控制单元50降低生成水量的增加速度，同时不改变对燃料电池的放热量，所以可以提高每单位生成水量的温度上升量。
接着说明控制器5中的预热控制单元50的动作的细节。
图5是表示预热控制单元50的控制方法的流程图。
首先，在步骤S901中保水量运算单元110接受燃料电池组1的起动命令时，使用预先决定的相关数据，根据上次停止时的燃料电池温度和燃料电池电阻值，计算燃料电池的湿润度。
在步骤S902中，保水量运算单元110获取来自第2水温传感器48的组入口温度。
在步骤S903中，保水量运算单元110使用燃料电池的湿润度和换算系数，计算电解质膜的保水量作为初始值。然后，燃料电池保水量计算单元112使用保水量的初始值、和来自燃料电池发电生成水量运算单元111的运算结果计算当前的电解质膜的保水量。即，燃料电池保水量计算单元112在预热促进运转中根据发电电流更新当前的电解质膜的保水量。
在步骤S904中，生成水量计算单元150根据电解质膜的保水量、冻结对策运转时的发电电力的设定值和组入口温度，计算将由于预热促进运转而在电解质膜中生成的生成水的累计量和保水量合计后的生成水量SWO。
具体地说，升温时间计算单元124根据冻结对策运转时的发电电力的设定值、燃料电池系统10的热容量、和组入口温度，计算从组入口温度升温至0℃为止的发电升温时间。而且，生成速度计算单元130使用IV特性信息，从发电电力的设定值计算每单位时间的燃料电池组1的发热量，累计量估计单元140将每单位时间的燃料电池组1的发热量乘以发电升温时间，计算生成水的累计量。然后生成水量计算单元150将来自累计量估计单元140的生成水的累计量、和来自燃料电池保水量计算单元112的保水量相加，计算生成水量SWO。
在步骤S905中，预热控制单元50判断生成水量SWO是否超过保水量阈值。然后，预热控制单元50在判断为生成水量SWO超过保水量阈值时，进至步骤S908。
在步骤S908中，预热控制单元50判断组入口温度是否超过0℃。预热控制单元50在判断为组入口温度超过0℃时，进至步骤S906，执行预热促进运转。
另一方面，在步骤S908中判断为组入口温度未超过0℃的情况下，进至步骤S909，执行冻结对策运转。在步骤S909中，预热控制单元50执行提高至加热器46的、相对于至阴极压缩机23的电力比例的冻结对策运转。在本实施方式中，预热控制单元50不变更从燃料电池组1对加热器46的供给电力，而是控制阴极压缩机23和阴极调压阀25，使对燃料电池组1供给的空气流量和空气压力降低至发电所需要的最低限度的值。
然后，预热控制单元50在规定的运算周期(例如，100ms)中反复执行从步骤S902开始的一系列的处理，直至燃料电池1完成预热。
另一方面，在步骤S905中，预热控制单元50在判断为生成水量SWO未超过保水量阈值时，进至步骤S906。
另一方面，在步骤S905中判断为生成水量SWO未超过保水量阈值时，在步骤S906中，预热控制单元50执行预热促进运转，直至组入口温度达到例如60℃的发电温度。在本实施方式中，预热控制单元50将加热器46和阴极压缩机23设定为可变范围的上限值。然后预热控制单元50在燃料电池的温度达到了适合发电的温度的情况下，判断为预热已完成，结束预热促进运转。
然后，预热控制单元50在规定的运算周期(例如100ms)，反复执行从步骤S902开始的一系列的处理，直至燃料电池1完成预热。
然后预热控制单元50在冷却水温度为0℃以上，或者，生成水量SWO不足保水阈值时，使燃料电池系统10的预热运转状态从冻结对策运转转移至通常的预热促进运转。然后，在燃料电池的温度达到了适合发电的温度的情况下结束预热。
图6是表示一例基于冻结对策运转的燃料电池系统的状态变化的图。图6(a)是表示燃料电池组1的保水量的变化的图。图6(b)是表示组入口温度的变化的图。图6(c)是表示从燃料电池组1至加热器46的供给电力相对于至辅助设备的供给电力的比例的变化的图。图6(d)是表示组提供给空气量的变化的图。图6(e)是表示组入口空气压力的变化的图。
在图6(a)～图6(e)中，用实线表示从预热促进运转转移至冻结对策运转时的变化，用虚线表示仅在预热促进运转下起动时的变化。而且，横轴为时间，纵轴为燃料电池保水量W、组入口温度、加热器电力/辅助设备电力，组供给空气流量、组入口空气压力。
如图6(a)所示，由于预热促进运转，从起动时的保水量W0起，随着组入口温度(冷却水温度)上升，保水量上升。
预热控制单元50获取起动时的保水量W0，同时根据由于预热促进运转燃料电池从零下温度T0达到0℃为止在电解质膜中生成的生成水的累计量，合计保水量W0和累计量，计算生成水量。然后，预热控制单元50判断生成水量是否超过上限值Wmax。
在以实线表示的运转状态下，在继续冻结对策运转时的发电电力的情况下，逐次判断燃料电池达到0℃时的生成水量是否超过保水量的上限值Wmax，在判断为超过保水量的上限值Wmax的时刻，从预热促进运转切换为冻结对策运转。即，预热控制单元50在将从燃料电池组1至加热器46的供给电力设为固定的状态下，降低对阴极压缩机(辅助设备)23的供给电力，从而降低对燃料电池组1供给的空气流量和空气压力。由此，对于图6(c)所示的辅助设备的加热器的电力比例提高。
其结果，燃料电池组1的发电电流降低，在燃料电池中生成的生成水量减少。另一方面，由于将对加热器46的供给电力维持为固定，加热器46产生的对燃料电池组1的放热量不变。
因此，可以降低生成水量的发生量，同时使燃料电池的温度上升量的降低成为最小限度。因此，如图6所示，如果在预热运转中从预热促进运转切换为冻结对策运转，则因为每单位生成水的至燃料电池的加热量变大，所以可以避免在达到0℃之前生成水从电解质膜溢出而冻结的情况。
而且，在本实施方式中，通过在冻结对策运转中，将从燃料电池组1至加热器46的供给电力维持为固定，降低至阴极压缩机23的供给电力，从而提高至加热器46的、相对于至阴极压缩机23的电力比例。但是，在能够进一步提高至加热器46的供给电力的情况下，也可以将降低从燃料电池组1至阴极压缩机23的供给电力的部分分配给至加热器46的电力供给。在该情况下，可以加速每单位生成水的燃料电池的升温速度，同时进一步缩短预热时间。
按照本实施方式，生成水量运算单元100根据燃料电池的湿润度、温度和预热时的发电电力，运算燃料电池的温度上升至冰点温度期间在电解质膜中生成的生成水量。冻结对策控制单元200在算出的生成水量超过保水量阈值时，提高燃料电池的预热时至加热器46的电力相对于至阴极压缩机23的比例。
在通过基于发电的自发热进行燃料电池的预热时，在加热器46的情况下也通过提供给冷却水的热量进行预热。因此，在通过加热器46和阴极压缩机23预热燃料电池的情况下，增加了加热器46的电力比例的一方，相对于发电量(≒生成水量)的燃料电池的温度上升量较多。
因此，在预热时生成水量超过保水量阈值，存在生成水冻结的可能性时，通过提高加热器46相对于阴极压缩机23的电力比例，可以在生成水量从电解质膜溢出之前完成燃料电池的预热(冰点以上)。因此，可以防止在燃料电池组1中生成水冻结的情况。
而且，在本实施方式中，预热控制单元50在预热促进运转中，从燃料电池组1对阴极压缩机23供给大于发电所需要的最低限度的电力的预热电力，同时将预热所需要的规定电力提供给加热器46。然后，冻结对策控制单元200通过预热电力的降低提高送往加热器46的电力比例。
因此，可以维持从加热器46提供给冷却水的热量，并且抑制从阴极压缩机23至燃料电池组1的空气量，降低伴随发电的生成水量的增加速度。因此，使生成水量的降低和预热时间的延迟成为最小限度。
而且，在本实施方式中，冻结对策控制单元200在生成水量超过保水量阈值时，停止至阴极压缩机23的预热电力的供给，以基于燃料电池组1的发电所需要的最低限度的发电电流的空气量控制阴极压缩机23。
这样，冻结对策控制单元200将至阴极压缩机23的供给电力的下降幅度设定为燃料电池组1的发电所需要的最低限度的电力值。因此，可以避免因为至燃料电池组1的空气量的供给不足，燃料电池组1的发电状态变得不稳。
而且，在本实施方式中，累计量估计单元140根据燃料电池的温度和预热时的发电电力的设定值，计算从起动燃料电池组1开始至达到0℃附近的发电升温时间，估计生成水的累计量。生成水量计算单元150计算基于燃料电池的湿润度的保水量和生成水的累计量的合计作为生成水量。
这样，生成水量运算单元100除了基于发电升温时间的生成水的累计量，还可以通过求基于燃料电池的湿润度的保水量，高精度地估计从起动燃料电池组1开始至达到0℃附近的定时的生成水量。因此，能够正确地判定是否在零下从电解质膜溢出生成水。
而且，在本实施方式中，预热控制单元50在燃料电池组1的停止时检测燃料电池的电阻值。生成水量运算单元100在零下起动时根据停止时的电阻值计算燃料电池的湿润度。
由此，即使因为燃料电池的冻结电阻值变大，由于生成水量运算单元100使用上次停止时的电阻值计算湿润度，所以可以防止燃料电池的冻结导致的湿润度的误差的变动。因此，可以提高生成水量的估计精度。
而且，在本实施方式中，在发热量运算单元123中预先存储表示与燃料电池的发电电流相应的表示电池电压的电池特性信息。然后，发热量运算单元123使用电池特性信息，根据预热时的发电电力的设定值确定电池电压，根据该电池电压和理论电压的差分，计算燃料电池组1的发热量。
由此，发热量运算单元123可以高精度地求出基于预热时的发电电力的燃料电池组1的发热量。因此，可以进一步提高生成水量的估计精度。
而且，在本实施方式中，生成速度计算单元130根据预热时的发电电力的设定值，通过电池特性信息确定发电电流，对该发电电流乘以变换系数，计算每单位时间的生成水量。然后，累计量估计单元140根据每单位时间的生成水量和发电升温时间，计算燃料电池温度达到0℃附近为止生成的累计量。
这样，生成水量运算单元100由燃料电池的IV特性求出与预热时的发电电力对应的发电电流，通过该发电电流计算生成水的累计量。因此，由于考虑IV特性来求出发电电流，所以可以提高累计量的估计精度。
而且，在本实施方式中，作为用于估计生成水的累计量的燃料电池的温度，使用流入燃料电池组1的冷却水的温度(组入口温度)。由于组入口水温低于实际的燃料电池组1的温度，所以将生成水量运算单元100中的生成水量估计得较多。因此，在安全方面，可以将燃料电池组1的运转状态切换为冻结对策运转。
以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式只不过示出了本发明的适用例的一部分，没有将本发明的技术的范围限定于上述实施方式的具体的结构的意图。
例如，在本实施方式中，为了提高至加热器46的电力比例，设为将至燃料电池组1的空气流量以及空气压力从预热要求开始同时切换为发电所需要的空气流量以及空气压力的结构，但是切换的方法不限于同时，也可以使其中一个先进行来切换，也可以在从预热要求至发电要求期间可变。这样，在组入口冷却水温度达到了冰点时，通过进行控制，使得燃料电池保水量为Wmax，可以使预热时间为最小时间。
而且，在本实施方式中，根据冷却水的入口温度是否为0℃，判断冷却水的入口温度是否为冰点温度，但是冰点温度不限于0℃，只要获得本发明的效果，也可以是0℃以外。
而且，上述实施方式也可以进行适当组合。
本申请要求基于2013年1月9日向日本专利局提出申请的特愿2013－002134的优先权，该申请的全部内容通过参照引入本说明书。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，包括：与燃料电池电连接，通过所述燃料电池的电力进行驱动的辅助设备；以及与该燃料电池电连接，加热对该燃料电池供给的冷却水的加热器，
所述燃料电池系统还包括：在所述燃料电池的零下起动时，通过送往所述辅助设备和所述加热器的电力供给，预热燃料电池自身的预热控制单元，
所述预热控制单元包括：
水量运算单元，根据所述燃料电池的湿润度、温度和预热时的发电电力，运算在该燃料电池的温度上升至冰点温度期间在电解质膜中生成的生成水量；以及
冻结对策控制单元，在判断出所述运算的生成水量超过阈值时，提高所述预热时送往所述加热器的电力相对于至所述辅助设备的电力比例。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，
所述冻结对策控制单元通过降低所述零下起动时的至辅助设备的电力，提高所述零下起动时的送往所述加热器的电力比例。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，
所述辅助设备是压缩机，
所述冻结对策控制单元在判断出所述生成水量超过阈值时，通过以基于燃料电池的发电所需要的发电电流的空气量控制所述压缩机，提高所述零下起动时的送往所述加热器的电力比例。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，
所述水量运算单元包括：
累计量估计单元，根据所述燃料电池的温度和预热时的发电电力，计算从零下起动时的所述燃料电池起动开始至达到0℃附近的发电升温时间，估计生成水的累计量；以及
生成水量计算单元，计算基于所述燃料电池的湿润度的保水量和所述生成水的累计量的合计，作为所述生成水量。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，
所述预热控制单元在所述燃料电池停止时检测所述燃料电池的电阻值，
所述水量运算单元在零下起动时根据所述停止时的电阻值计算所述燃料电池的湿润度。
6.如权利要求4或者权利要求5所述的燃料电池系统，
所述水量运算单元包括：
发热量运算单元，使用表示与所述燃料电池的发电电流相应的电池电压的电池特性信息，根据所述预热时的发电电力确定电池电压，根据该电池电压和理论电压的差分运算所述燃料电池的发热量；
目标发热量计算单元，根据所述燃料电池的温度和热容量，计算所述燃料电池的温度达到0℃附近为止所需要的发热量；以及
升温时间计算单元，将所述需要的发热量除以所述燃料电池的发热量，计算所述发电升温时间。
7.如权利要求5所述的燃料电池系统，
所述水量运算单元包括：
生成速度计算单元，根据所述预热时的发电电力，通过电池特性信息确定发电电流，根据该发电电流计算每单位时间的生成水量；以及
累计量计算单元，根据所述计算出的每单位时间的生成水量和发电升温时间，计算所述燃料电池的温度达到0℃附近为止生成的所述累计量。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，
所述燃料电池的温度是流入所述燃料电池的冷却水的入口温度。
9.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括：与燃料电池电连接，通过所述燃料电池的电力进行驱动的辅助设备；以及与该燃料电池电连接，加热对该燃料电池供给的冷却水的加热器，
在所述燃料电池的零下起动时通过至所述辅助设备和所述加热器的电力供给预热燃料电池自身的预热控制步骤中包括：
水量运算步骤，根据所述燃料电池的湿润度、温度和预热时的发电电力，运算该燃料电池的温度上升至冰点温度期间在电解质膜中生成的生成水量；以及
冻结对策控制步骤，在判断出所述预热时所述运算出的生成水量超过阈值时，提高至所述加热器的、相对于至所述辅助设备的电力比例。
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