CN105609836B - 燃料电池系统及燃料电池系统的运转控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池系统及燃料电池系统的运转控制方法，提供一种在从发电效率低的运转向通常运转恢复时的燃料电池系统中，能够同时实现燃料电池的输出电压的恢复和电力响应性的提高这两者的技术。控制器在从间歇运转或预热运转等发电效率低的运转向通常运转恢复为止期间，随着FC电压的恢复而更新下限电压阈值(步骤S1)。控制器根据更新的下限电压阈值而提升FC电流(步骤S2、步骤S3)，由此能够满足燃料电池组的输出电压的恢复和电力响应性这两方的要求。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统的运转控制方法，尤其是涉及从间歇运转或预热运转向通常运转恢复时的燃料电池系统的运转控制方法。
背景技术
燃料电池是通过电化学工艺使燃料氧化，由此将伴随着氧化反应放出的能量直接转换成电能的发电系统，具有将多个膜电极接合体(单电池)层叠而成的堆叠结构，该膜电极接合体通过由多孔材料构成的一对电极夹持用于选择性地输送氢离子的电解质膜的两侧面而成。
在对这种燃料电池系统进行通常运转时，为了提高燃料电池组的发电效率，以使燃料电池组的动作点在图4所示那样的电流-电压的特性线(所谓IV特性线)La1上移动的方式控制燃料电池组的发电。另一方面，在使燃料电池系统进行间歇运转或预热运转时，以使燃料电池组的动作点在从IV特性线La1偏离的区域(参照图4所示的间歇运转区域Aim、预热运转区域Awp)移动的方式控制燃料电池组的发电。需要说明的是，预热运转是在低温起动时(例如，冰点下起动时)，与通常运转时相比缩减空气化学计量比，由此特意降低发电效率，相应地增加燃料电池组的发热量的运转。另一方面，间歇运转是在低负载运转时(例如，怠速中或拥堵行驶中等)，使向燃料电池组的氧化气体及燃料气体的供给暂时停止的运转。
作为与之关联的技术，例如在下述专利文献1中公开了如下的控制方法：在从发电效率低的运转(间歇运转)向发电效率高的运转(通常运转)的恢复中，为了确保燃料电池组的输出响应性能，在间歇运转中，少量且连续地供给氧化气体，在要求电力超过了规定值的情况下，切换成通常运转。根据上述结构，在对燃料电池组进行间歇运转期间，能够抑制燃料电池组的输出电压超过开放端电压的问题(换言之，进行高电位回避控制)。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2010-244937号公报
发明内容
【发明要解决的课题】
然而，在上述现有技术中，被指出当按照发电要求而过度提升电流时，会产生燃料电池组的输出电压无法恢复这样的问题，反之，若为了等待燃料电池组的输出电压的上升而不提升输出电流，则电力响应性下降这样的问题。
本发明鉴于以上说明的情况而作出，目的在于提供一种在从间歇运转或预热运转等发电效率低的运转向通常运转恢复时的燃料电池系统中，能够同时实现燃料电池的输出电压的恢复和电力响应性的提高的技术。
【用于解决课题的方案】
为了解决上述的问题，本发明的一实施方式的燃料电池系统的控制方法是从发电效率比通常运转低的低效率运转向通常运转恢复时的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，包括：第一步骤，在燃料电池的测定电压超过了燃料电池的下限电压的情况下，将燃料电池的输出电流提高至设定的容许电流；及第二步骤，在提高了输出电流之后，将下限电压更新为测定电压，反复进行第一步骤和第二步骤，直至测定电压达到设定的极限电压。
在此，在上述结构中，优选的是，还包括如下的第三步骤：在测定电压未超过所述下限电压的情况下降低输出电流，而且，还优选的是，容许电流基于向燃料电池供给的氧化气体供给量和空气化学计量比来设定。需要说明的是，上述结构中的低效率运转可以是间歇运转或预热运转中的任一个。
而且，本发明的另一实施方式的燃料电池系统能够在发电效率比通常运转低的低效率运转与通常运转之间进行运转切换，其特征在于，具备：电流控制部，在燃料电池的测定电压超过了燃料电池的下限电压的情况下，将燃料电池的输出电流提高至设定的容许电流；电压更新部，在输出电流被提高之后，将下限电压更新为测定电压；及控制部，反复执行由电流控制部进行的提高输出电流的动作和由电压更新部进行的将下限电压更新为测定电压的动作，直至测定电压达到设定的极限电压。
【发明效果】
如以上说明那样，根据本发明，在从间歇运转或预热运转等发电效率低的运转向通常运转恢复时的燃料电池系统中，能够避免电流限制等各种限制，并使满足要求发电量优先而决定燃料电池的动作点。
附图说明
图1是表示本实施方式的燃料电池系统的概略结构的图。
图2是表示从间歇运转向通常运转恢复的情况的运转控制工艺的流程图。
图3是表示加速器开度信号ACC、运转模式Om、FC电压Vfc、空气流量Fa、FC电流Ifc的关系的时间图。
图4是表示以往的燃料电池系统中的运转动作点的变化的概念图。
【符号说明】
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…冷却系统，70…控制器。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
A.本实施方式
A-1.结构
图1是搭载有本实施方式的燃料电池系统10的车辆的概略结构。需要说明的是，在以下的说明中，设想燃料电池汽车(FCHV；Fuel Cell Hybrid Vehicle)作为车辆的一例，但是不仅是车辆，也可以应用于各种移动体(例如，船舶、飞机、机器人等)或固定型电源、以及便携型的燃料电池系统。
燃料电池系统10是在发电效率比通常运转低的低效率运转与通常运转之间能够进行运转切换的燃料电池系统(详情后述)，作为搭载于燃料电池车辆的车载电源系统发挥功能。燃料电池系统10具备：接受反应气体(燃料气体、氧化气体)的供给而发电的燃料电池组20；用于将作为氧化气体的空气向燃料电池组20供给的氧化气体供给系统30；用于将作为燃料气体的氢气向燃料电池组20供给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；用于对燃料电池组20进行冷却的冷却系统60；对系统整体进行控制的控制器(ECU)70。
燃料电池组20是将多个单电池串联层叠而成的固体高分子电解质型单电池组。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、用于检测发电电流的电流传感器72、以及用于检测单电池电压的单电池电压传感器73。
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所流动的氧化气体通路34、从燃料电池组20排出的氧化废气所流动的氧化废气通路36。在氧化气体通路34设有：经由过滤器31而从大气中取入氧化气体的空气压缩器32；用于对向燃料电池组20的阴极供给的氧化气体进行加湿的加湿器33；用于调整氧化气体供给量的节流阀35。在氧化废气通路36设有：用于调整氧化气体供给压的背压调整阀37；在氧化气体(干燥气体)与氧化废气(湿润气体)之间用于进行水分交换的加湿器33。
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动的燃料气体通路45；用于使从燃料电池组20排出的燃料废气向燃料气体通路45返回的循环通路46；将循环通路46内的燃料废气向燃料气体通路45进行压力输送的循环泵47；与循环通路46分支连接的排气排水通路48。
燃料气体供给源41例如由高压氢罐或储氢合金等构成，积存高压(例如35MPa至70MPa)的氢气。当打开截止阀42时，燃料气体从燃料气体供给源41向燃料气体通路45流出。燃料气体由调节器43或喷射器44减压至例如200kPa左右，向燃料电池组20供给。
需要说明的是，燃料气体供给源41可以由从烃系的燃料生成富氢的改质气体的改质器、将由该改质器生成的改质气体形成高压状态并蓄压的高压气体罐构成。
调节器43是将其上游侧压力(一次压)调压成预先设定的二次压的装置，例如，由对一次压进行减压的机械式的减压阀等构成。机械式的减压阀具有背压室与调压室由隔膜分隔而形成的壳体，具有通过背压室内的背压在调压室内将一次压减压成规定的压力而形成二次压的结构。
喷射器44是利用电磁驱动力直接以规定的驱动周期驱动阀芯而使阀芯从阀座分离，由此能够调整气体流量或气体压的电磁驱动式的开闭阀。喷射器44具备：喷嘴体，具备具有喷射燃料气体等气体燃料的喷射孔的阀座，并将该气体燃料供给引导至喷射孔的喷嘴体；阀芯，被收容保持成相对于该喷嘴体能够沿轴线方向(气体流动方向)移动并对喷射孔进行开闭。
在排气排水通路48配设有排气排水阀49。排气排水阀49按照来自控制器70的指令而工作，由此将循环通路46内的包含杂质的燃料废气和水分向外部排出。通过排气排水阀49的开阀，循环通路46内的燃料废气中的杂质的浓度下降，能够提升在循环系统内循环的燃料废气中的氢浓度。
经由排气排水阀49而排出的燃料废气与在氧化废气通路36中流动的氧化废气混合，由稀释器(未图示)稀释。循环泵47将循环系统内的燃料废气通过电动机驱动向燃料电池组20进行循环供给。
电力系统50具备燃料电池组用的转换器(FDC)51a、蓄电池用的转换器(BDC)51b、蓄电池52、牵引逆变器53、牵引电动机54及辅机类55。FDC51a担任对燃料电池组20的输出电压进行控制的作用，是将输入到一次侧(输入侧：燃料电池组20侧)的输出电压转换(升压或降压)成与一次侧不同的电压值向二次侧(输出侧：逆变器53侧)输出，而且反之将输入到二次侧的电压转换成与二次侧不同的电压向一次侧输出的双方向的电压转换装置。通过该FDC51a的电压转换控制，来控制燃料电池组20的动作点(I、V)。
BDC51b起到对逆变器53的输入电压进行控制的作用，具有与例如FDC51a同样的电路结构。需要说明的是，BDC51b的电路结构不是局限于上述的主旨，可以采用能够进行逆变器53的输入电压的控制的所有结构。
蓄电池52作为剩余电力的贮存源、再生制动时的再生能量贮存源、燃料电池车辆的与加速或减速相伴的负载变动时的能量缓冲器发挥功能。作为蓄电池52，优选例如镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。
牵引逆变器53例如是以脉冲宽度调制方式驱动的PWM逆变器，按照来自控制器70的控制指令，将从燃料电池组20或蓄电池52输出的直流电压转换成三相交流电压，对牵引电动机54的旋转转矩进行控制。牵引电动机54是用于对车轮56L、56R进行驱动的电动机(例如三相交流电动机)，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，泵类等动力源)、用于对这些电动机进行驱动的逆变器类、以及各种车载辅机类(例如，空气压缩器、喷射器、冷却水循环泵、散热器等)的总称。
冷却系统60具备用于使在燃料电池组20内部循环的制冷剂流动的制冷剂通路61、62、63、64、用于对制冷剂进行压力输送的循环泵65、用于在制冷剂与外气之间进行热交换的散热器66、用于切换制冷剂的循环路径的三通阀67、及用于检测燃料电池组20的温度的温度传感器74。在预热运转完成之后的通常运转时，以从燃料电池组20流出的制冷剂在制冷剂通路61、64中流动而利用散热器66进行了冷却之后，在制冷剂通路63中流动而再次向燃料电池组20流入的方式对三通阀67进行开闭控制。另一方面，在系统刚起动之后的预热运转时，以从燃料电池组20流出的制冷剂在制冷剂通路61、62、63中流动而再次流入燃料电池组20的方式对三通阀67进行开闭控制。
控制器70是具备CPU、ROM、RAM及输入输出接口等的计算机系统，作为用于对燃料电池系统10的各部(氧化气体供给系统30、燃料气体供给系统40、电力系统50及冷却系统60)进行控制的控制单元发挥功能。例如，控制器70当接收到从点火开关输出的起动信号IG时，开始燃料电池系统10的运转，基于从加速器传感器输出的加速器开度信号ACC、从车速传感器输出的车速信号VC等而求出系统整体的要求电力。
系统整体的要求电力是车辆行驶电力与辅机电力的合计值。辅机电力包括由车载辅机类(加湿器、空气压缩器、氢泵及冷却水循环泵等)消耗的电力、由车辆行驶所需的装置(变速器、车轮控制装置、转向装置及悬架装置等)消耗的电力、配设在乘员空间内的装置(空调装置、照明器具及音频设备等)消耗的电力等。
并且，控制器70决定燃料电池组20与蓄电池52的各自的输出电力的分配，运算发电指令值，并以使燃料电池组20的发电量满足要求发电量Preq的方式控制氧化气体供给系统30及燃料气体供给系统40。而且，控制器70对FDC51a等进行控制而控制燃料电池组20的动作点。控制器70以得到与加速器开度对应的目标车速的方式，例如，将U相、V相及W相的各交流电压指令值作为开关指令向牵引逆变器53输出，控制牵引电动机54的输出转矩及转速。而且，在本实施方式中，在从预热运转或间歇运转(发电效率比通常运转低的运转；以下，适当称为“低效率运转”)等向通常运转恢复时，控制器70对于燃料电池组20设定下限电压阈值Vlol，进行不提升(即，不升高)燃料电池组20的输出电流直至通过氧化气体的供给而燃料电池组20的输出电压超过下限电压阈值Vlol为止的控制(详情后述)。以下，说明本实施方式的特征之一的从低效率运转(以下，设想为间歇运转)向通常运转恢复的情况的燃料电池组20的运转控制工艺。
A-2.动作
<向通常运转恢复的情况的运转控制工艺>
图2是表示通过控制器70执行的从间歇运转向通常运转恢复的情况的运转控制工艺的流程图，图3是表示加速器开度信号ACC、运转模式Om、燃料电池组20的输出电压(FC电压)Vfc、向燃料电池组20供给的氧化气体的流量(空气流量)Fa、燃料电池组20的输出电流(FC电流)Ifc的关系的时间图。需要说明的是，关于FC电压Vfc，利用粗实线表示测定值Vmes，利用单点划线表示下限电压阈值Vlol。而且，关于空气流量Fa，利用粗实线表示指令值Fcom，利用单点划线表示测定值Fmes，并且关于FC电流Ifc，利用粗实线表示指令值Icom，利用单点划线表示测定值Imes。
控制器(控制部)70检测到加速器开度信号ACC的陡急的变化，由此判断为应使燃料电池组20的运转状态从间歇运转OIm向通常运转ONm恢复时，开始氧化气体的供给(空气供给)，并将FC电流Ifc的上升向FDC51a进行指示(参照图3所示的指令值Fcom、指令值Icom)。而且，控制器70对于燃料电池组20设定下限电压阈值Vlol(步骤S1)。作为下限电压阈值Vlol的初始值，例如，可以利用FC电压Vfc的上升即将开始之前的燃料电池组20的电压测定值Vmes(在图3中，下限电压阈值Vlol的初始值为“0”)。在此，重要的是当对于燃料电池组20设定下限电压阈值Vlol时，不提升(升高)燃料电池组20的输出电流Ifc直至通过空气供给而燃料电池组20的测定值Vmes超过下限电压阈值Vlol为止。
当进入步骤S2时，控制器70逐次判断由电压传感器71测定的燃料电池组20的测定值Vmes是否超过了下限电压阈值Vlol(步骤S2)。控制器(电流控制部)70当判断为燃料电池组20的测定值Vmes超过了下限电压阈值Vlol时(步骤S2；是)，基于要求发电量Preq，将FC电流Ifc提升至根据空气流量Fa和设定的空气化学计量比(空气过剩系数)而决定的容许电流Iper(步骤S3)。通过进行这样的控制，FC电流的测定值Imes追随燃料电池组20的下限电压阈值Vlol的上升。需要说明的是，关于燃料电池组20的测定值Vmes是否超过下限电压阈值Vlol的判断，可以设置时间性的制约。具体而言，可以判断在从设定下限电压阈值Vlol起的规定时间内燃料电池组20的测定值Vmes是否超过了下限电压阈值Vlol。
另一方面，控制器70在步骤S2中，当判断为燃料电池组20的测定值Vmes未超过下限电压阈值Vlol时(步骤S2；否)，使下限电压阈值Vlol从上次的值上升最低上升量ΔV而进行更新，并以降低FC电流Ifc的方式向FDC51a进行指示(步骤S5)。这样，通过降低FC电流Ifc，即使例如燃料电池组20发生劣化等而处于FC电压Vfc难以恢复的状况，伴随着空气流量Fa的增加而FC电压Vfc也会上升(恢复)。然后，控制器70返回步骤S2，判断燃料电池组20的测定值Vmes是否超过下限电压阈值Vlol。控制器70当判断为燃料电池组20的测定值Vmes超过下限电压阈值Vlol时(步骤S2；是)，基于要求发电量Preq，将FC电流Ifc提升至根据空气流量Fa和设定的空气化学计量比而决定的容许电流Iper(步骤S3)。需要说明的是，在步骤S5中，取代使下限电压阈值Vlol上升最低上升量ΔV进行更新，不设定最低上升量ΔV，而直接使用上次的值(或者比上次的值低的值)作为下限电压阈值Vlol。
控制器70在步骤S3中，使FC电流Ifc上升时，判断是否应继续下限电压阈值Vlol的更新(步骤S4)。详细而言，控制器70判断是否达到了“即使提升根据空气流量Fa和设定的空气化学计量比而决定的容许电流Iper以下的电流，燃料电池组20的输出电压Vfc也会恢复的电压(以下，称为“极限电压”)Vlim(参照图3)”。该极限电压Vlim或上述的最低上升量ΔV能够改写地存储于例如控制器70的存储器等。
控制器70在由于FC电压Vfc还未达到极限电压Vlim而判断为应继续进行下限电压阈值Vlol的更新时(步骤S4；是)，返回步骤S 1，设定新的下限电压阈值Vlol。详细而言，控制器(电压更新部)70将通过电压传感器71测定的当前时刻的FC电压Vfc的测定值Vmes设定(更新)作为新的下限电压阈值Vlol。需要说明的是，关于之后的动作，可以与上述同样地进行说明，因此省略。另一方面，当由于燃料电池组20的输出电压Vfc到达极限电压Vlim而判断为不需要继续下限电压阈值Vlol的更新时(步骤S4；否)，结束以上说明的处理。
如以上说明那样，根据本实施方式，在从间歇运转或预热运转等发电效率低的运转恢复至通常运转期间，随着FC电压的恢复而对下限电压阈值进行更新，根据更新的下限电压阈值而提升FC电流，由此能够满足燃料电池组的输出电压的恢复和电力响应性这两方的要求。而且，在本实施方式中，当判断为燃料电池组的测定值未超过下限电压阈值时，进行降低FC电流的控制。由此，能够促使FC电压的恢复。
【工业上的可利用性】
本发明适合应用于从发电效率低的运转向通常运转恢复时的燃料电池系统。
Claims (4)
1.一种燃料电池系统的控制方法，是从发电效率比通常运转低的低效率运转向通常运转恢复时的燃料电池系统的控制方法，包括：
第一步骤，在燃料电池的测定电压超过了所述燃料电池的下限电压的情况下，将所述燃料电池的输出电流提高至设定的容许电流，所述下限电压是所述燃料电池的输出电压的上升即将开始之前的所述燃料电池的所述测定电压，所述容许电流基于向所述燃料电池供给的氧化气体供给量和空气过剩系数来设定；及
第二步骤，在提高了所述输出电流之后，将所述下限电压更新为所述测定电压，
反复进行所述第一步骤和所述第二步骤，直至所述测定电压达到设定的极限电压，所述极限电压是即使提升所述容许电流以下的电流，所述燃料电池的所述输出电压也会恢复的电压。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其中，
所述燃料电池系统的控制方法还包括如下的第三步骤：在所述测定电压未超过所述下限电压的情况下降低所述输出电流。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统的控制方法，其中，
所述低效率运转是间歇运转或预热运转中的任一个。
4.一种燃料电池系统，能够在发电效率比通常运转低的低效率运转与通常运转之间进行运转切换，具备：
电流控制部，在燃料电池的测定电压超过了所述燃料电池的下限电压的情况下，将所述燃料电池的输出电流提高至设定的容许电流，所述下限电压是所述燃料电池的输出电压的上升即将开始之前的所述燃料电池的所述测定电压，所述容许电流基于向所述燃料电池供给的氧化气体供给量和空气过剩系数来设定；
电压更新部，在所述输出电流被提高之后，将所述下限电压更新为所述测定电压；及
控制部，反复执行由所述电流控制部进行的提高所述输出电流的动作和由所述电压更新部进行的将所述下限电压更新为所述测定电压的动作，直至所述测定电压达到设定的极限电压，所述极限电压是即使提升所述容许电流以下的电流，所述燃料电池的所述输出电压也会恢复的电压。
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