CN1930720A - 燃料电池系统的控制装置 - Google Patents

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Abstract

为了可靠地避免在间歇运行时的发电停止状态下产生冻结，本发明提供一种按照在燃料电池的发电状态和发电停止状态之间进行切换、从而进行间歇运行的方式来进行控制的燃料电池系统的控制装置，其特征在于，至少根据构成燃料电池系统的部件中的、存在有水分的预定部件的温度来决定可否停止间歇运行时的发电动作。作为所述预定部件，可以选择配置在燃料气体或氧化气体的流通路径上的阀、通路或加湿器。通过与所述预定部件对应设置的温度传感器来直接检测所述预定部件的温度，或至少根据该燃料电池系统的运行状态或外部气温中的一者来间接地检测所述预定部件的温度。

Description

燃料电池系统的控制装置
技术领域
本发明涉及燃料电池系统的控制装置，特别涉及在燃料电池系统中对燃料电池的发电状态和发电停止状态进行切换、从而进行间歇运行的控制技术。
背景技术
如果燃料电池系统在寒冷地带的室外等低温环境下长时间保持停止状态的话，则系统内的水分可能会冻结。由于该冻结会导致故障的发生，因此一直以来开发并提出了各种防止燃料电池系统发生冻结的方法。例如，在日本专利文献特开2003-151601号公报中记载有以下防止冻结的方法：当停止燃料电池时，进行控制以使燃料电池的温度上升以后再停止，由此来延长停止状态的燃料电池发生冻结之前的时间，从而使再次启动时燃料电池的温度不会降至发生冻结的温度。
发明内容
当使用燃料电池来作为电动汽车的驱动用电源时，通常采取除了燃料电池以外还备有蓄电装置(蓄电池或电容器)的结构。此时，例如在电动汽车制动时，通过电动机进行再生将电能存储在蓄电装置中，在通常行驶时，在由蓄电装置提供的电能即已足够的情况下(例如，低速行驶时或车辆暂时停止这样的低负荷时)单独使用蓄电装置，而当由蓄电装置提供的电能不够用时使用蓄电装置和燃料电池二者向电动机供电。即，在燃料电池系统中进行如下控制：根据电动汽车所需要的电能和蓄电装置的充电状态来对发电状态和发电停止状态进行切换，从而进行间歇运行。
在该燃料电池系统中，即使如上所述进行控制以使其间歇运行时，也会产生上述冻结的问题。即，当间歇运行时，如果燃料电池系统在低温环境下长时间保持停止状态的话，则系统内的水分有可能如上所述发生冻结。
但是，在日本专利文献特开2003-151601号公报所记载的防止冻结的方法中，由于在停止燃料电池之后没有采取任何防止冷却发展的措施，所以无法通过该方法来可靠地避免在间歇运行时的停止状态下发生冻结。即，即便可以日本专利文献特开2003-151601号公报所记载的方法来延长燃料电池发生冻结之前的时间，但是由于只要停止状态持续，冷却就会不断进行，所以在间歇运行时的发电停止状态长时间延续的情况下，迟早会发生冻结。尤其是当采用根据直到下次启动的预测时间这一准确度未必高的值来决定停止时的温度的结构时，产生冻结的可能性会更高。
因此，本发明的目的在于可靠地避免在间歇运行时的发电停止状态下产生冻结。
为了解决上述问题，本发明提供一种进行控制以在燃料电池的发电状态和发电停止状态之间进行切换、从而进行间歇运行的燃料电池系统的控制装置，其特征在于，至少根据构成燃料电池系统的部件中的、存在有水分的预定部件的温度来决定是否停止间歇运行时的发电动作。所述预定部件可以是配置在燃料气体或氧化气体的流通路径中的阀、通路或加湿器中的至少一个。根据该结构，当预定部件的温度低、从而水分发生冻结的危险性高时，即使在间歇运行时也不停止发电动作，因此能够可靠地避免水分发生冻结。
优选通过与所述预定部件对应设置的温度传感器来直接检测所述预定部件的温度，或至少根据该燃料电池系统的运行状态或外部气温中的一者来间接检测所述预定部件的温度。
另外，优选当所述可否停止的决定为否时，控制该燃料电池系统的发电状态以使所述检测温度超过阈值。
本发明的燃料电池系统的特征在于，其控制装置按照对燃料电池的发电状态和发电停止状态进行切换、从而进行间歇运行的方式来进行控制，且该燃料电池系统的控制装置中设有：对构成该燃料电池系统的部件中的、存在有水分的预定部件的冻结危险进行判断的单元；以及当判断冻结危险性高时，禁止间歇运行的控制单元。
本发明的燃料电池系统中设有燃料电池和存储该燃料电池发出的电的蓄电装置以作为向消耗电能的消耗装置供电的电力供应源，并对该燃料电池的发电状态和发电停止状态进行切换、从而进行间歇运行，所述燃料电池系统的特征在于，具有本发明的控制装置。
本发明的燃料电池混合动力汽车的特征在于，具有本发明的燃料电池系统。
根据本发明，能够可靠地避免在间歇运行时的发电停止状态下产生冻结。
附图说明
图1是以本实施方式的燃料电池系统的管线系统为中心的结构图；
图2是本实施方式的燃料电池系统的主要结构图；
图3示出的是第一实施例中间歇运行时的发电动作的停止判断处理的流程图；
图4示出的是第二实施例中间歇运行时的发电动作的停止判断处理的流程图；
图5示出的是冻结防止处理的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的优选实施方式。
图2示出了装载在燃料电池电动汽车上的燃料电池系统的简要结构。
燃料电池系统10主要由燃料气体供应装置42、氧化气体供应装置73、燃料电池20、以及控制部80构成。燃料气体例如是氢气，氧化气体例如是空气。控制部80根据加速传感器84检测的加速器开度求出燃料电池20的要求发电量，对燃料气体供应装置42和氧化气体供应装置73进行控制，调整其供应燃料电池20的燃料气体的流量和氧化气体的流量，从而获得期望的发电量。PCU 82是包括逆变器(inverter)和DC/DC变流器(converter)的电力控制装置，除了将燃料电池20发出的直流电转换为交流电并将其供应给车辆行驶用的电机83等负荷装置，还将剩余的电能存储在蓄电装置81(蓄电池或电容器)中。蓄电装置81作为制动再生时的再生能量贮藏源以及随着车辆的加速或减速而产生负荷变动时的能量缓冲器而起作用。
图1示出了以燃料电池系统10的管线系统为中心的系统结构。如图1所示，燃料电池系统10的结构中包括：用于向燃料电池20供应燃料气体的系统、用于供应氧化气体的系统、以及用于冷却燃料电池20的系统。
燃料电池20具有通过丝网印刷等在高分子电解质膜21的两个面上形成阳极22和阴极23的膜电极组件24，该高分子电解质膜21由氟树脂等形成的质子传导性离子交换膜构成。膜电极组件24的两个面被具有燃料气体、氧化气体、冷却水的流路的隔板(未图示)夹持，在该隔板与阳极22和阴极23之间分别形成有槽状的阳极气体通道25和阴极气体通道26。在阳极22发生(1)式的氧化反应，在阴极23发生(2)式的还原反应。作为燃料电池20整体则发生(3)式的反应。
                   (1)
        (2)
H2+(1/2)O2→H2O              (3)
另外，为了便于说明，在该图中示意性示出了由膜电极组件24、阳极气体通道25、以及阴极气体通道26构成的单位电池的结构，但实际上具有通过上述隔板将多个单位电池串联在一起的堆栈结构。
在燃料电池系统10的冷却系统中设有：使冷却水循环的冷却通路31、检测从燃料电池20排出的冷却水的温度的温度传感器32、将冷却水的热量散发到外部的散热器(热交换器)33、调整流入散热器33的冷却水的量的阀34、将冷却水加压并使其循环的泵35、以及检测供应给燃料电池20的冷却水的温度的温度传感器36等。
在燃料电池系统10的燃料气体供应系统中配置有以下管线：用于向阳极气体通道25供应燃料气体的燃料气体流路41、以及用于使从阳极气体通道25排出的燃料排出气体流回燃料气体流路41的循环流路51，通过上述气体流路来构成燃料气体循环系统。
在燃料气体流路41中设有：控制来自燃料气体供应装置42的燃料气体的供应/停止的截流阀43、检测燃料气体压力的压力传感器44、调整燃料气体的压力的调节器45、以及开闭燃料电池的燃料气体供应口(入口)的截流阀46等。燃料气体供应装置41例如由高压氢罐、储氢合金、重整器等构成。
在循环流路51中设有：排出燃料排出气体的截流阀52、从燃料排出气体中回收水分的气液分离器53、将回收的水分回收到未图示的容器中的排水阀54、由电机驱动的循环泵(加压单元)55、以及防止燃料气体流路41的燃料气体向循环流路51一侧逆流的逆流止回阀56等。循环泵55在控制部80的控制下，对通过阳极气体通道25时受到压力损失的燃料排出气体进行压缩，使其升压到适当的气体压力，并使其流回燃料气体流路41。燃料排出气体在燃料气体流路41中与从燃料气体供应装置42供应的燃料气体汇合，然后被供应给燃料电池20以再次利用。
在循环流路51上分支配置有排气流路61，该排气流路61用于将从燃料气体循环系统排出的燃料排出气体通过稀释器(例如氢浓度降低装置)62排出到车外。在排气流路61中设有排气阀(排气单元)63，该排气阀63可以进行燃料排出气体的排气控制。通过开闭排气阀63，使在燃料电池内反复循环且杂质浓度增大了的燃料排出气体排出到外部，并导入新的燃料气体以防止电池电压降低。另外，还可以引起循环流路51的内压的脉动，以去除蓄积在气体流路中的水分。
另一方面，在燃料电池系统10的氧化气体供应系统中配置有以下管线：用于向阴极气体通道26供应氧化气体的氧化气体流路71、以及用于将从阴极气体通道26排出的阴极排出气体排出的阴极排出气体流路72。在氧化气体流路71中设有：去除从大气导入的空气中所包含的粉尘等的空气过滤器74、以及由电机驱动的空气压缩机75等构成并将压缩空气作为氧化气体供应给氧化气体流路71的氧化气体供应装置73。另外，在配置于氧化气体供应装置73下游的加湿器76中进行以下两者之间的水分交换：因燃料电池20的电解反应中生成的生成水而变为高湿状态的阴极排出气体、以及从大气中导入的低湿状态的氧化气体。通过设置在阴极排出气体流路72中的压力调整阀77而将阴极气体通道26的背压调整为基本固定的压力。在阴极排出气体流路72中流动的阴极排出气体根据不同的设计而经由气液分离器或消声器等排到车外，另外，其中一部分流入到稀释器62中，对滞留在稀释器62内的燃料排出气体进行混合稀释并被排出到车外。
控制部80由未图示的控制计算机系统构成，根据未图示的控制程序来控制燃料电池系统的各部分的动作。控制计算机系统可由公知的可获得的系统构成。
例如，控制部80接收来自于设置在各个流路上的温度传感器T、压力传感器P的传感信号，根据电池运行的状态(例如，电力负荷)来驱动各个电机并调整循环泵55和空气压缩机74的转数，并进行各种阀的开闭控制或阀开度的调整等。
另外，控制部80例如进行以下控制：当通过蓄电装置81可以提供电动汽车所需要的电力时，单独使用蓄电装置81向电动汽车供电；当不够时，则通过蓄电装置81和燃料电池系统10双方向电动汽车供电。即，控制部80进行以下控制：根据电动汽车所需要的电力和蓄电装置81的充电状态、燃料电池20的水温等而在燃料电池系统10的发电状态和发电停止状态之间进行切换，从而进行间歇运行。
间歇运行时的控制部80的动作原则上与通常的燃料电池电动汽车间歇运行时的动作相同。例如，在车辆停车等燃料电池20的发电效率(燃料消耗)降低的低负荷状态下，停止燃料电池20的运行并由蓄电装置81进行供电。另一方面，当蓄电装置81的蓄电量下降或负荷增大时，使燃料电池20发电，从而向负荷供电并使蓄电装置81充电。
但是，本实施方式与现有技术的不同点在于，控制部80按照以下方式进行动作：在间歇运行时，当从发电状态转为发电停止状态时，至少根据燃料电池系统10内的部件中的、存在有水分的预定部件的温度来决定可否停止发电动作，并仅在可以停止时转为发电停止状态。
下面，参照图3、图4所示的流程图，对与间歇运行时的发电动作的停止判断有关的控制部80的动作示例进行说明。
(第一实施例：图3)
在间歇运行时，在发电动作过程中，控制部80判断停止条件(第一停止条件)是否成立(S100)，当不成立时结束停止判断处理，其中，该停止条件基于与通常相同的发电动作的停止条件(例如，负荷低、充电充足、水温高等条件)、即电动汽车(电机等的负荷)需要的电力和蓄电装置81的充电状态、燃料电池20的水温等。
另一方面，当第一停止条件成立时，控制部80判断已经对燃料电池20发出了停止要求，并通过与燃料电池系统10内的部件中的、存在有水分的预定部件对应设置的温度传感器来直接检测该预定部件的温度(S101)。
在这里，作为存在有上述水分的预定部件，可以选择配置在燃料气体或氧化气体的流路路径上的阀、通路或加湿器等中的至少一个。例如，燃料气体流路41的各个通路、截流阀43、调节器45、截流阀46等，循环流路51的各个通路、截流阀52、排水阀54、逆流止回阀56等，排气流路61的各个通路、排气阀63等，氧化气体流路71的各个通路、加湿器76、开闭燃料电池的氧化气体供应口(入口)的截流阀等，阴极排出气体流路72的各个通路、压力调整阀77等。这些部件中的、配置在靠近外表面的位置(例如车辆的下表面等)上的部件容易被外部气体冷却而水分冻结，因此尤其优选将其选择为所述预定部件。即，可以将所述预定部件解释为是燃料电池系统中的燃料电池(电池堆)20的外部部件。或者，也可以将其解释为是暴露于外部气体中、或容易受到外部气体的热传导影响的外部气体接触部件。另外，在图1中仅示出了部分温度传感器。
然后，控制部80判断对各个预定部件检测出的温度是否超过了规定的阈值m(第二停止条件)(S102)。
当检测出的温度全部超过了阈值m时，决定可以停止发电动作，并与以往一样进行转为发电停止状态的处理(例如，停止燃料气体供应装置42、氧化气体供应装置73等，并同时使PCU 82动作，从蓄电装置81向电机83等供电(S103)。
另外，在间歇运行时，在发电停止状态下，控制部80与以往一样，根据电动汽车所需要的电力和蓄电装置18的充电状态、燃料电池20的水温等来判断转为发电状态的条件是否成立，当成立时，进行转为发电状态的处理。
另一方面，当由温度传感器直接检测出的温度中的某一个小于等于阈值m时，由于对温度小于等于该阈值m的预定部件来说冻结的危险性高，所以控制部80做出不能停止发电动作的决定，不管第一停止条件是否成立均维持发电状态(S104)，而不进行转为发电停止状态的处理，并结束停止判断处理。
另外，此时控制单元80也可以进行以下控制：控制燃料电池20的发电状态(例如增加输出)，以便通过伴随其的发热(排热)而使预定部件的各自的温度超过规定的阈值，从而能够与以往一样根据第一停止条件来停止发电动作(即，不会根据第二停止条件来制约间歇动作的进行)。
根据第一实施例的结构，由于检测燃料电池系统10内的部件中的、存在有水分的预定部件的温度，并至少根据该检测出的温度来决定可否停止间歇运行时的发电动作，所以当预定部件的温度低、从而水分发生冻结的危险性高时，即使在间歇运行时也不停止发电动作，从而能够可靠地避免水分冻结。
(第二实施例：图4)
在间歇运行时，在发电动作过程中，控制部80判断第一停止条件是否成立(S200)，该第一停止条件基于与以往相同的发电动作的停止条件、即电动汽车所需要的电力和蓄电装置81的充电状态、燃料电池20的水温等。
然后，当第一停止条件成立时，控制部80判断对燃料电池20发出了停止要求，并检测燃料电池系统10内的部件中的、存在有水分的预定部件的温度T(S201)。
在这里，在第二实施例中，假设存在有上述水分的预定部件与第一实施例相同，但是以通过外部气温和车速、燃料电池系统的运行状态等间接地检测预定部件的温度的方式来进行处理，而不是通过温度传感器来直接检测所述预定部件的温度。燃料电池系统的运行状态例如是指发电输出、反应气体的气体量、气体温度、燃料电池堆的温度等。
做为间接的温度检测方法，例如有根据下述三个参数，并通过下式(4)来进行检测的方法。三个参数分别是：从电动汽车(或燃料电池系统10)具有的外部气温传感器输出的外部气体温度TOUT、从电动汽车具有的车速传感器输出的车速V、以及燃料电池20的发电输出(电力)P。
部件温度T＝外部气温TOUT-a×车速V-b×输出P  (4)
上式中，a、b是根据电动汽车或燃料电池系统10的特性而确定的系数(车辆特性常数)。
然后，控制部80判断根据上述(4)式间接测出的部件温度T是否超过了规定的阈值m(第二停止条件)(S202)。
当部件温度T超过了阈值m时，决定可以停止发电动作，并与以往一样进行转为发电停止状态的处理(S203)。
另一方面，当在S202中部件温度T为阈值m以下时，由于预定部件发生冻结的危险性高，所以控制部80决定不能停止发电动作，不管第一停止条件是否成立均维持发电状态(S204)而不进行转为发电停止状态的处理，并结束停止判断处理。
另外，此时控制单元80也可以进行以下控制：控制燃料电池20的发电状态(例如增加输出)，以便通过伴随其的发热(散热)而使部件温度T超过规定的阈值，从而能够与以往一样根据第一停止条件来停止发电动作(即，不会根据第二停止条件来制约间歇动作的进行)。此时，例如可以控制燃料电池20的输出P满足下面的(5)式。
输出P＞(部件温度T-外部气温TOUT+a×车速V)/b  (5)
根据第二实施例的结构，与第一实施例相同，检测燃料电池系统10内的部件中的、存在有水分的预定部件的温度，并至少根据该检测出的温度来决定可否停止间歇运行时的发电动作，因此，当预定部件的温度低、从而水分发生冻结的危险性高时，即使在间歇运行时也不停止发电动作，从而能够可靠地避免水分发生冻结。另外，与第一实施例相比，不需要与各个预定部件相对应地设置温度传感器。
(变形例)
本发明不限于上述实施例，可对其进行各种变形来应用，例如组合第一实施例和第二实施例的结构等。
另外，例如在上述实施例中，虽然当第二停止条件不成立时(部件温度为阈值m以下时)，判断不能停止间歇运行时的发电动作，但是例如也可以按照以下方式进行控制处理(控制部80的动作)：当第二停止条件不成立时，判断预定部件发生冻结的危险性高并禁止间歇运行本身。另外，禁止间歇运行是指禁止变为间歇运行的发电停止状态。
另外，例如在上述实施例中，虽然首先对第一停止条件进行判断，然后对第二停止条件进行判断，但本发明不限于上述结构。例如，也可以为以下结构：首先判断第二停止条件，当第二停止条件成立时再判断第一停止条件。
另外，例如在第二实施例中，虽然将基于部件温度T的一种条件作为第二停止条件进行了说明，但是例如也可以由多种条件来构成第二停止条件，另外也可以连续地判断该多种条件。例如，当第一停止条件成立时，首先判断作为第一个第二停止条件的外部气温TOUT是否超过了规定的阈值(例如5℃)，当超过了规定的阈值时，决定可以停止发电动作。另一方面，当TOUT为规定的阈值以下时，根据上述(4)式求出部件温度T，并执行作为第二个第二停止条件的S102(以及其后的处理)。
并且，如果将这些方式组合在一起的话，可以考虑图5所示的冻结防止处理的处理流程。首先检测外部气温TOUT(S300)。然后判断该外部气温TOUT是否超过了规定的阈值(例如5℃)(S301)，当超过规定的阈值时，设定为通常的间歇运行模式(根据第一停止条件来判断可否停止发电动作的模式)(S302)。另一方面，当外部气温TOUT小于等于规定的阈值时，直接或间接地求出预定部件的部件温度(S303)，并判断该部件温度是否超过了规定的阈值m(S304)。当部件温度超过了阈值m时，设定为通常的间歇运行模式(S302)，当小于等于阈值m时，判断预定部件发生冻结的危险性高，从而设定为禁止间歇运行的模式(将停止发电动作设定为不可以的模式)(S305)。通过以规定的定时(timing)来重复执行该一连串的处理，可以获得与上述实施例相同的效果。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统的控制装置，在燃料电池的发电状态和发电停止状态之间进行切换，从而进行间歇运行，其特征在于，
至少根据构成燃料电池系统的部件中的、存在有水分的预定部件的温度来决定可否停止间歇运行时的发电动作。
2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述预定部件为配置在燃料气体或氧化气体的流通路径上的阀、通路或加湿器中的至少一个。
3.如权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，通过与所述预定部件对应设置的温度传感器来直接检测所述预定部件的温度。
4.如权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，至少根据该燃料电池系统的运行状态或外部气温中的一者来间接检测所述预定部件的温度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的控制装置，其特征在于，当所述可否停止的决定为否时，控制该燃料电池系统的发电状态以使所述检测温度超过阈值。
6.一种燃料电池系统，其控制装置按照对燃料电池的发电状态和发电停止状态进行切换，从而进行间歇运行的方式来进行控制，所述燃料电池系统的特征在于，包括：
判断单元，判断构成该燃料电池系统的部件中的、存在有水分的预定部件发生冻结的危险性；以及
控制单元，当判断冻结危险性高时，禁止间歇运行。
7.一种燃料电池系统，具有燃料电池和存储该燃料电池发出的电的蓄电装置以作为向消耗电能的消耗装置供电的电力供应源，并在该燃料电池的发电状态和发电停止状态之间进行切换，从而进行间歇运行，其特征在于，具有权利要求1至5中任一项所述的控制装置。
8.一种燃料电池混合动力汽车，其特征在于，具有权利要求7所述的燃料电池系统。
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